Электропривод 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).

 

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 М_стоп.

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 cosj 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 Т_п 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 cosj»cosa, 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,

m_гр, m_зп – масса груза и захватного приспособления,

R_б – радиус барабана лебедки,

i_р – передаточное число редуктора,

i_п – передаточное число полиспаста,

h - КПД передачи.

Время цикла:

t_ц=t_под+t_сп+2t_п=t_р+t_п,

где t_под – время подъема,

t_сп – время спуска,

t_п – время паузы,

t_р – время работы.

t_под=t_сп=h/v=12/(25/60)=12/0,417=28,777 с,

где h – высота подъема,

v – скорость подъема.

Продолжительность включения:

ПВ= t_р/t_ц

Значит, t_ц= t_р/ПВ=57,554/0,15=383,693 с

t_п=0,5(t_ц- t_р)=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 k_з=1,3 – коэффициент, учитывающий отличие нагрузочной диаграммы механизма от нагрузочной диаграммы двигателя.

Условия выбора двигателя:

Р_н³Р_экв и w_н»w_расч выбираем, пользуясь [1] двигатель постоянного тока независимого возбуждения 2ПФ160МУХЛ4

Р=7,5 кВт; U=220 В; n=1500 об/мин; n_max=4200 об/мин; КПД=83%; R_я=0.145 Ом; R_доп=0,101 Ом; R_в=53,1 Ом; L_я=4 мГн; J_дв=0,083 кг*м²; класс изоляции – В.

 

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

Суммарный момент инерции:

J_S=1,2J_дв+J_мех=1,2*0,083+0,025=0,1246 кг*м²,

где J_мех – момент инерции механизма.

 кг*м²

Динамический момент:

 Нм,

где М_ном – 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

М_экв=35,53<М_н;

М_max£2.5*М_н=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 S_тр.

Расчетное значение напряжения U_2ф 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 k_u=0,461 – коэффициент, характеризующий отношение напряжений U_2ф/U_d0 в реальном выпрямителе;

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

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

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

U_d=220 В – номинальное напряжение двигателя.

Расчетное значение тока вторичной обмотки:

 А,

где k_I=0,815 – коэффициент схемы, характеризующий отношение токов I_2ф/I_d в идеальной схеме;

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

I_d – значение номинального тока двигателя.

 А

Расчетная типовая мощность силового трансформатора:

 кВА,

где k_s=1,065 – коэффициент схемы, характеризующий отношение мощностей S_тр/U_dI_d для идеального выпрямителя с нагрузкой на противо-ЭДС.

Выбираем силовой трансформатор, удовлетворяющий условиям:

S_н³11,644 кВА; U_2фн³128,854 В; I_2фн³36,822 А.

Выбираем трансформатор ТС-16.

Его характеристики:

S_н=16 кВА; U_1нл=380±5% В; U_2нл=230-133 В; Р₀=213 Вт; Р_к=529 В; U_к=4,6% Y/Y₀-D

Коэффициент трансформации:

Расчетное значение тока первичной  обмотки:

 А.

1.4.2. Выбор тиристоров.

Среднее значение тока тиристора:

 А,

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

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

m_тр=3 – число фаз трансформатора.

Максимальная величина обратного  напряжения:

 В,

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

k_Uобр=1,065 – коэффициент обратного напряжения, равный соотношению напряжений U_Bmax/U_d0 для мостовой реверсивной схемы выпрямления;