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.

1.1. Исходные данные для проектирования.

Электропривод подъемного механизма крана.

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 .

1.2. 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 cosjдля 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

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_н ³Р_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:

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_{2 ф} 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_{2 ф} /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_{2 ф} /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_d I_d для идеального выпрямителя с нагрузкой на противо-ЭДС.

Выбираем силовой трансформатор, удовлетворяющий условиям:

S_н ³11,644 кВА; U_2фн ³128,854 В; I_2фн ³36,822 А.

Выбираем трансформатор ТС-16.

Его характеристики:

S_н =16 кВА; U_1нл =380±5% В; U_{2 нл} =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_{з i} =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_{U обр} =1,065 – коэффициент обратного напряжения, равный соотношению напряжений U_Bmax /U_d0 для мостовой реверсивной схемы выпрямления;

U_d0 – напряжение преобразователя при a=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 U¹ _п – удвоенное эффективное значение первой гармоники выпрямленного напряжения:

В,

где U_п /U_d0 =0.26 – определено по рисунку из [2] для m=6 и a=90⁰ ;

m=6 – число фаз выпрямления.

Гн.

Уравнительные дроссели выберем частично насыщающимися, т.е.

L_уд =0,7L_{уд.расч} =0,029 Гн.

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

Рассчитаем индуктивность сглаживающего дросселя:

Гн,

где U_п =U¹ _п /2=72,673 Гн – действующее значение первой гармоники выпрямленного напряжения.

Необходимая величина индуктивности сглаживающего дросселя:

L_сд =L_необх -(L_дв +2L_тр +L_уд ),

где L_дв – индуктивность якоря и дополнительных полюсов двигателя:

Гн

2L_тр – индуктивность двух фаз трансформатора, приведенная к контуру двигателя.

Гн.

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

Т.к. L_сд <0, то сглаживающий дроссель не требуется.

1.4.4. Определение расчетных параметров силовой цепи ТП-Д.

Расчетное сопротивление цепи выпрямленного тока:

,

где k=1+a(t_н -t_a )=1+0.004(100-15)=1.34;

a=0,004 – температурный коэффициент сопротивления меди;

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

t_a =15⁰ – температура окружающей среды;

R_щ – сопротивление щеточного контакта:

Ом;

R_п – сопротивление преобразователя:

,

где R_т – активное сопротивление обмоток трансформатора:

Ом;

х_т – индуктивное сопротивление обмоток трансформатора:

Ом

R_уд – 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 R_я.дв – сопротивление якорной цепи двигателя с учетом нагрева:

Ом

Ток возбуждения двигателя:

А

Номинальный ток якоря:

А

Статические скорость и момент:

w_с =144,67 1/с;

М_с.под =106,918 Нм;

М_с.сп =68,428 Нм.

Из уравнений для статических характеристик:

В/с

ЭДС преобразователя при w_с и М_с.под :

В.

ЭДС преобразователя при w_с и М_с.сп :

В.

Уравнение статической механической характеристики при Е_{п.необх.под} :

;

.

Уравнение статической механической характеристики при Е_{п.необх.сп} :

;

.

Максимальная ЭДС преобразователя при a=0:

В.

Уравнение статической характеристики при Е_{п. max} :

;

.

Статическая характеристика при Е_п =0:

;

.

Естественная статическая характеристика:

;

.

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

Рассчитаем нагрузочную диаграмму двигателя за цикл при линейном изменении ЭДС преобразователя.

Жесткость статической механической характеристики:

В² с² /Ом

Электромеханическая постоянная времени:

с

Расчетная суммарная индуктивность цепи якоря:

Гн

Электромагнитная постоянная времени:

с

Соотношение постоянных времени:

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.

2.2. 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 t_п и инерционность фильтров Т_ф к некомпенсированным постоянным времени, т.е. Т_m =t_п + Т_ф =0,01 с. Тогда, если не учитывать внутреннюю обратную связь по ЭДС двигателя, можно записать передаточную функцию объекта регулирования тока:

,

где k_п – коэффициент усиления преобразователя.

Желаемая передаточная функция прямого канала разомкнутого контура при настройке на технический оптимум:

,

где а_т =Т_от /Тm - соотношение постоянных времени контура.

Отношение W_раз.п к W_орт есть передаточная функция регулятора тока:

,

где Т_ит – постоянная интегрирования регулятора тока:

Из выражения для W_р.т. видно, что необходим ПИ-регулятор тока.

Коэффициент усиления пропорциональной части:

k_ут =Т_я /Т_пт или k_ут =R_ост /R_зт

Постоянная времени ПИ-регулятора:

Т_пт =R_зт С_ост

Компенсируемая постоянная времени регулятора:

Отсюда,

Ом,

где Т_я =Т_э – электромагнитная постоянная времени.

Коэффициент обратной связи по току:

,

где k_ш – коэффициент передачи шунта;

k_ут – коэффициент усиления датчика тока.

Шунт выбираем с условием I_шн >I_{я max}

А

Выбираем шунт типа ШС-75. Его параметры: I_шн =100 А U_шн =75 мВ

Коэффициент передачи датчика тока:

Примем R_от =R_зт , тогда

В/А

Коэффициент усиления преобразователя:

Постоянная интегрирования ПИ-регулятора:

Коэффициент усиления регулятора:

Ом

Стопорный ток:

А

Номинальное значение задания:

В

2.2.2. Расчет контура скорости.

Рис. 10. Структурная схема контура скорости.

Объект регулирования скорости состоит из замкнутого контура регулирования тока и механического звена электропривода и имеет вид

.

Некомпенсированная постоянная времени для контура скорости в а_т раз больше, чем для контура тока:

с.

Желаемая передаточная функция разомкнутого контура:

,

где а_с =Т_ос /Т_{m с} – соотношение постоянных времени. а_с =2 в настроенном на технический оптимум контуре.

Передаточная функция регулятора скорости (W_раз.с /W_орс ):

.

Очевидно, что необходимо применить пропорциональный регулятор скорости (П-регулятор)

Его коэффициент усиления k_ус =W_р.с.

В замкнутой системе w_с и М_с связаны соотношением:

Коэффициент обратной связи по скорости:

В/с

Коэффициент усиления П-регулятора

.

Максимальная скорость холостого хода:

Зададимся R_осс =100 кОм, тогда:

Ом

Допустим, используется тахогенератор с k_тг =0,32 Вс. Тогда при w₀ =w_{0з .max} максимальная ЭДС тахогенератора:

В.

Сопротивление в цепи обратной связи по скорости:

кОм.

2.3. Расчет и построение статических характеристик в замкнутой системе.

В замкнутой системе при М<119,37 Нм, уравнение статической характеристики:

29-04-2015, 04:19