МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПЕЧАТИ им.ИВАНА ФЕДОРОВА

   
РАСЧЕТНО-ГРАФИЧЕСКАЯ РАБОТА

по дисциплине
:

 
«Электрооборудование полиграфических машин»

На тему:

 «Электропривод полиграфической машины»

Вариант № 31
                                                                       Выполнила: студентка гр.ДЦат-5-1

                                                                                             Лебедева О.С.

                                                                       Проверил: Артыков Э.С.
                                                              Москва, 2010г.

Содержание

Техническое задание……………………………………………………………………….……….3

Исходные данные……………………………………………………………………….………3

      Задание………………………………………………………………………………….……..…4

1. Нагрузочная диаграмма и механическая характеристика машины …………………..………...5

1.1 Механическая характеристика …………………………………………….………....5

1.2  Нагрузочная диаграмма …………………………………………………………....5

2. Расчет мощности ЭД  и построение электромеханической характеристики……………..6

2.1        Расчет мощности и выбор ЭД……………………………………………………6

2.2         Расчет и построение естественной  электромеханической характеристики ДПТ………………………………………………………………………………………………..7

3. Структурная и кинематическая схемы ЭП и краткое их описание………………………..8

3.1 Структурная схема и краткое описание…………………………………………...8

3.2 Кинематическая схема привода и ее краткое описание………………………….9

4. Расчет тормозного сопротивления………………………………………………………….11

5. Выбор и описание функциональной схемы системы автоматического управления(САУ) электроприводом (ЭП)…………………………………………………………………………….15

5.1.         Выбор структуры системы ЭП……………………………………………..………16

5.2.         Описание выбранной САУ ЭП……………………………………………...……..16

6.         Разработка релейно-контакторной схемы управления ЭП……………………………..17

7.         Принципиальная схема САУ ЭП……………....................................................................19

Список  используемой литературы………………………………………………………………...20

ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ


1.ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ

1. Механическая характеристика машины  М_с.м = f(w): М_с.м.н = 100 Н×м,   М_с.м.о = 55 Н×м.

2. Нагрузочная диаграмма машины М_с.м = f(t) = const при t ® ¥.

3. Номинальная частота вращения вала машины: n_м.н. = 115 об/мин.

4. Частота вращения вала машины на заправочной скорости в режиме “Толчок”:    n_м.з.т. = 12 об/мин.

5. Относительная точность поддержания заданной скорости двигателя при изменении М_с._. от 0 до М_с.макс: d_з. = 5%.

6. Момент инерции машины на её приводном валу: J_м. = 17 кг×м².

7. Вращающий момент ЭД передаётся к приводному валу машины посредством редуктора и клиноременной передачи: h_п. = 0,95;      J_п. = 1,25×J_дв..

8. Время разгона ЭП до заправочной и толчковой скорости: t_{раз.з.т.} = 2 с.

9. Время разгона ЭП до номинальной скорости: t_раз.н. = 5 с.

10. Номинальное напряжение задания на рабочую скорость: U_з.раб = 10 В.

11. Время торможения ЭП (технологическая остановка машины):  t_тор. = 1 с.

12. Среднее значение тормозного момента электромеханического тормозного устройства: М_{т.мех.ср.} = 0,5 М_н.дв..

13. Максимальное напряжение выхода задатчика рабочей скорости:     U_з. = 10 В.

14. Максимально допустимый ток цепей задания скорости для режимов “Рабочая скорость”, “Заправка”, “Медленно” и “Толчок”: I_max = 20 мA.

15. Напряжение обратной связи контура регулирования скорости при         w = w_н  равно: U_он = 9,8 В.
2. ЗАДАНИЕ

1.    Привести нагрузочную диаграмму и механическую характеристику машины. Определить диапазон регулирования скорости.

2.    Рассчитать требуемую мощность электродвигателя и выбрать по каталогу из условия      Р_н ³ Р_расч, U_d.0.т.п ³ U_н и с n_н.дв., наиболее близкой к n_м.н. Данные свести в таблицу.

      По каталожным данным рассчитать и построить естественную электромеханическую        характеристику ДПТ и требуемую электромеханическую характеристику электропривода. Определить перепад частоты вращения Δn_н и сравнить с заданным значением перепада Δn_зад. Определить передаточное число передаточного механизма.

3.    Составить кинематическую схему привода и дать ее краткое описание.

4.    Рассчитать среднее значение тормозного момента М_т.эл.ср, режима динамического торможения ДПТ, величину и мощность тормозного сопротивления, обеспечивающего необходимое время торможения. Рассчитать время свободного выбега машины. Построить механическую характеристику режима динамического торможения.

5.    В соответствии с исходными данными обосновать и выбрать функциональную схему системы автоматического управления (САУ) электроприводом (ЭП). Дать описание выбранной САУ ЭП.

6.    Разработать релейно-контакторную схему управления (РКСУ) ЭП, обеспечивающую все необходимые режимы работы машины, контроль основных параметров ЭП и сигнализацию. Дать описание работы схемы.

7.    Разработать принципиальную схему спроектированного электропривода.




1.   
НАГРУЗОЧНАЯ ДИАГРАММА И МЕХАНИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА               МАШИНЫ

1.1 
Механическая характеристика
Механической характеристикой машины называется зависимость ее скорости от развиваемого ею вращающего момента, т.е 
= f(М).Для построения механической характеристики необходимо рассчитать номинальную скорость вращения вала машины.



Построение характеристики производится по двум точкам: с координатами

(0; М_с.м.о) и (_.w
_н; М_с.м.н). В нашем случае М_с.м.о. = 55 Н×м, М_с.м.н. = 100 Н×м. Механическая характеристика показана на рис. 2.1.




Рис.1.1.1
Механическая характеристика машины
1.2 Нагрузочная диаграмма


Нагрузочной диаграммой машины называется зависимость развиваемого ею вращающего момента от времени. Поскольку момент сопротивления машины М_с не изменяется, в соответствии с уравнением движения в установившемся режиме вращающий момент двигателя М = М_см. =
f
(
t
) =
const. Время работы машины называется зависимость развиваемого ею вращающего момента от времени. Нагрузочная диаграмма показана на рис.1.2



Рис.1.2.1
Нагрузочная диаграмма машины

2.
Расчёт мощности электродвигателя и построение электромеханической характеристики

2.1 Расчет мощности и выбор электродвигателя

Для  выбора электродвигателя необходимо вычислить следующие величины:

1.Номинальная угловая скорость вращения вала машины:

ω_н = 12 (рад/с)   

 2.Мощность на валу рабочей машины определяется по формуле:

   (Вт)

3.Расчетная мощность двигателя определяется по формуле:

(Вт)

где 
_пм – коэффициент полезного действия передаточного механизма. 

     По каталогу выбирается электродвигатель из условия Р_рас. £ Р_н,, т.е. его номинальная мощность должна быть равна или больше расчетной, а также из условия

U_d.o     U_н с  n_н.дв, наиболее близкая к n_м.н..

В данном случае это двигатель типа  4А 100L8 со следующими параметрами:

Мощность	Рн=1,5 кВт
Частота вращения	nн  = 700 об/мин.
Ток статора при напряжении U=380В	I н=4,7 А
КПД	 н = 74 %
Масса двигателя	m = 42 кг.
cosφ	0,65
Iпуск/Iном	4,0
Мпуск/Мном	1,6
Мmin/Мном	1,3
Мmax/Мном	1,9
Маховой момент ротора	GD 2 =5,2х10-2кгс·м2

2.2 Расчет и построение естественной электромеханической характеристики ДПТ

Для расчета электромеханических характеристик двигателя необходимо по паспортным данным определить следующие параметры:

1. Передаточное число редуктора приняв номинальную частоту вращения выбираемого двигателя  750 об/мин:



1.    Номинальная угловая скорость вращения:

 (рад/c)

3.    Номинальный момент двигателя:

    (Н·м)

4. Сопротивление якоря:

  (Ом)

5. Постоянная электродвигателя:

    (В·с/рад)                      

6.  Скорость идеального холостого хода в номинальном режиме:

 (1/с)

7. Эквивалентный момент сопротивления машины, приведенный к валу двигателя:

(Н·м)

Естественная механическая характеристика ДПТ строится по двум точкам: 1 (n₀;  M= 0); 2 (n_н; М =М_н) рис.2.1.

Определим n_к:











об/мин

8. Перепад скорости по естественной характеристики на ДПТ осуществляется по формуле:



где n_с находим по графику.

Рассчитаем критический момент:

 Н·м

Пусковой момент:

Н·м
3.Структурная и кинематическая схемы электропривода и краткое их описание

3.1 Структурная схема и краткое ее описание



Электроприводом называется электромеханическое устройство, предназначенное для приведения в движение рабочих органов машин и  управления технологическими процессами. ЭП состоит из преобразовательного, электродвигательного, передаточного и управляющего устройств.

ЭП может быть автоматизированным и неавтоматизированным; первый в отличие от второго имеет систему автоматического управления (САУ) и обеспечивает рациональное ведение технологического процесса. Полиграфические машины последнего времени оснащены большим количеством электроприводов постоянного и переменного тока различной сложности – от простейших нерегулируемых электроприводов до сложных многоконтурных систем с подчиненным регулированием с двигателями постоянного и переменного тока различной мощности – от сотен ватт до сотен киловатт. Современная система автоматического управления электроприводом может быть успешно реализована при использовании последних достижений в области электроники, преобразовательной техники, микропроцессорной техники и электронных вычислительных машин.


Блок-схема автоматизированного ЭП может выглядеть следующим образом:

Рис. 3.1.1
Структурная схема автоматизированного электропривода

ЭСУ – энергетическая (силовая) часть системы управления.

ИСУ – информационная часть системы управления.

СУ – система управления.

МЧ – механическая часть электропривода.

ЭД – электродвигатель.

РД – ротор двигателя.

ЭМП – электромеханический преобразователь.

ПМ – передаточный механизм.

ИМ – исполнительный механизм.
3.2  Кинематическая схема привода и ее краткое описание




Рис.3.2.1 Кинематическая схема привода

ТГ  - тахогенератор дает информацию о скорости двигателя;

ЭД – электродвигатель;

Ш 1, Ш – шкивы клиноременной  передачи;

МС, МС 1, СМ 2, СМ 3  – соединительные муфты, состоящие из двух полумуфт;

Р – редуктор (ряд шестерни), передача вращающего момента и его поворот (или нет ) на 90⁰, количество шестерни зависти от его передаточного числа;

   –  валы;

ПМ – передаточный механизм, предназначенный для привидения в соответствие частоты вращения двигателя с частотой вращения вала РМ;

РМ – рабочая машина



Рис.3.2.2
Упрощённая кинематическая схема

J
_дв – момент инерции двигателя;

w - угловая скорость вала двигателя;

М – вращающий момент на валу двигателя;

М_с – момент сопротивления машины, приведённый к валу двигателя;

Р – мощность на валу двигателя;

J
_п –момент инерции передаточного механизма;

i
_п – передаточное число редуктора;

h
_п – коэффициент полезного действия передаточного механизма;

w
_м – скорость вала рабочего органа машины;

М_м – вращающий момент на валу рабочего органа машины;

М_с.м – момент сопротивления на валу рабочего органа машины;

J
_м – момент инерции рабочего органа машины;

Р_м – мощность на валу рабочего органа машины.

  

4. РАСЧЁТ ТОРМОЗНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ

В электроприводах по системе «ПЧ-АД» используются ПЧ, имеющие тормозной прерыватель и тормозное сопротивление, и без них. Выбор того или иного варианта ПЧ зависит от необходимости использования режима динамического торможения АД_к.з.р для обеспечения заданного значения времени торможения t_тор.

Для обеспечения режима динамического торможения ДПТ после подачи команды “стоп” необходимо якорь двигателя замкнуть на тормозное сопротивление R_т.

При этом, машина постоянного тока переходит в генераторный режим, кинетическая энергия, запасенная рабочей машиной преобразуется в электрическую, которая в свою очередь преобразуется в тепловую. Тормозное сопротивление должно обеспечить полную остановку ЭП при комбинированном торможении, т.е. при совместном действии электрического (динамического) и электромеханического торможения за установленное время t_тор=1сек.

Уравнение электрического равновесия машины постоянного тока в режиме динамического торможения имеет вид:


,

где w – скорость вращения ДПТ в момент переключения в режим торможения;

С – постоянная ДПТ.

Среднее значение тормозного электрического момента М_{т.эл.ср.} определим из выражения для времени торможения:

,

где J – общий момент инерции электропривода, приведенный к валу двигателя:

 кг·м²

М_{т.мех.ср}. – среднее значение тормозного момента электромеханического тормозного устройства:

Н·м

М_с.ср. – среднее значение момента сопротивления машины, приведенное к валу двигателя:



М_с.о. – момент сопротивления, приведенный к валу двигателя машины при w
= 0:

Н·м

М_с.н. – момент сопротивления, приведенный к валу двигателя машины при w
=
w
_н.:

 Н·м

Тогда

 Н·м

Следовательно, среднее значение тормозного момента режима динамического торможения ДПТ:

 Н·м

Т.к. >0, необходимо использовать ПЧ с прерывателем и тормозным резистором.



Рис.4.1 Схема преобразователя частоты с прерывателем и тормозным резистором


Т.к. максимальная мощность применяемого двигателя равна 1,5 кВт, то выбираем модель Е1-9011-002-Н из спецификации данного преобразователя.



Цепь динамического торможения АД питается от звена постоянного тока (ЗПТ) ПЧ, U_ЗПТ=540В.

При тормозном токе (подмагничивания): I_Т = 2 · I_Н = 2 · 4.7 = 9.4 (А)

где I_Н – номинальный ток статора АД.

Максимальный тормозной момент равен М_{т.эл.макс} = М_К, а среднее значение М_{т.эл.макс} = 0.3 · М_К

 Н·м



→  Н·м

Определим требуемое значение тормозного тока для обеспечения М_{т.эл.макс} (расчетного):

    (А)

Сопротивление тормозного резистора R_т будет равно:

    (Ом)

Мощность тормозного резистора R_т:

   (Вт)

Для построения механической характеристики режима динамического торможения необходимо вычислить тормозной начальный момент:

Н·м

Время свободного выбега электропривода, это время, за которое скорость двигателя уменьшится до нуля под действием собственного момента сопротивления машины:

с

На рис. 4.1 показана механическая характеристика режима динамического торможения ДПТ.

5. ВЫБОР И ОПИСАНИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ СХЕМЫ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ (САУ) ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ (ЭП)

Проектирование систем электропривода обычно производится от простого к сложному. Прежде всего, на основе требований к электроприводу, изложенных в задании, необходимо:

-  выбрать тип тиристорного преобразователя;

-  рассмотреть возможность использования разомкнутой системы ЭП;

в случае необходимости использования замкнутой системы ЭП нужно определить, по какому параметру должна осуществляться обратная связь.

5.1  Выбор  структуры системы электропривода

Задача САУ ЭП машин состоит в соблюдении заданного режима работы в соответствии с требованиями технологического процесса. Управление электроприводами включает пуск, торможение, реверсирование, а также регулирование скорости, ускорения или других заданных параметров привода.

Системы автоматического управления электроприводами можно подразделить на разомкнутые и замкнутые.

В разомкнутых САУ не предусматриваются автоматические устройства для изменения и регулирования скорости ЭД и других выходных величин. Поэтому изменение возмущающих воздействий, например нагрузки на валу двигателя, приводит к изменению ранее заданного режима работы привода. Они обеспечивают автоматический разгон, торможение, реверсирование и ступенчатое изменение скорости привода. Разомкнутые САУ строятся на базе релейно-контакторной аппаратуры, основные элементы которой – различного рода реле, контакторы, выключатели и др.

В замкнутых САУ предусматриваются автоматические устройства измерения и регулирования скорости, тока и других выходных величин. В этих системах можно независимо от состояния возмущающих воздействий поддерживать заданный режим работы привода или изменять скорость, ускорение и ток по требуемому закону. Для этой цели применяются электромагнитные, магнитные или полупроводниковые усилители.  Замкнутые САУ сложнее и дороже разомкнутых, однако они более совершенны, так как позволяют наиболее точно соблюдать заданный технологический режим работы.

Проектирование систем электропривода обычно проводится от простого к сложному. Прежде всего, необходимо на основе требований к электроприводу, изложенных в техническом задании, рассмотреть возможность использования разомкнутой (без внешних обратных связей) системы автоматического управления электроприводом. Для этого необходимо определить перепад частоты вращения двигателя Δn при М=М_с и сравнить его с заданным значением Δn_зад. Если Δn≤ Δn_зад можно использовать разомкнутую САУ ЭП, если Δn>Δnзад необходимо использовать замкнутую САУ ЭП по скорости. В данной работе:

Δn>Δnзад  (38>35)

Следовательно и необходимо использовать замкнутую систему электропривода по скорости.
5.2 Описание выбранной САУ ЭП





Рис.5.2.1 Функциональная схема САУ ЭП


SF – автоматический выключатель;

ИПТ – стабилизированный источник постоянного тока;

ПЛК – программируемый логический контроллер;

ПЧ – преобразователь частоты;

ТУ – тормозное устройство (прерыватель с тормозным резистором);

КУ – коммутационное устройство;

ЭМТ – электромеханический тормоз;

ИДС – импульсный датчик скорости;
     ПМ – полиграфическая  машина;

ЭД – асинхронный двигатель с к.з.р. с встроенным ЭМТ и ИДС;

ПУ – пульт управления ПМ.



9.
РАЗРАБОТКА РЕЛЕЙНО-КОНТАКТОРНОЙ СХЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ЭП



Релейно-контакторная схема управления (РКСУ) должна обеспечивать необходимые режимы функционирования рабочей машины.

В большинстве полиграфических машин (ПМ) и агрегатов предусмотрены режимы “толчок вперед”, “толчок назад”; в этом случае работа машины происходит, пока нажата соответствующая кнопка. Этот режим используется при проведении пусконаладочных работ. Скорость в этом режиме составляет 1-10% от номинальной скорости ω_н в зависимости от типа машины. В этом режиме возможна подача звукового сигнала при первом включении.

Режим “медленно” или “заправка” предусматривает длительный режим работы машины на скорости 1-10% от 
7
c
?_н. В этом режиме работы обязательна подача звукового и светового сигнала перед пуском.

Режим “рабочая скорость” предусматривает длительный режим работы на скорости, установленной оператором. Как правило,  в схемах управления полиграфических машин пуск на рабочую скорость может осуществляться только после.


Рис.6.1 Релейно-контакторная схема управления приводом.


При подаче питания в обмотке возбуждения появляется ток, включаются реле КА1 И К1. Реле К6 не включается, так как штифт концевого выключателя SQ1 нажат.

Команда «Толчок». Нажатие кнопки SB2 приводит к включению реле К2, К4 и контакторов КМ1, КМ2, КМ3. Контакты КМ3 включают электромагнит YB, растормаживающий машину.

Контактор КМ2 размыкает цепь динамического торможения, а контактор КМ1 подключает к сети тиристорный преобразователь. Двигатель будет работать на наладочной скорости, пока нажата кнопка SB2.

Отпускание кнопки SB2 приводит к отключению контактора КМ3 и электромагнита YB. Машина быстро затормаживается. Ток возбуждения уменьшается, реле К2, контакторы КМ1 и КМ2 остаются включенными.

Команда «Заправка». Нажатие кнопки SB3 приводит к включению реле К5, К3, КТ и звонка НА. Через 2-3 с один контакт реле времени КТ отключает звонок, а другой – включает реле К4.

Если до подачи команды «Заправка» двигатель работал в режиме толчков, то реле К2 и контакторы КМ1 и КМ2 остались включенными. Тогда включение реле К4 приведет лишь к растормаживанию машины и подаче напряжения задания на вход регулятора скорости. Двигатель плавно выведет машину на заправочную скорость.

Команда «Быстрее». Нажатие кнопки SB4 приводит к включению реле К7, К8, К9. Штифт SQ1 высвобождается , его контакты замыкаются, реле К6 отключается. Скорость машины будет возрастать, пока нажата кнопка SB4. После отпускания этой кнопки достигнутая скорость сохраняется.

Команда «Медленнее». Нажатие кнопки SB5 приводит к включению реле К10. Напряжение уменьшается, скорость машины снижается, пока нажата эта кнопка. После ее отпускания достигнутая скорость сохраняется.

Если угол α уменьшится до значения α₀, размыкаются контакты SQ1. Отключаются реле К6, К10. Машина продолжает работать на заправочной скорости.

Команда «Стоп» используется в основном для остановки машины, работающей на заправочной скорости. Нажатие кнопки SB1 приводит к отключению всех реле и контакторов. Машина затормаживается в основном механическим тормозом, так как динамическое торможение при малой скорости неэффективно.

Подача команды «Стоп» при работе машины на высокой скорости допускается лишь в аварийных случаях. За счет электрического и механического торможения машина останавливается за заранее заданное время.
10. 
ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА САУ ЭП


Рис.7.1 Принципиальная схема САУ ЭП
А0 – пульт управления;

А1 – источник питания;

А2 – программируемый логический контроллер;
     А3 – преобразователь частоты;

А4 – тормозной прерыватель;

RT – тормозное сопротивление;

М – трехфазный асинхронный двигатель с коротко-замкнутым ротором;

SF1 – автоматический выключатель.






ИСПОЛЬЗУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА
1.    Артыков Э.С. Электрооборудование полиграфических машин: учебник для вузов – М.: МГУП, 2005 – 399 с.:ил.

2.    Никаноров В.Б., Шмелева Г.А. Электромеханические системы: учебное пособие – М.:МГУП, 2006 – 227 с.: ил.

3.    Немцов М.В. Электротехника и электроника: учебник для вузов – М.: Высш.шк., 2007 – 560 с.: ил.