Электропривод подъемного механизма крана (146542)

Посмотреть архив целиком

50



АННОТАЦИЯ





Лагутин Д.В. Электропривод подъемного механизма крана

В работе приведен выбор схемы электропривода подъемного механизма крана, выбран и проверен двигатель, а также силовые элементы. Исследованы статические и динамические свойства системы и рассчитаны энергетические показатели за цикл работы привода.

Страниц 50, рисунков 15.

ВВЕДЕНИЕ


Рассматривая все многообразие современных производственных процессов, в каждом конкретном производстве можно выделить ряд операций, характер которых является общим для различных отраслей народного хозяйства. К их числу относятся доставка сырья и полуфабрикатов к истокам технологических процессов и межоперационные перемещения изделий в процессе обработки, погрузочно-разгрузочные работы на складах, железнодорожных станциях и т. д.

Механизмы, выполняющие подобные операции, как правило, универсальны и имеют общепромышленное применение, в связи, с чем и называются общепромышленными механизмами. Общепромышленные механизмы играют в народном хозяйстве страны важную роль.

На промышленных предприятиях наиболее распространенным и универсальным подъемно-транспортным устройством является кран, основным механизмом которого является механизм подъема, который снабжается индивидуальным электроприводом.

Основные механизмы таких установок, как правило, имеют реверсивный электропривод, рассчитанный для работы в повторно-кратковременном режиме. В каждом рабочем цикле имеют место неустановившиеся режимы работы электропривода: пуски, реверсы, торможения, оказывающие существенное влияние на производительность механизма, на КПД установки и на ряд других факторов. Все эти условия предъявляют к электроприводу сложные требования в отношении надежности и безопасности. От технического совершенства электроприводов в значительной степени зависят производительность, надежность работы, простота обслуживания. Кран позволяет избавить рабочих от физически тяжелой работы, уменьшить дефицит рабочих в производствах, отличающихся тяжелыми условиями труда.

В данной работе электропривод рассматривается как общепромышленная установка, в качестве которой выступает подъемный механизм крана. Целью работы является закрепление, углубление и обобщение знаний в области теории электропривода путем решения комплексной задачи проектирования электропривода конкретного производственного механизма (механизма подъема крана). В выпускной работе охватываются такие вопросы, как выбор схемы электропривода, разработка системы управления электроприводом, анализ динамических свойств замкнутой и разомкнутой системы, расчет энергетических показателей электропривода. Основное внимание уделяется задаче регулирования координат (тока и скорости).


  1. ВЫБОР СХЕМЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА И СИЛОВЫХ ЭЛЕМЕНТОВ.


    1. Исходные данные для проектирования.


Электропривод подъемного механизма крана.


Грузоподъемность, кг

3000

Масса захватного приспособления, кг

25

Диаметр барабана, мм

490

Передаточное число редуктора

85

Кратность полиспаста

1

КПД передачи

0,8

Скорость подъема, м/мин

25

Высота подъема, м

12

Продолжительность включения механизма, %

15

Система электропривода: электропривод постоянного тока по системе
ТП-Д. Пуск и торможение производится при линейном изменении э.д.с. преобразователя в функции времени.


Требования, предъявляемые к электроприводу.


При разработке электропривода крана должны быть соблюдены следующие требования в отношении его характеристик:

  • обеспечение заданной рабочей скорости механизма при статических моментах на валу при подъеме и спуске;

  • возможность реверсирования;

  • обеспечение минимального времени переходного процесса;

  • обеспечение плавности пуска и регулирования;

  • ограничение максимального значения момента стопорным значением Мстоп.


    1. Выбор схемы электропривода.


Для осуществления автоматического регулирования предусматриваются управляемые преобразователи и регуляторы, позволяющие автоматически под воздействием обратных связей осуществлять регулирование координат электропривода, в нашем случае момента и скорости. Наиболее широко используются электромашинные и вентильные управляемые преобразователи напряжения постоянного тока и частоты переменного тока и соответствующие системы ЭП: система генератор – двигатель (Г-Д); система тиристорный преобразователь – двигатель (ТП-Д); система преобразователь частоты – асинхронный двигатель (ПЧ-АД). Также скорость и момент можно изменять путем реостатного регулирования. Выбор рационального способа регулирования из возможных является важной задачей, которая решается при проектировании электропривода.

Все вышеперечисленные системы имеют ряд преимуществ и недостатков, анализ которых при учете предъявляемых технических требований и специфики производственного механизма позволяет осуществить правильный выбор системы регулирования.

Так, в настоящее время продолжает успешно применяться система Г-Д. Ее основными достоинствами являются отсутствие искажений потребляемого из сети тока и относительно небольшое потребление реактивной мощности. При применении синхронного двигателя в преобразовательном агрегате путем регулирования тока возбуждения можно обеспечить работу ЭП с cos для компенсации реактивной мощности, потребляемой другими установками.

К сожалению, системе Г-Д присущи несколько серьезных недостатков, определяемых необходимостью трехкратного электромеханического преобразования энергии. Как следствие – низкие массогабаритные и энергетические показатели, и благоприятные регулировочные возможности достигаются ценой существенных затрат дефицитной меди, высококачественной стали и труда. Наряду с этим характерен низкий общий КПД системы.

Существенные преимущества асинхронного двигателя определяют несомненную перспективность системы ПЧ-АД. Однако регулирование частоты представляет собой технически более сложную задачу, чем регулирование выпрямленного напряжения, так как, как правило, требует дополнительных ступеней преобразования энергии. Коэффициент полезного действия системы ПЧ-АД ниже, чем в системе ТП-Д, ниже быстродействие и экономичность.

Рассматривая способ реостатного регулирования нельзя не отметить его низкую точность и диапазон регулирования, невысокую плавность, а также массогабаритные показатели (наличие резисторов, коммутирующей аппаратуры) и снижение КПД при увеличении диапазона регулирования. Однако данный способ привлекателен своей простотой и невысокими затратами на реализацию.

В выпускной работе разрабатывается электропривод постоянного тока по системе ТП-Д. Эта система в настоящее время наиболее широко используется из-за ее несомненных преимуществ. Она более экономична, обладает высоким быстродействием (постоянная времени Тп при полупроводниковой СИФУ не превосходит 0,01 с), имеет довольно высокий КПД. Потери энергии в тиристорах при протекании номинального тока составляет 1-2% номинальной мощности привода.

Недостатками тиристорного преобразователя является изменяющийся в широких пределах coscos, и значительное искажение формы потребленного из сети тока.

Схему преобразователя выберем мостовую реверсивную с совместным согласованным управлением.

1
.3. Расчет нагрузочных диаграмм и выбор двигателя.




Рис. 1. Кинематическая схема механизма.


Статические моменты при подъеме и спуске:

Нм

Нм,

где g – ускорение свободного падения,

mгр, mзп – масса груза и захватного приспособления,

Rб – радиус барабана лебедки,

iр – передаточное число редуктора,

iп – передаточное число полиспаста,

- КПД передачи.

Время цикла:

tц=tпод+tсп+2tп=tр+tп,

где tпод – время подъема,

tсп – время спуска,

tп – время паузы,

tр – время работы.

tпод=tсп=h/v=12/(25/60)=12/0,417=28,777 с,

где h – высота подъема,

v – скорость подъема.

Продолжительность включения:

ПВ= tр/tц

Значит, tц= tр/ПВ=57,554/0,15=383,693 с

t
п=0,5(tц- tр)=0,5(83,693-57,554)=163,07 с

Рис. 2. Нагрузочная диаграмма производственного механизма.


Полагая, что двигатель выбирается из режима S1, эквивалентный момент за цикл работы:

Нм


Угловая скорость двигателя, соответствующая V=12 м/мин:

1/с

Номинальная мощность двигателя:

кВт,

где kз=1,3 – коэффициент, учитывающий отличие нагрузочной диаграммы механизма от нагрузочной диаграммы двигателя.

Условия выбора двигателя:

РнРэкв и нрасч выбираем, пользуясь [1] двигатель постоянного тока независимого возбуждения 2ПФ160МУХЛ4

Р=7,5 кВт; U=220 В; n=1500 об/мин; nmax=4200 об/мин; КПД=83%; Rя=0.145 Ом; Rдоп=0,101 Ом; Rв=53,1 Ом; Lя=4 мГн; Jдв=0,083 кг*м2; класс изоляции – В.


Построив нагрузочную диаграмму двигателя, проверим его по условиям нагрева и допустимой перегрузки.

Суммарный момент инерции:

J=1,2Jдв+Jмех=1,2*0,083+0,025=0,1246 кг*м2,

где Jмех – момент инерции механизма.

кг*м2

Динамический момент:

Нм,

где Мном – номинальный момент двигателя.

Нм

Угловое ускорение:

1/с2

Время работы привода с ускорением:

с

Высота, на которую поднят груз за время ускорения:

м

Расстояние, которое проходит груз без ускорения:

м

Время работы привода без ускорения:

с

Время цикла с учетом ускорения:


с

Рис. 3. Нагрузочная диаграмма двигателя.

По нагрузочной диаграмме находим новое значение эквивалентного момента:

Нм

Мэкв=35,53Мн;

Мmax2.5*Мн=2,5*47,748=119,37

Выбранный двигатель удовлетворяет условиям нагрева и допустимой нагрузки.

1.4. Выбор схемы и расчет элементов силового преобразователя.


Для данного случая выбираем трехфазную мостовую схему. Схема приведена на рис.4:



Рис. 4. Мостовая реверсивная схема.


1.4.1. Выбор трансформатора.

Выбор силового трансформатора производится по расчетным значениям токов I1 и I2, напряжению U2 и типовой мощности Sтр.

Расчетное значение напряжения U2ф вторичной обмотки трансформатора, имеющего m-фазный ТП с нагрузкой на якорь двигателя в зоне непрерывных токов, с учетом необходимого запаса на падение напряжения в силовой части, определяется формулой:

В,

где ku=0,461 – коэффициент, характеризующий отношение напряжений U2ф/Ud0 в реальном выпрямителе;

kc=1,1 – коэффициент запаса по напряжению, учитывающий возможное снижение напряжения сети;

k=1,1 – коэффициент запаса, учитывающий неполное открытие вентилей при максимальном управляющем сигнале;

kR=1,05 – коэффициент запаса по напряжению, учитывающий падение напряжения в обмотках трансформатора, в вентилях и за счет перекрытия анодов;

Ud=220 В – номинальное напряжение двигателя.

Расчетное значение тока вторичной обмотки:

А,

где kI=0,815 – коэффициент схемы, характеризующий отношение токов I2ф/Id в идеальной схеме;

ki=1,1 – коэффициент, учитывающий отклонение формы анодного тока вентилей от прямоугольной;

Id – значение номинального тока двигателя.

А

Расчетная типовая мощность силового трансформатора:

кВА,

где ks=1,065 – коэффициент схемы, характеризующий отношение мощностей Sтр/UdId для идеального выпрямителя с нагрузкой на противо-ЭДС.

Выбираем силовой трансформатор, удовлетворяющий условиям:

Sн11,644 кВА; U2фн128,854 В; I2фн36,822 А.

Выбираем трансформатор ТС-16.

Его характеристики:

Sн=16 кВА; U1нл=3805% В; U2нл=230-133 В; Р0=213 Вт; Рк=529 В; Uк=4,6% Y/Y0-

Коэффициент трансформации:

Расчетное значение тока первичной обмотки:

А.


1.4.2. Выбор тиристоров.

Среднее значение тока тиристора:

А,

где kзi=2,5 – коэффициент запаса по току;

kох – коэффициент, учитывающий интенсивность охлаждения силового вентиля. При естественном охлаждении kох=0,35;

mтр=3 – число фаз трансформатора.

Максимальная величина обратного напряжения:

В,

где kзн=1,8 – коэффициент запаса по напряжению, учитывающий возможные повышения напряжения питающей сети (включая режим холостого хода) и периодические выбросы Uобр, обусловленные процессом коммутации вентилей;

kUобр=1,065 – коэффициент обратного напряжения, равный соотношению напряжений UBmax/Ud0 для мостовой реверсивной схемы выпрямления;

Ud0напряжение преобразователя при =0:

В

Из справочника [3] выбираем тиристор серии Т151-100.




1.4.3. Выбор индуктивности дросселей.

Под действием неуравновешенного напряжения, минуя цепь нагрузки, может протекать уравнительный ток, который создает потери в вентилях и обмотках трансформатора и может приводить к аварийному отключению установки.

Требуемая величина индуктивности уравнительных дросселей, исходя из ограничения амплитуды переменной составляющей уравнительного тока до величины, не превышающей 10%:

,

где U1п – удвоенное эффективное значение первой гармоники выпрямленного напряжения:

В,

где Uп/Ud0=0.26 – определено по рисунку из [2] для m=6 и =900;

m=6 – число фаз выпрямления.

Гн.

Уравнительные дроссели выберем частично насыщающимися, т.е.

Lуд=0,7Lуд.расч=0,029 Гн.

Выбираем дроссель серии ФРОС-150. Lуд=0,03 Гн.

Рассчитаем индуктивность сглаживающего дросселя:

Гн,

где Uп=U1п/2=72,673 Гн – действующее значение первой гармоники выпрямленного напряжения.

Необходимая величина индуктивности сглаживающего дросселя:

Lсд=Lнеобх-(Lдв+2Lтр+Lуд),

где Lдв – индуктивность якоря и дополнительных полюсов двигателя:

Гн

2Lтриндуктивность двух фаз трансформатора, приведенная к контуру двигателя.

Гн.

Lсд=0,027-(0,010+0,00106+0,03)=-0,014 Гн

Т.к. Lсд0, то сглаживающий дроссель не требуется.


1.4.4. Определение расчетных параметров силовой цепи ТП-Д.

Расчетное сопротивление цепи выпрямленного тока:

,

где k=1+(tн-t)=1+0.004(100-15)=1.34;

=0,004 – температурный коэффициент сопротивления меди;

tн=1000 – рабочая температура двигателя для класса изоляции В;

t=150температура окружающей среды;

Rщсопротивление щеточного контакта:

Ом;

Rп – сопротивление преобразователя:

,

где Rт – активное сопротивление обмоток трансформатора:

Ом;

хт – индуктивное сопротивление обмоток трансформатора:

Ом

Rуд – активное сопротивление уравнительных дросселей:

Ом.

Итак,

Ом

Ом.



Выводы по главе 1.

В главе 1 на основе технических данных и требований электропривода подъемного механизма крана был произведен выбор схемы ЭП. В результате анализа и обзора применяемых систем регулирования показана целесообразность применения системы тиристорный преобразователь – двигатель.

Построение нагрузочных диаграмм производственного механизма и двигателя позволило предварительно выбрать двигатель, а затем проверить его по условиям нагрева и по перегрузке. Выбранный двигатель серии 2П удовлетворяет этим условиям.

Расчет силового преобразователя включил в себя выбор его элементов, а также определение расчетных параметров силовой цепи ТП-Д.


2. РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ.

2.1. Расчет и построение статических характеристик в разомкнутой системе.


Статические характеристики в разомкнутой системе могут быть построены по следующим выражениям:

где Rя.дв – сопротивление якорной цепи двигателя с учетом нагрева:

Ом

Ток возбуждения двигателя: