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).

1. ВЫБОР СХЕМЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА И СИЛОВЫХ ЭЛЕМЕНТОВ.

1.1. 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 .

1.2. 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 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 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,

mгр , mзп – масса груза и захватного приспособления,

Rб – радиус барабана лебедки,

iр – передаточное число редуктора,

iп – передаточное число полиспаста,

h - 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:

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:

Рн ³Рэкв и wн »wрасч 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:

JS =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 =35,53<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 U2 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 ku =0,461 – коэффициент, характеризующий отношение напряжений U2 ф /Ud0 в реальном выпрямителе;

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

ka =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 I2 ф /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 /Ud Id для идеального выпрямителя с нагрузкой на противо-ЭДС.

Выбираем силовой трансформатор, удовлетворяющий условиям:

Sн ³11,644 кВА; U2фн ³128,854 В; I2фн ³36,822 А.

Выбираем трансформатор ТС-16.

Его характеристики:

Sн =16 кВА; U1нл =380±5% В; U2 нл =230-133 В; Р0 =213 Вт; Рк =529 В; Uк =4,6% Y/Y0 -D

Коэффициент трансформации:

Расчетное значение тока первичной обмотки:

А.

1.4.2. Выбор тиристоров.

Среднее значение тока тиристора:

А,

где kз i =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;

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

Ud0 – 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 Uп /Ud0 =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.

Lуд =0,7Lуд.расч =0,029 Гн.

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

Рассчитаем индуктивность сглаживающего дросселя:

Гн,

где Uп =U1 п /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

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

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:

,

где k=1+a(tн -ta )=1+0.004(100-15)=1.34;

a=0,004 – температурный коэффициент сопротивления меди;

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

ta =150 – температура окружающей среды;

Rщ – сопротивление 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:

А

Номинальный ток якоря:

А

Статические скорость и момент:

wс =144,67 1/с;

Мс.под =106,918 Нм;

Мс.сп =68,428 Нм.

Из уравнений для статических характеристик:

В/с

ЭДС преобразователя при wс и Мс.под :

В.

ЭДС преобразователя при wс и Мс.сп :

В.

Уравнение статической механической характеристики при Еп.необх.под :

;

.

Уравнение статической механической характеристики при Еп.необх.сп :

;

.

Максимальная ЭДС преобразователя при a=0:

В.

Уравнение статической характеристики при Еп. max :

;

.

Статическая характеристика при Еп =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 tп и инерционность фильтров Тф к некомпенсированным постоянным времени, т.е. Тm =tп + Тф =0,01 с. Тогда, если не учитывать внутреннюю обратную связь по ЭДС двигателя, можно записать передаточную функцию объекта регулирования тока:

,

где kп – коэффициент усиления преобразователя.

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

,

где атот /Тm - соотношение постоянных времени контура.

Отношение Wраз.п к Wорт есть передаточная функция регулятора тока:

,

где Тит – постоянная интегрирования регулятора тока:

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

Коэффициент усиления пропорциональной части:

kутяпт или kут =Rост /Rзт

Постоянная времени ПИ-регулятора:

Тпт =Rзт Сост

Компенсируемая постоянная времени регулятора:

Отсюда,

Ом,

где Тяэ – электромагнитная постоянная времени.

Коэффициент обратной связи по току:

,

где kш – коэффициент передачи шунта;

kут – коэффициент усиления датчика тока.

Шунт выбираем с условием Iшн >Iя max

А

Выбираем шунт типа ШС-75. Его параметры: Iшн =100 А Uшн =75 мВ

Коэффициент передачи датчика тока:

Примем Rот =Rзт , 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 ат раз больше, чем для контура тока:

с.

Желаемая передаточная функция разомкнутого контура:

,

где асосm с – соотношение постоянных времени. ас =2 в настроенном на технический оптимум контуре.

Передаточная функция регулятора скорости (Wраз.с /Wорс ):

.

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

Его коэффициент усиления kус =Wр.с.

В замкнутой системе wс и Мс связаны соотношением:

Коэффициент обратной связи по скорости:

В/с

Коэффициент усиления П-регулятора

.

Максимальная скорость холостого хода:

Зададимся Rосс =100 кОм, тогда:

Ом

Допустим, используется тахогенератор с kтг =0,32 Вс. Тогда при w0 =w .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:

Страницы: 1 2