Модернизация электропривода привода поворота крана
Содержание
Введение
. Технические данные привода поворота крана
. Расчет электрического привода поворота крана КПП-16
.1 Выбор типа электропривода
.2 Расчет механических и электромеханических характеристик
.3 Расчет механических нагрузок, приведенных к валу двигателя
.4 Расчет пусковых характеристик и построение механической характеристики при переключении скоростей при грузоподъёмности 16 тонн
. Модернизация электропривода
.1 Расчет пусковых характеристик и построение механической характеристики при переключении скоростей при грузоподъёмности 30т.
.2 Расчёт переходных характеристик при грузоподъёмности 30т
. Проверка двигателя на нагрев
Выводы
Список литературы
Введение
Целью курсового проекта является закрепление и углубление знаний полученных в процессе изучения дисциплины "Теория электропривода". А также приобретение практических навыков в работе с нормативными документами при расчете статических и динамических режимов работы электропривода для рационального выбора электрических аппаратов.
В курсовом проекте нужно провести модернизацию КПП, нужно изменить ящик сопротивлений для увеличения грузоподъемности с 16 до 30 тонн, обеспечив более плавный пуск. Также в курсовом проекте описан технологический процесс портального крана КПП-16 (20/30). Кран Кировец грузоподъемностью (г/п) 16 т в грейферном и 20 т в крюковом режимах соответственно был спроектирован и построен на заводе "ПТО им. Кирова" в Ленинграде в 1983 году. Наряду с кранами Сокол, Альбатрос, и Кондор грузоподъемные машины данного типа широко эксплуатируются в российских портах. Выполнен анализ существующей системы электропривода механизма поворота. Пуск и регулирование частоты вращения всех установленных электродвигателей с фазным ротором осуществляется с помощью резисторов в роторной цепи. Разгон двигателей происходит в функции времени посредством электромагнитных реле времени. На механизм поворота установлен открытый колодочный тормоз с тросовым приводом, который управляется педалью, установленной в кабине крановщика. Произведён выбор элементов электропривода, расчёт его характеристик. В данной работе объектом управления является портальный кран, рис.1.Особенностью этого механизма является его постоянная работа в переходных режимах, ввиду чего особенно важным является обеспечение необходимых благоприятных динамических характеристик. Рассмотрению подлежит электропривод поворота крана, на функционирование которого существенное влияние оказывают различные значения груза, приводящие к изменению момента инерции, статических и динамических нагрузок на валу двигателя. В приводе механизма поворота крана используется асинхронный двигатель с фазным ротором. Механизм поворота крана, рисунок 1, служит для перемещения подвешенного на крюк груза или грейфера в горизонтальном направлении. Груз, подвешенный на крюк или расположенный в грейфере, перемещается со скоростью примерно 1,1 об/мин.
1. Технические данные привода поворота крана
Рис. 1. Кран портальный КПП-16. Общий вид: 1- портал; 2- опорно-поворотное устройство; 3- кабина управления; 4- стрела; 5- оттяжка; 6- хобот; 7- крюковая подвеска; 8- грейфер; 9- противовес; 10- каркас; 11- машинная кабина; 12- платформа; 13- кабельный барабан; 14- механизм передвижения.
В данном курсовом проекте требуется произвести расчет и анализ электропривода поворота КПП-16. По функциональным возможностям - это перемещающийся и полноповоротный кран. Общий вид крана представлен на рисунке 1.
Технические данные крана КПП-16.
Масса груза - 16 т.
Масса груза при модернизации (т) - 30 т.
Масса подвески - 1,1 т.
Масса стрелы - 49 т.
Масса поворотной части - 180 т.
Масса крана - 240 т.
Скорость подъема (номин.) - 0,92 (м/с)
Скорость подъема (миним.) - 0,3 (м/с)
Скорость опускания (миним.) - 0,07 (м/с)
Скорость поворота - 1,1 (об/мин)
Скорость изменения вылета стрелы - 50(м/мин)
Скорость передвижения крана - 0,55 (м/с)
Диаметр барабана механизма подъема - 1100 (мм)
Передаточное число (i) подъема редуктора - 37,2
Передаточное число (i) поворота редуктора - 29,5
Передаточное число (i)поворота открытой передачи - 17,6
Передаточное число (i) вылета стрелы - 48,7
Передаточное число (i) передвижения редуктора - 29,5
Передаточное число (i) открытой передачи - 1,71
Диаметр колеса передвижения - 550 (мм)
Вылет стрелы - 40 м
Рис.2. Электропривод поворота крана портальный КПП-16: 1-механизм вращения; 2- кольцевой токоприемник; 3- блоки электрооборудования; 4- грейферная лебедка с независимыми барабанами; 5- пульт управления.
2. Расчет электрического привода поворота крана КПП-16
.1 Выбор типа электропривода
Основными факторами, определяющими род тока, тип и конструктивное исполнение двигателя, являются:
· показатели регулирования скорости (диапазон, плавность, стабильность скорости и т. д.);
· режим работы производственного механизма;
· производительность и надежность установки;
· основные затраты и эксплуатационные расходы на электрооборудование.
В данной работе расчет электропривода производится с асинхронным двигателем с фазным ротором, без учета технико-экономических
показателей, на основании технического задания.
Для данного механизма по техническому заданию предложено в качестве приводного двигателя выбрать двигатель типа 4МТН 280М-10 У 1.
Поворот крана данным электродвигателем с фазным ротором через червячный редуктор с передаточным числом i=29,5 и открытую зубчатую передачу с передаточным числом i=17,6.
Номинальные параметры электродвигателя механизма поворота:
Номинальная мощность Р2=60 кВт.
Частота вращения ротора n2=570 об/мин
Максимальный момент на валу Ммакс = 2670 Н*м
Номинальный момент на валу Мном = 1005 Н*м
Номинальное напряжение статорной обмотки U1 = 380B
Номинальный ток статорной обмотки I1=143 A
Номинальный коэффициент мощности cosцH =0.76
Коэффициент полезного действия зн=90.3 %
Ток статорной обмотки на холостом ходу I0=70,6 A
Коэффициент мощности на холостом ходу cosц0 =0.06
Напряжение роторной обмотки U2 = 239В
Ток роторной обмотки I2=135 A
Активное сопротивление статора r1=0,062Ом
Индуктивное сопротивление статора x1=0,15 Ом
Активное сопротивление ротора r2=0,028 Ом
Коэффициент приведения ротора к статору k =2,1
Коэффициент магнитного рассеивания у = 1,06
Маховый момент ротора G=21 кг*мІ
.2 Расчет механических и электромеханических характеристик
двигатель электропривод нагрузка грузоподъемность
4MTH280М-10У 1
n = 570 об/мин; Р = 60 кВт; Iстатора=143 А; cosц = 0,76; з = 90,3 %;
Mмах= 21 ;
Mmax= 2670 Hм; Mном= 1005 Нм; Mп= 2136 Нм;
1.Расчет номинального и критического скольжения:
2.Формула расчет значений моментов для скольжений от 0 до Sкр:
.Формула для расчета моментов от Sкр до 1:
4.Расчет тока холостого хода двигателя I0 и токов статора по формулам:
Рассчитанные данные:
Таблица 1. Рассчитанные данные для естественной характеристике.
sM (Н*м)I (А)n (об/мин)0070,66000,01208,357175,003925940,02414,816786,81935880,03617,5386103,37245820,04814,7931122,53415760,051005,008143,00045700,061186,807164,00935640,071359,035185,09935580,081520,773205,97645520,091671,344226,44435460,11810,306246,36815400,111937,437265,65455340,122052,715284,23955280,132156,293302,08175220,142248,472319,15685160,152329,674335,45395100,162400,411350,97315040,172461,265365,72294980,182512,863379,71864920,192555,856392,98044860,22590,906405,53264800,212618,668417,40224740,222639,784428,61794680,232654,871439,20984620,242664,516449,20834560,252669,274458,6444500,262669,663467,5474440,272642,065473,83864380,282629,585481,22624320,292617,218488,43384260,32604,967495,47064200,312592,833502,34484140,322580,817509,06444080,332568,922515,63664020,342557,15522,06823960,352545,501528,36563900,362533,977534,53473840,372522,581540,58133780,382511,314546,51063720,392500,177552,32763660,42489,173558,03723600,412478,303563,6443540,422467,569569,1522348П 0,432456,973574,56593420,442446,517579,88923360,452436,202585,12583300,462426,03590,27943240,472416,003595,35333180,482406,123600,35113120,492396,391605,27593060,52386,81610,13083000,512377,381614,91882940,522368,106619,64292880,532358,987624,3062820,542350,026628,91062760,552341,224633,45962700,562332,584637,95552640,572324,107642,40072580,582315,795646,79792520,592307,649651,14932460,62299,672655,45732400,612291,865659,72422340,622284,23663,95222280,632276,768668,14352220,642269,483672,30022160,652262,374676,42432100,662255,444680,51812040,672248,694684,58331980,682242,127688,62211920,692235,743692,63631860,72229,544696,62771800,712223,532700,59841740,722217,709704,551680,732212,075708,48441620,742206,633712,40331560,752201,383716,30841500,762196,327720,20141440,772191,467724,0841380,782186,803727,95771320,792182,338731,82421260,82178,071735,68511200,812174,005739,54181140,822170,14743,39581080,832166,478747,24871020,842163,02751,1018960,852159,766754,9566900,862156,717758,8145840,872153,875762,6768780,882151,24766,5448720,892148,813770,4198660,92146,595774,3031600,912144,586778,1959540,922142,787782,0995480,932141,198786,0149420,942139,82789,9433360,952138,654793,8858300,962137,699797,8436240,972136,956801,8176180,982136,425805,8088120,992136,106809,8183612136813,8470
Управление направлением и скоростью вращения двигателя осуществляется с помощью контакторов и реле.
Сопротивление добавочных резисторов ротора по ступеням:
Р 1-Р 4 (Р 2-Р 5), (Р 3-Р 6) - 0,15 Ом;
Р 4-Р 7 (Р 5-Р 8), (Р 6-Р 9) - 0,20 Ом;
Р 7-Р 10 (Р 8-Р 11), (Р 9-Р 12) - 0,4 Ом;
Р 10-Р 13 (Р 11-Р 14), (Р 12-Р 15) - 1,2 Ом.
Таблица 2. Рассчитанные данные для электромеханических характеристик при различных сопротивлениях в цепи ротора
n (об/мин)1 ст. M(Н*м)2ст. M(Н*м)3 ст. М(Н*м)4 ст. М(Н*м)6000000582170140906054048039020015050479865032021048095078039028044412101004500350402155013006404403601880154077051031821981800902604282249620501000702240260423001120790198255025501260880162260024901398950120254024101504105078246023801650111042241023001780120002380225019001300
Рис. 3. Механические характеристики
Для расчета электромеханических характеристик асинхронного двигателя необходимо воспользоваться его математической моделью, которая в общем случае представляется различными схемами замещения. Наиболее простой и удобной для инженерных расчетов асинхронного двигателя является Т-образная схема замещения, рис. 4.
Рис. 4. Т-образная схема замещения АД
Основные уравнения асинхронного двигателя, соответствующие
принятой схеме замещения:
Векторная диаграмма токов, ЭДС и напряжений асинхронного двигателя, удовлетворяющая системе уравнений изображена на рис. 4.1.
Рис 4.1 Векторная диаграмма
Активное сопротивление ротора, приведенное к обмотке статора:
Ом
Индуктивное сопротивление рассеяния обмотки ротора, приведенное к обмотке статора:
Ом
Индуктивное сопротивление короткого замыкания:
Ом
Синхронная частота вращения n0для промышленной частоты сети 50 Гц равна n0=600 об/мин.
Добавочные сопротивления, вводимые в роторную цепь, возьмем в следующих соотношениях: 1с - 1,2 Ом, 2с-0,4 Ом, 3с -0,2 Ом, 4с -0,15 Ом. Приведенные активные сопротивления ротора рассчитываются по формуле
Для расчета электромеханических характеристик нам нужно произвести расчет следующим формулам.
Найдем эквивалентное активное сопротивление схемы замещения в зависимости от скольжения для каждой ступени сопротивления по формуле
Затем полное эквивалентное сопротивление от скольжения
,
где xкз - вышеуказанный параметр, не зависящий от скольжения.
Вычислим cosц для приведенной схемы
Вычислим приведенные активные и реактивные токи ротора
2
где
Вычислим активную и реактивную составляющую тока холостого хода
=70,6*0.06=4.236 A
=70,6*0.9964=70.47 A
Эти токи не зависят от величины скольжения и одинаковы на всех ступенях сопротивления.
Вычислим активную и реактивную составляющую тока статора.
Тогда ток статора рассчитаем по формуле
Рис.5. Расчеты для построения электромеханических характеристик в среде MathCad.
Рис.5.1. Расчеты для построения электромеханических характеристик в среде MathCad.
Электромеханические характеристики, рассчитанные и построенные в математической среде MathCAD трассировкой переводим в систему Excel.
Таблица 3. Рассчитанные данные электромеханических характеристик при различных сопротивлениях в цепи ротора.
nЕст. I(А)4 ст. I(А)3 ст. I(А)2 ст. I(А)1 ст. I(А)60070,670,670,670,670,6580221978977,9572570308,45121106847356137514512593,5745504441741481037654049720117011579530,4539226191,412782510,66042762331508850063030125416391490651323274,3317494480670347,629518898469,8685,21369,13314200,68102450,6708407349,52224109415737466406266124399746491430283131370,8759528468315143340770563504347158300780600544383175260787629578418194210793659612458216200794,68665618465220180796,5867463047922916079868264049223714080069064950524610080270466752826349,880571968555528430805724691564292108067286975743000807730,94700578304
Рис. 6. Искусственные электромеханические характеристики при грузоподъемности 16 т.
.3 Расчет механических нагрузок, приведенных к валу двигателя
Грузоподъемность 16 т
В случае если груз перемещается только в горизонтальном направлении
. Рассчитываем статическую нагрузку по формуле
(1.1)
вылет стрелы; -частота вращения крана; -масса груза; G- масса перемещаемых частей крана; - к.п.д. механизма с блоками.
кВт
кВт
2. Рассчитываем момент нагрузки по формуле
Н*м
Грузоподъемность 30 т
. Рассчитываем статическую нагрузку по формуле
2. Рассчитываем момент нагрузки по формуле
Н*м
.4 Расчет пусковых характеристик и построение механической характеристики при переключении скоростей при грузоподъёмности 16 тонн
Так как для асинхронных двигателей с фазным ротором пуск, реверс, торможение, регулирование скорости необходимо осуществлять
при наложенных на ток и момент ограничениях, то, как следует из анализа механических и электромеханических характеристик разгон двигателя до естественной характеристики следует производить через промежуточные пусковые характеристики.
Момент переключения рассчитаем по формуле
Мпер=(1,1-1,2)Мном
Мпер=1,2 * 1005=1206 Н*м.
Предельный пусковой момент рассчитаем по формуле
Мпред=(0,8-0,85)Мmax
Мпред=0,8 * 2670=2136 Н*м.
Результаты расчета и построения пусковых характеристик представлены на графике. Ниже на рисунке показана диаграмма переключения пусковых сопротивлений и их влияние на механические характеристики.
Рис.7. Диаграмма переключения пусковых сопротивлений при грузоподъёмности 16 т. и их влияние на механические характеристики.
Рис.8. Диаграмма переключения пусковых сопротивлений при грузоподъёмности 16 т. и их влияние на электромеханические характеристики.
3. Модернизация электропривода
Для более плавного разгона электропривода при увеличенной грузоподъёмности до 30 т, подберем другие сопротивления добавочных резисторов ротора по ступеням:
Р 1-Р 4 (Р 2-Р 5), (Р 3-Р 6) - 0,059 Ом;
Р 4-Р 7 (Р 5-Р 8), (Р 6-Р 9) - 0,116 Ом;
Р 7-Р 10 (Р 8-Р 11), (Р 9-Р 12) - 0,278 Ом;
Р 10-Р 13 (Р 11-Р 14), (Р 12-Р 15) - 0,38864 Ом.
Рис.9. Искусственные механические характеристики при грузоподъёмности 30 т.
Для построения электромеханических характеристик, найдем эквивалентное активное сопротивление схемы замещения в зависимости от скольжения для каждой ступени сопротивления по формуле
Затем полное эквивалентное сопротивление от скольжения
,
где xкз - вышеуказанный параметр, не зависящий от скольжения.
Вычислим cosц для приведенной схемы
Вычислим приведенные активные и реактивные токи ротора
2
где
Вычислим активную и реактивную составляющую тока холостого хода
=70,6*0.06=4.236 A
=70,6*0.9964=70.47 A
Эти токи не зависят от величины скольжения и одинаковы на всех ступенях сопротивления.
Вычислим активную и реактивную составляющую тока статора.
Тогда ток статора рассчитаем по формуле
Рис.10. Расчеты для построения электромеханической характеристики в среде MathCad для 30 тонн.
Рис.10.1. Расчеты для построения электромеханических характеристик в среде MathCad для 30 тонн.
Электромеханические характеристики, рассчитанные и построенные в математической среде MathCAD трассировкой переводим в систему Excel.
Таблица 4. Рассчитанные данные электромеханических характеристик при различных сопротивлениях в цепи ротора при грузоподъёмности 30т.
n (об/мин)Ест. I(А)4 ст. I(А)3 ст. I(А)2 ст. I(А)1 ст. I(А)60070,670,670,670,670,659012991817473580216133104827857030817813494865603832261661089555044327119712310554049731422914111853054135126215712852057638828817314251060442231919015350063045134620816649065047937122317846069754843627021644071858447530224040074563653935728837076066657739432134077068960742935330078071264147039127078572566149841824078973767852244220079474969755247216079875871157749913080076472159551910080276972960953670804773737623551308057787456395710807781750651584
Рис.11. Искусственные механические характеристики при грузоподъёмности 30 т.
.1 Расчет пусковых характеристик и построение механической характеристики при переключении скоростей при грузоподъёмности 30т.
Момент переключения возьмём равным Мпер=1206 Н*м.
Предельный пусковой момент Мпред =2136 Н*м
Результаты расчета и построения пусковых характеристик представлены на графике. Ниже на рисунке показана диаграмма переключения пусковых сопротивлений и их влияние на механические характеристики.
Рис.12. Диаграмма переключения пусковых сопротивлений при грузоподъёмности 30 т. и их влияние на механические характеристики.
Рис.13. Диаграмма переключения пусковых сопротивлений при грузоподъёмности 30т. и их влияние на электромеханические характеристики.
3.2 Расчёт переходных характеристик при грузоподъёмности 30т
Формула для расчета Дt:
где
кг/
Рассчитаем переходной процесс графоаналитическим способом. Сущность этого метода заключается в замене бесконечно малых приращений скорости dn и времени dt в уравнении движения электропривода малыми конечными приращениями - ∆n и ∆t.
По графикам механической и электромеханической характеристики определим значения токов и моментов, соответствующие конечной угловой скорости ni каждого участка.
Построим график динамического момента как M(n)-Mc1
Рис.14. График динамического момента, определение ∆ Мдин и ∆ n при грузоподъёмности 30т.
Кривую динамического момента заменим ступенчатой с участками
определим время переходного процесса, которое требуется для достижения скорости
ni = nначi+ ∆ni
на каждом участке
Полученные на отдельных участках элементарные промежутки времени суммируются для определения полного времени переходного процесса:
Таблица 5. Расчетные данные переходного процесса при грузоподъёмности 30т.
delta n(об/мин)Mdin (Н*м)delta t(с)t (с)n(об/мин)M(Н*м)I (А)6360,1099483,102018564118631562090,0189382,99207558135938463700,0106982,973132552152044365210,0075972,962434546167144566600,0059972,9548375401810497237870,0192792,948845341937541098602,9295651121366043560,035342,929565111206422123700,0213952,894224981520450135210,016462,872825486167149086600,0079962,856364473181052087870,0067062,8483684651937540098602,841662448213645825560,2945032,8416624501206460252090,078912,547164251359490253700,0445732,468254001520540255210,0316552,4236773751671590256600,0249882,3920223501810590257870,0209562,3670343251937618159020,010972,3460783002052650098602,335108285213658053360,9712042,3351082851186495522090,1641321,3639032321359530523700,0927131,1997711801520561375210,0468491,107059127,51671591063001,06020990178061010800,0232451,039876901550520401500,0456540,998745801300540402300,0343450,963435401350560
Графики переходных процессов скорости n=f(t), момента M=f(t) и тока статора I1=f(t) построенные по точкам:
Рис.15.График переходного процесса скорости электропривода при грузоподъёмности 30т.
Рис.17.График переходного процесса тока электропривода при грузоподъёмности 30т.
4. Проверка двигателя на нагрев
Циклограмма работы крана.
1.Подъем груза на максимальную высоту с грузом (t1= 40с).
2.Подъем стрелы до минимального вылета (t1-t2= 30c).
.Поворот башни 1800 с грузом (t2-t3= 27c).
.Опускание груза на берег (t3-t4= 40c).
.Расстраповка (t4-t5 = 40c).
.Подъем пустого гака (t5-t6 = 40c).
.Поворот башни 1800 (t6-t7= 27c) .
.Опускание стрелы - максимальный вылет (t7-t8= 30c).
.Опускание пустого гака (t8-t9= 30c).
.Страповка груза (t9-t10= 40c).
Рисунок 16. Нагрузочная диаграмма
Проверка двигателя на нагрев
Средние потери двигателя за цикл нагрузочной диаграммы:
Где ДPi потери на i-ом участке нагрузочной диаграммы
Вт
Вт
Pi - мощность развиваема двигателем на i-ом участке
Вт
Вт
зi - КПД на i-ом участке нагрузочной диаграммы
Где bi расчетная величина на i-ом участке:
Где Xi степень загрузки двигателя на i-ом участке:
Где Q коэффициент соотношения постоянных и переменных потерь в номинальном режиме Q = 1
Определяем номинальные потери двигателя:
Двигатель не будет перегреваться по данной выше нагрузочной диаграмме, если: ДPн ≥ ДРср
Из расчетов получили: ДPн = 6666,66 Вт; ДРср = 998,14 Вт;
Следовательно неравенство выполняется
Двигатель не будет перегреваться по данной нагрузочной диаграмме.
Проверка двигателя на перегрузочную способность
л=Мmax/Мн = 1150/1005 = 1,144
где Mmax - наибольший момент, определенный из нагрузочной диаграммы электропривода.
Мном - номинальный момент двигателя.
kmax = Mmax/Mн = 2670/1005 = 2,6567
где kmax - перегрузочная способность двигателя.
Двигатель не будет перегружен, если 0.7*kmax ≥ л
.8597 ≥ 1.144
Соотношение верно.
Следовательно, наибольшие кратковременно действующие значения моментов меньше максимально допустимого для данного двигателя момента.
Выводы
При модернизации были улучшены пусковые характеристики, пуск стал более плавным и без рывков с постоянством пускового момента и небольшими токами, возможность повысить грузоподъёмность крана до 30 тонн в номинальном режиме двигателя. Реле времени шунтирующие пусковые сопротивления, при грузоподъемности в 30 т. нужно настроить на время срабатывания 1,06с; 2,3351с; 2,8416с; 2,92с; общее время переходного процесса длится 3,10 с.
Список литературы
. Качин С.И., Чернышев О.С. "Автоматизированный электропривод: учебно-методическое пособие" - Национальный исследовательский Томский политехнический университет, 2014 - 162 с.
. Рабинович А.А. "Крановое электрооборудование", Москва "Энергия" 2009. - 239 с.