Электропривод подъемного механизма крана - Технология - Скачать бесплатно
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
инерционность фильтров Тф к некомпенсированным постоянным времени, т.е.
Т(=(п+ Тф=0,01 с. Тогда, если не учитывать внутреннюю обратную связь по ЭДС
двигателя, можно записать передаточную функцию объекта регулирования тока:
[pic],
где kп – коэффициент усиления преобразователя.
Желаемая передаточная функция прямого канала разомкнутого контура при
настройке на технический оптимум:
[pic],
где ат=Тот/Т( - соотношение постоянных времени контура.
Отношение Wраз.п к Wорт есть передаточная функция регулятора тока:
[pic],
где Тит – постоянная интегрирования регулятора тока:
[pic]
Из выражения для Wр.т. видно, что необходим ПИ-регулятор тока.
Коэффициент усиления пропорциональной части:
kут=Тя/Тпт или kут=Rост/Rзт
Постоянная времени ПИ-регулятора:
Тпт=RзтСост
Компенсируемая постоянная времени регулятора:
[pic]
Отсюда,
[pic] Ом,
где Тя=Тэ – электромагнитная постоянная времени.
Коэффициент обратной связи по току:
[pic],
где kш – коэффициент передачи шунта;
kут – коэффициент усиления датчика тока.
[pic]
Шунт выбираем с условием Iшн(Iяmax
[pic] А
Выбираем шунт типа ШС-75. Его параметры: Iшн=100 А Uшн=75 мВ
Коэффициент передачи датчика тока:
[pic]
Примем Rот=Rзт, тогда
[pic] В/А
Коэффициент усиления преобразователя:
[pic]
Постоянная интегрирования ПИ-регулятора:
[pic]
Коэффициент усиления регулятора:
[pic]
[pic] Ом
Стопорный ток:
[pic] А
Номинальное значение задания:
[pic]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
[pic].
Некомпенсированная постоянная времени для контура скорости в ат раз
больше, чем для контура тока:
[pic] с.
Желаемая передаточная функция разомкнутого контура:
[pic],
где ас=Тос/Т(с – соотношение постоянных времени. ас=2 в настроенном на
технический оптимум контуре.
Передаточная функция регулятора скорости (Wраз.с/Wорс):
[pic].
Очевидно, что необходимо применить пропорциональный регулятор скорости
(П-регулятор)
Его коэффициент усиления kус=Wр.с.
В замкнутой системе (с и Мс связаны соотношением:
[pic]
Коэффициент обратной связи по скорости:
[pic] В/с
Коэффициент усиления П-регулятора
[pic].
Максимальная скорость холостого хода:
[pic]
Зададимся Rосс=100 кОм, тогда:
[pic] Ом
Допустим, используется тахогенератор с kтг=0,32 Вс. Тогда при
(0=(0з.max максимальная ЭДС тахогенератора:
[pic] В.
Сопротивление в цепи обратной связи по скорости:
[pic] кОм.
2.3. Расчет и построение статических характеристик в замкнутой системе.
В замкнутой системе при М(119,37 Нм, уравнение статической
характеристики:
[pic]
[pic]
При М=Мстоп=119,37 Нм скорость равна:
[pic] 1/с.
4 Разработка схемы управления электроприводом.
Схема управления электроприводом выполнена на базе операционных
усилителей постоянного тока и включает в себя регулятор тока (АА),
регулятор скорости (AR), датчик интенсивности SJ. Тахогенератор BR с
делителем напряжения R3 и R1 является датчиком скорости. Сигнал задания
формируется в блоке задания. Уровень сигнала задания изменяется
потенциометром RP, а его полярность задается с помощью реле KV1 и KV2
(движение вперед и назад). Реле KF – реле обрыва поля.
При включении автоматических выключателей QF, QF1, QF2 подается
питание на силовую схему и схему управления. Срабатывает реле KF и замыкает
свой главный контакт в схеме управления. При нажатии на кнопку SB1 (Подъем)
происходит срабатывание реле KV1, которое замыкает свои контакты в схеме
управления и в силовой цепи. Происходит подъем груза. При подъеме груза на
максимальную высоту происходит срабатывание SQ2 и двигатель
останавливается. Чтобы осуществить спуск груза, необходимо нажать на кнопку
SB2 (Спуск). В этом случае срабатывает реле KV2,
|
