Проектування електроприводу сільськогосподарських машин

Зміст

Вступ

1. Розрахунок і побудова механічної характеристики робочої машини. Визначення режиму роботи електродвигуна

2. Визначення потужності і вибір типу електродвигуна

3. Розрахунок і побудова механічної характеристики електродвигуна за його паспортними даними

4. Розрахунок і побудова механічної характеристики електроприводу

5. Визначення тривалості пуску електродвигуна

6. Визначення часу нагрівання електродвигуна

7. Вибір апаратури керування і захисту, комплектних пристроїв

8. Заходи з охорони праці

9. Заходи з основ охорони природи та екології

Висновки та пропозиції

Список використаних джерел

Вступ

Енергетичну основу сільськогосподарського виробництва складає електричний привід, технічний рівень якого визначає ефективність функціонування технологічного обладнання.

Розвиток електричного приводу йде по шляху підвищення економічності та надійності за рахунок подальшого удосконалення електродвигунів, апаратів, перетворювачів, редукторів.

При проектуванні електроприводів сільськогосподарських машин, агрегатів та потокових ліній враховують такі особливості їх роботи: різноманітність привідних характеристик робочих машин, підвищену вологість і запиленість навколишнього середовища та наявність хімічно активних речовин, живлення електроприводів, у ряді випадків, від малопотужних резервних мереж, розосередженість приводів відносно джерела струму на значних відстанях та сезонність роботи деяких приводів.

Різноманітність привідних характеристик робочих машин враховують при виборі електричних модифікацій електродвигунів та аналіз перехідних процесів системи електродвигун-робоча машина та ін.

Існуюча номенклатура асинхронних електродвигунів дає можливість вибрати потрібний електродвигун по захищеності від впливу навколишнього середовища. Для електродвигунів змінного струму необхідно передбачити захист від коротких замикань, струмів перевантаження, роботи на двох фазах та захист мінімальної напруги.

Важливою особливістю відцентрових насосів є те, що їх подача пропорційна першому степеню, напір і момент статичних опорів — другому, а споживна потужність — третьому степеню кутової швидкості. Тому при визначенні потужності двигуна, необхідного для приводу насоса, треба враховувати розбіжність між номінальною і фактичною кутовими швидкостями.

1. Розрахунок і побудова механічної характеристики робочої машини. Визначення режиму роботи електродвигуна

Визначаємо номінальний момент статичного опору робочої машини М_с.н. по формулі:

М_с.н. = Р _{ср. м} /щ_м (1.1)

де Р _{ср. м} — середня споживана потужність машини чи механізму, Вт;

Р _{ср. м} = (Р_м1 · t₁ + P_м2 · t₂ + P_м3 · t₃) / (t₁ + t₂ + t₃) (1.2)

Р _{ср. м} = (2000 · 20 +2300 · 20+ 2900 · 60) / (20+ 20 + 60) = 2600

щ_м — номінальна кутова швидкість приводного вала машини, с^-1

М_с.н.= 2600 / 300 = 8.6 Н· м Визначаємо момент опору тертя М_о в рухомих частинах машини, який не залежить від швидкості щ, по формулі:

М_о = к · М_с.н. (1.3)

де к — коефіцієнт, що характеризує відношення М_о/М_с.н.

Приймаємо к =0.3 [Л -7, с. 13 ]

М_о = 0,3· 8.6 = 2.58 Н· м Механічна характеристика робочих машин описується за такою емпіричною формулою:

М_с = М_о + (М_с.н. — М_о) · (щ/ щ_м)^х (1.4)

де М_с — поточні значення моментів статичних опорів, при кутовій швидкості щ;

х — показник степеня, що характеризує зміну статичного моменту, при зміні кутової швидкості х = 2 (у відповідності до завдання).

М_с= 2.58 + (8.6 — 2.58)· (30 / 300)² = 3.2 Н· м Аналогічно розраховуємо інші значення моментів статичних опорів робочої машини, результати заносимо в таблицю № 1.

Таблиця № 1 Результати розрахунків

У відповідності до завдання будуємо навантажувальну діаграму робочої машини рис. 1, прийнявши масштаби m_Р = 0.5 кВт/cм;

m_t = 10 хв/см.

Рис. 1 Навантажувальна діаграма робочої машини За максимальну потужність робочої машини приймаємо найбільше значення за навантажувальною діаграмою Р = 2.9 кВт.

Для електродвигунів такої потужності Т=20 хв. [Л -7, с. 14 ] .

З графіка навантажувальної діаграми (рис.1) видно, що час роботи, хв:

t_р = t₁+t₂+t₃ (1.5)

t_р = 20+20 +60 =100

При цьому t_р > 4 Т;100 > 80. За час роботи 20 хвилин електродвигун нагрівається до встановленої температури. Такий режим роботи називається тривалим і згідно з ГОСТ 183–73 позначається S1.

2. Визначаємо потужність і проводимо вибір типу електродвигуна

електродвигун потужність нагрівання механічний Електродвигун вибирають враховуючи технологію виробництва, кінематичну схему передаточного механізму, характеристику навколишнього середовища, напругу мережі, спосіб монтажу, та за умовами:

а) Р_дв? Р_мзв (2.1)

б) щ_дв? щ_м (2.2)

Рис. 2. Кінематична схема приводу

Якщо машина має передаточний механізм (відповідно до рис.2) то спочатку визначають приведену потужність машини до валу електродвигуна за формулою:

(2.3)

Р_мзв = 2.6 / 1 =2.6 кВт

де Р_ем — еквівалентна потужність машини, кВт за робочий період, визначається за формулою:

(2.4)

Користуючись довідниковою літературою вибираємо ближчий більший стандартний електродвигун за потужністю від числа обрахованого в попередньому пункті. [Л-10, с.70]

Вибір електродвигуна за частотою обертання зводиться до економічно ефективного прийнятого рішення:

щ_дв = Я · щ_м (2.5)

щ_дв = 1 · 300 =300, с^-1

Враховуючи всі вище перераховані вимоги, користуючись довідниковою літературою [3], [10], [11], остаточно вибираємо електродвигун який має наступні паспортні дані:

· тип електродвигуна АИР90L2У3

· номінальна потужність — Р_н, кВт 3

· номінальний струм — I_н, А 0.13

· номінальна частота обертання — n_н, хв^-1 2850

· коефіцієнт корисної дії - з 84.5

· коефіцієнт потужності - соs ц 0.88

· кратність пускового моменту — К_пуск (М_пуск/М_ном) 2

· кратність пускового струму — К_і 7.0

· кратність максимального моменту — К_макс (М_макс/М_ном) 2.2

· момент інерції ротора — Ј, кг· м² · 10^-3 3.5

· масаm, кг 19

Підставляємо числа в нерівність і співвідношення формул 2.1 і 2.2

а) 3 > 2.6

б) 300? 285

Умови виконуються.

3. Розрахунок і побудова механічної характеристики електродвигуна за його паспортними даними

Визначаємо номінальний момент М_н (Н· м), за формулою:

М_н = Р_н•10³/щ_н (3.1)

де Р_н — номінальна потужність вибраного електродвигуна, кВт;(див. пункт 2.4)

щ_н — номінальна кутова швидкість обертання ротора електродвигуна, с^-1;

n_н — номінальна частота обертання ротора електродвигуна, хв^-1.

щ_н = 0,105 · n_н, с^-1. (3.2)

щ_н = 0,105· 2850 =299.5 с^-1

М_н = 3 •10³/ 299.5 = 10 Н· м

Визначаємо номінальне ковзання за формулами:

S_н = (n_о — n_н)/n_о або S = (щ_o — щ_н)/щ_о (3.3)

де n_о — синхронна частота обертання, хв^-1;

щ_о — синхронна кутова швидкість, с^-1.

S_{н =} (3000 — 2850) /3000 = 0.05

Визначаємо критичний (максимальний) момент, Н· м:

М_макс = К_макс · М_н (3.4)

де К_макс — довідникове значення К_макс=2.2 (див. пункт 2.4)

М_макс = 2.2 · 10 =22 Н· м

Критичне ковзання визначається за формулою:

(3.5)

Визначаємо пусковий момент електродвигуна, за такою формулою:

М_пуск = К_пуск · М_н (3.6)

де К_пуск — довідникове значення К_пуск= 2 (див. пункт 2.4)

М_пуск = 2 · 10 = 20 Н· м

За результатами розрахунків (пункти 3.1, 3.2, 3.3, 3.4, 3.5) отримуємо характеристичні точки графіка механічної характеристики електродвигуна з координатами: А (М_пуск; 1) А (20; 1)

В (М_макс; S_кр) В (22; 0.2)

С (М_н; S_н) С (10; 0.05)

D (0; 0) D (0; 0)

Координати точок В і С не ввійшли до таблиці 2.

Поточні значення моменту М_д електродвигуна, для побудови механічної характеристики, визначають за спрощеною формулою Клосса:

де S — поточні значення ковзання, їх значення приймаємо з інтервалом ?S=0,1, в діапазоні від 0,9 до 0,1.

Визначаємо для поточного значення ковзання S = 0,9

Н· м

Аналогічно розраховуємо інші значення, результати заносимо в таблицю № 2, рядок 1.

Таблиця 2 Результати розрахунків

За результатами розрахунків будуємо графік механічної характеристики електродвигуна М_д = f (S), який зображено на графічній частині.

З метою реального уявлення значень ковзання S визначаємо відповідні значення кутової швидкості - щ, та частоти обертання n, за формулами:

щ = щ_о · (1-S), або n = n_o · (1-S)

Для прикладу розглянемо визначення кутової швидкості щ та частоти обертання n для S=0,9: щ = 315 · (1 — 0,9) = 31.5 с^-1

n = 3000 · (1 — 0,9) = 300 хв^-1

Аналогічно проводимо решту розрахунків, за результатами розрахунків заповнюємо рядки 3 та 4 таблиці 2.

4. Розрахунок і побудова механічної характеристики електропривода

Зводимо поточні моменту статичного опору робочої машини до валу електродвигуна за формулою (для кожного значення ділянки):

(4.1) Н· м

Результати розрахунків записуємо до таблиці 3 рядок 4 (значення М_с наведено в таблиці 1). Графік механічної характеристики М_сзв = f (щ) робочої машини зображено на графічні частині.

Визначаємо динамічний момент на кожній ділянці за формулою:

(4.2)

Н· м

Від значень рядка 2 таблиці 3 віднімаємо відповідні значення рядка 3 цієї ж таблиці.

Аналогічно визначаємо інші значення, результати розрахунків заносимо в результуючу таблицю № 3 рядок 4.

Таблиця № 3 Результати розрахунків

За результатами розрахунків будуємо графік механічної характеристики електроприводу М_дин. = f (щ).

5. Визначення тривалості пуску електродвигуна

Час пуску електродвигуна можна отримати з виразу:

t_п = ј_пр· ?щ / М_{дин.сер.} © (5.1)

де ј_п — момент інерції приводу, визначається по формулі:

ј_пр = ј_м + ј_дв (5.2)

ј_пр = 0.25 + 3.5 = 3.75 кг/м²

?щ — зміна кутової швидкості на кожній ділянці, визначається по формулі

?щ = щ_кін — щ_поч, с^-1; (5.3)

ј_м — момент інерції робочої машини (дано в завданні), кг· м²;

ј_дв — момент інерції електродвигуна (див. пункт 2.4), кг· м².

Для першої ділянки щ_поч = 0, щ_кін = 31.5, с^-1, кінцеве значення першої ділянки одночасно є початковим для другої і т.д.

М_{дин.сер.} = (М_{дин.сер 1} + М_{дин.сер 2}) / 2 (5.4)

Як приклад наводимо розрахунок для першої ділянки:

?щ = 31.5 — 0 = 31.5, с^-1

М_{дин.сер.1} = (17.42 + 6.16) / 2 = 11.8 Н · м

t_п1 = 3.75· 31.5 / 11.8 = 10 (с^-3)

Аналогічно визначаємо інші значення, результати розрахунків заносимо в таблицю 4, рядок 3.

Таблиця № 4 Результати розрахунків

Розрахунки проводимо для кожної ділянки, результати заносимо до результуючої таблиці № 4 Час пуску електропривода визначаємо, як алгебраїчну суму на окремих ділянках

?t_пр = t_пр1 + t_пр2 + … t_пр9 © (5.5)

?t_пр = 10 + 19 + 16.8 + 14.7 + 13.4+ 11.3 + 9.2 + 8.2 + 9.7 = 112.3 © За даними таблиці будуємо графік часу пуску t_п=f (щ) електропривода, який зображено на графічні частині.

6. Визначення часу нагрівання електродвигуна

Рівняння нагрівання електродвигуна має такий вигляд:

(6.1)

де е — основа натурального логарифму;

ф — поточне значення температури електродвигуна яке залежить від поточного значення часу, t, ?С;

ф_уст — усталене значення перевищення температури електродвигуна над температурою навколишнього середовища, ?С;

ф_уст = ф_дв — ф_н.с. (6.2)

де ф_н.с = (40ч35) ^оС ф_дв — залежить від класу ізоляції закладеного в електродвигун, для електродвигунів серії (4А та АИР) з висотою осі обертання 50−132мм закладена ізоляція класу «В» для якої ф_уст = 90^оС ф_поч — початкове перевищення температури електродвигуна над температурою навколишнього середовища, приймаємо ф_поч = 0^оС Т — постійна часу нагрівання, приймаємо [ Л -7, с. 14 ] необхідне значення Т = 20 хв. Суть розрахунку полягає в підстановці в рівняння значень t починаючи з 0 до часу який дорівнює 4 Т;

Аналогічно розраховуємо інші значення. Отримані значення заносимо в таблицю № 5.

Для побудови криволінійного графіка, яким являється графік нагрівання електродвигуна, достатньо десяти точок. Крок часу ?t приймаємо рівним 1:10 від значення 4 Т, що становить ?t= 8 хв.

Таблиця № 5 Динаміка нагрівання електродвигуна

За результатами розрахунків будуємо графік ф = f (t), який зображено на графічній частині.

7. Вибір апаратів керування і захисту, комплектних пристроїв

Електродвигун встановлений в кормоцех.

Для вибраного електродвигуна, технічні характеристики якого приведено в пункті 2.4, складаємо однолінійну схему, у відповідності до якої проводимо вибір апаратури керування і захисту.

Визначаємо пусковий струм електродвигуна І_п = І_н· К_і (7.1)

І_п = 0,13 · 7 = 0,91А

7.2. Вибір автоматичного вимикача QF здійснюється за такими показниками і умовами:

а) за номінальною напругою із умови

U_а.ном? U_мер (7.2)

де U_а.ном — номінальна напруга автоматичного вимикача;

U_мер — напруга мережі; U_мер = 380 В Приймаємо до монтажу [3], [10], [11], вимикач серії ВА51Г

U_а.ном = 660 В.

660 > 380 Умова виконується.

б) за номінальним струмом автоматичного вимикача

І_а.ном? І_р (7.3)

де І_а.ном — номінальним струмом автоматичного вимикача, А;

І_р — розрахунковий струм кола, А;

І_р = К_зм · I_н, (7.4)

де К_зм — коефіцієнт завантаження машини, користуючись довідниковою літературою приймаємо К_з = 0,7

I_р = 0,7 · 0,13= 0.09 А Користуючись довідниковою літературою [3], [10], [11], приймаємо ВА51Г-25−34 І_а.ном = 25 А.

25 > 0.09 Умова виконується.

I_т.р. I_р

по струму теплового розчіплювача (7.5)

приймаємо І_т.р. = 0,3 А

0,3 > 0.09 Умова виконується.

Перевіряємо автоматичний вимикач на можливість спрацювання при запуску електродвигуна за умовою:

І_у.е.? І_п (7.6)

де І_у.е — струм спрацювання електромагнітного розчіплювала, А;

І_у.е. = К_від. · І _т.р. (7.7)

де К_від — кратність відсічки, довідникове значення, приймаємо К_від = 14

І_у.е. = 14 · 0.3 = 4.2 А.

> 0,91 Умова виконується. Отже, вибраний автоматичний вимикач не спрацює при запуску електродвигуна.

Вибираємо електромагнітний пускач за умовами:

1.U_п.ном? U_мер — по номінальній напрузі;

2. І_ном.р? І_р. — по розрахунковому струму;

3. І_ном.р? І_п/6 — по комутаційній здатності.

Умовам вибору відповідає електромагнітний пускач серії ПМЛ 1 [3], [10], [11], який має наступні технічні характеристики: U_п.ном = 660 В, І_ном.п = 10 А, U_кот. = 220 В.

1. 660 > 380; Умова виконується.

2. 10 > 0.09; Умова виконується.

3. 10 > 0.15; Умова виконується.

Остаточно вибираємо електромагнітний пускач ПМЛ — 2230 О2 Б Вибираємо електротеплове реле за умовами:

1.U_ном.р.? U_мер — по номінальній напрузі;

2.І_ном.р? І_р. — по розрахунковому струму;

3. І_т.р? I_р — по струму теплового розчіплювала.

За умовами вибираємо теплове реле типу РТЛ 1 [3], [10], [11], яке має наступні технічні характеристики: І_ном. = 25 А, U_ном.= 660 В, приймаємо струм теплового розчіплювала в діапазоні 0.16 — 0.26 А. Остаточно приймаємо теплове реле типу РТЛ — 1002 О4

Регулятор встановлюємо в положення 0.16 А

660 > 380; Умова виконується.

25 > 0.09; Умова виконується.

0.16 > 0.09; Умова виконується.

8. Заходи з охорони праці

Для приводу змішувача основними заходами з охорони праці є:

1. Захист обслуговуючого персоналу від випадкового ураження електричним струмом при дотику до струмоведучих жил, окремих частин або всім тілом;

2. Всі обертові частини механізму повинні бути надійно закріплені і не мати люфту, якщо це непередбачено технологічними особливостями машини;

3. Всі вали, шестерні, муфти для безпеки праці повинні мати захисні корпуси або бути поміщені до закритого корпусу;

4. Під час роботи змішувача, робоча камера повинна бути закритою для запобігання потрапляння туди сторонніх предметів, які можуть спричинити аварійний стан системи.

9. Заходи з основ охорони природи та екології

Основними заходами у цьому напрямку є:

1. Щоб передаточний механізм, електродвигун та робоча машина в цілому не створювали шуму під час роботи.

2. Всі передаточні механізми та інші пристрої, які мають обертові, а значить і тертьові деталі, не мали підтікань змащувальної рідини (оливи).

3. Під час експлуатації в роботі змішувач не повинен створювати засмічення, бруду не піднімати пилу, так як це є негативним явищем у роботі установки.

Висновки та пропозиції

Для надійної тривалої роботи змішувача потрібно слідкувати за технічним станом як машини в цілому, так і окремих її частин. Якщо вчасно виявляти та усувати несправності у роботі системи, то це збільшить термін експлуатації установки. Доцільним є використання приладів сигналізації, які інформують обслуговуючий персонал про стан роботи системи та якість технічного процесу, а також у різні аварії - про аварійне відключення системи.

Список використаних джерел

В.Ф.Гончар, Л. П. Тищенко Електрообладнання тваринницьких підприємств і автоматизація виробничих процесів у тваринництві: -КВища школа, 2010.-287с.

В.Ф.Гончар, Л. П. Тищенко Електрообладнання і автоматизація сільськогосподарських агрегатів і установок: — К.: Вища школа, 1989.

В.С.Олійник та інші Довідник сільського електрика: — К. — Урожай, 1989.

В.Ф.Гончар Електрообладнання і автоматизація сільськогосподарських агрегатів і установок: — К.: Вища школа, 2008.

Електропривід сільськогосподарських машин, агрегатів та потокових ліній: підручник / Е. Л. Жулай, Б. В. Зайцев, Ю. М. Лавриненко, О. С. Марченко, Д. Г. Войтюк; За ред. Є.Л.Жулая.-К.:Вища освіта, 2011 .-288с.

Електропривод: ч.1. О. С. Марченко, Ю.М.Лавріненко, П.І.Савченко,Є.Л.Жулай; За ред. О. С. Марченка.-К.: Урожай, 2007.-208с.

Електропривід сільськогосподарських машин: методичні рекомендації щодо виконання курсової роботи, Немішаєво, 2002.-77с.

8. В. М. Манжара, В. Г. Шаманський Методичні вказівки до виконання курсового і дипломного проектування: — Немішаєво: НМЦ, 2002.-67с.

9. О. С. Марченко Довідник по монтажу і налагоджуванню електрообладнання у сільському господарстві: — К.: Урожай, 2004, — 240 с.

10.Несправності силового електрообладнання/ О. С. Марченко, .М.Лавріненко,Є.Л.Жулай та ін. За ред. О. С. Марченка. — К. — Урожай, 2009, — 288с.

11. И. Ф. Кудрявцев й др. Электрооборудование и автоматизация сельскохозяйственных агрегатов и установок: — М.: Агропромиздат, 2007.-479с.

12. Михеев Ю. А., Морозов З. В. Электрический привод. — М.:Агропромиздат, 2008.-207с.