Электропривод подъемного механизма крана

Электропривод подъемного механизма крана

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).

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.

2 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:

[pic] Нм

[pic] 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

tп=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:

[pic] Нм

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

[pic] 1/с

Номинальная мощность двигателя:

[pic] кВт,

где kз=1,3 – коэффициент, учитывающий отличие нагрузочной диаграммы

механизма от нагрузочной диаграммы двигателя.

Условия выбора двигателя:

Рн(Рэкв 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.

[pic] кг*м2

Динамический момент:

[pic] Нм,

где Мном – номинальный момент двигателя.

[pic] Нм

Угловое ускорение:

[pic] 1/с2

Время работы привода с ускорением:

[pic] с

Высота, на которую поднят груз за время ускорения:

[pic] м

Расстояние, которое проходит груз без ускорения:

[pic] м

Время работы привода без ускорения:

[pic] с

Время цикла с учетом ускорения:

[pic]с

Рис. 3. Нагрузочная диаграмма двигателя.

По нагрузочной диаграмме находим новое значение эквивалентного момента:

[pic][pic]Нм

Мэкв=35,53(Мн;

Мmax(2.5*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:

[pic]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:

[pic] 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.

[pic] А

Расчетная типовая мощность силового трансформатора:

[pic] 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:

Sн(11,644 кВА; U2фн(128,854 В; I2фн(36,822 А.

Выбираем трансформатор ТС-16.

Его характеристики:

Sн=16 кВА; U1нл=380(5% В; U2нл=230-133 В; Р0=213 Вт; Рк=529 В; Uк=4,6%

Y/Y0-(

Коэффициент трансформации:

[pic]

Расчетное значение тока первичной обмотки:

[pic] А.

1.4.2. Выбор тиристоров.

Среднее значение тока тиристора:

[pic] 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:

[pic] 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;

Ud0 – напряжение преобразователя при (=0:

[pic] 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%:

[pic],

где U1п – удвоенное эффективное значение первой гармоники

выпрямленного напряжения:

[pic] В,

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

m=6 – число фаз выпрямления.

[pic] 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:

[pic] 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:

[pic]Гн

2Lтр – индуктивность двух фаз трансформатора, приведенная к контуру

двигателя.

[pic]Гн.

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

Т.к. Lсд(0, то сглаживающий дроссель не требуется.

1.4.4. Определение расчетных параметров силовой цепи ТП-Д.

Расчетное сопротивление цепи выпрямленного тока:

[pic],

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(=150 – температура окружающей среды;

Rщ – сопротивление щеточного контакта:

[pic] Ом;

Rп – сопротивление преобразователя:

[pic],

где Rт – активное сопротивление обмоток трансформатора:

[pic] Ом;

хт – индуктивное сопротивление обмоток трансформатора:

[pic] Ом

Rуд – активное сопротивление уравнительных дросселей:

[pic] Ом.

Итак,

[pic] Ом

[pic] 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:

[pic]

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

[pic] Ом

Ток возбуждения двигателя:

[pic] А

Номинальный ток якоря:

[pic] А

Статические скорость и момент:

(с=144,67 1/с;

Мс.под=106,918 Нм;

Мс.сп=68,428 Нм.

Из уравнений для статических характеристик:

[pic] В/с

ЭДС преобразователя при (с и Мс.под:

[pic] В.

ЭДС преобразователя при (с и Мс.сп:

[pic] В.

Уравнение статической механической характеристики при Еп.необх.под:

[pic];

[pic].

Уравнение статической механической характеристики при Еп.необх.сп:

[pic];

[pic].

Максимальная ЭДС преобразователя при (=0:

[pic] В.

Уравнение статической характеристики при Еп.max:

[pic];

[pic].

Статическая характеристика при Еп=0:

[pic];

[pic].

Естественная статическая характеристика:

[pic];

[pic].

Рис.5. Статические и динамические характеристики в разомкнутой системе.

Рассчитаем нагрузочную диаграмму двигателя за цикл при линейном

изменении ЭДС преобразователя.

Жесткость статической механической характеристики:

[pic] В2с2/Ом

Электромеханическая постоянная времени:

[pic] с

Расчетная суммарная индуктивность цепи якоря:

[pic] Гн

Электромагнитная постоянная времени:

[pic] с

Соотношение постоянных времени:

[pic]

Для построения нагрузочной диаграммы двигателя за цикл при линейном

изменении ЭДС, используем ЭВМ и программу 20-sim. Для моделирования введем

в компьютер схему, представленную на рис. 6. Параметры для моделирования

представлены в приложении 1.

Нагрузочная диаграмма процесса представлена на рис. 7

Рис. 6. Схема для расчета нагрузочной диаграммы двигателя при линейном

изменении ЭДС.

2 Выбор структуры замкнутой системы электропривода, расчет ее параметров.

В соответствии с рекомендациями выберем систему ТП-Д с подчиненным

регулированием координат с настройкой на технический оптимум.

Рис. 8. Принципиальная схема подчиненного регулирования тока и скорости в

системе ТП-Д.

2.2.1. Расчет контура тока

Рис. 9. Структурная схема регулирования тока.

Отнесем время запаздывания тиристорного преобразователя (п и

Страницы: 1, 2