Электропривод перемещения моста крана с преобразователем частоты

Министерство образования и науки Украины

Донбасская государственная машиностроительная академия

Кафедра ЭСА

КУРСОВАЯ РАБОТА

по курсу

«Комплектный электропривод технологических процессов»

Краматорск 2012 г.

Оглавление

1. Технологическая часть. Назначение крана и описание работы механизма перемещения моста крана

. Расчёт механических нагрузок и построение нагрузочной диаграммы электродвигателя

. Выбор типа электродвигателя

. Расчёт и построение механической характеристики рабочей машины. Проверка выбранного электродвигателя по перегрузочной способности

5. Определение приведенного к валу двигателя момента инерции рабочеймашины

. Рассчитать и построить механическую характеристику электродвигателя. Определить время пуска и торможения электропривода графоаналитическим и графическим методами

. Проверка выбранного электродвигателя по тепловому режиму при работе и при пуске

. Определить активную и реактивную мощности потребляемые из сети двигателеми

. Описание работы принципиальной схемы.

. Выбор аппаратуры управления и зашиты

. Расчет показателей надежности электропривода

Список используемых источников

1. Технологическая часть. Назначение крана и описание работы механизма перемещения моста крана

Электрические подъёмные краны - это устройства служащие для вертикального и горизонтального перемещения грузов. Подвижная металлическая конструкция с расположенной на ней подъемной лебёдкой являются основными элементами подъёмного крана. Механизм подъемной лебёдки приводится в действие электрическим двигателем.

Подъемный кран представляет собой грузоподъемную машину циклического действия, предназначенную для подъема и перемещения груза.

Рис.1 Кран специальный с гибким подвесом траверсы 15(7.5+7.5)-А7-24-9-У3. 1-Электропомещение; 2-Редуктор; 3-Ходовое колесо; 4-Троллеи ; 5-Электродвигатели перемещения моста; 6-Траверса с электромагнитами; 7-Мост крана; 8-Тележка крана; 9-Электротормоз двигателя перемещения.

Мостовой кран (рис.1) представляет собой мост, перемещающейся по крановым путям на ходовых колесах, которые установлены на концевых балках. Пути укладываются на подкрановые балки, опирающиеся на выступы верхней части колонны цеха. Механизм передвижения крана установлен на мосту крана. Управление всеми механизмами происходит из кабины крановщика. Питание электродвигателей осуществляется по цеховым троллеям. Токопровод осуществляется с помощью гибкого кабеля. Привод ходовых колес осуществляется от электродвигателя через редуктор(рис.2).

Мостовой кран предназначен для выгрузки,с помошью электромагнита стальных заготовок из железнодорожных составов и транспортировки их на приемочный стеллаж металлургического конвейера.

Этот кран с одной тележкой,грузоподъемностью 15 т.Режим работы грузоподъемных машин цикличен. Цикл состоит из перемещения груза по заданной траектории и возврата в исходное положение для нового цикла.

Рис.2 Схема кинематическая механизма передвижения моста

- ходовое колесо; 2- редуктор; 3 - тормозной шкив;4- электродвигатель.

Исходными данными проектирования являются параметры механизма перемещения мостового крана. Исходные данные представлены в таблице

. Расчет механических нагрузок и построение нагрузочной диаграммы электродвигателя

Расчет мощности привода механизма передвижения крана вдоль цеха производится по формуле:

где к_р - 1,5 ÷ 2 - коэффициент, учитывающий сопротивление от трения реборд ходовых колес тележки о головки рельсов и сопротивления троллей;

μ_ц =0,15 - коэффициент трения скольжения подшипников;

d_ц=0,13 м - диаметр цапф валов, опирающихся на подшипники;

f =0,8∙10^-3 м - коэффициент трения качения ходового колеса тележки о рельсы,

=2 - скорость перемещения моста ;

D_к =0,71 м - диаметр ходового колеса моста;

 =0,96 - КПД редуктора при номинальной загрузке;

 - сила тяжести, кгс;

М_к = 37500 кг - масса крана;

Мг= 10000 кг - масса груза;

 - ускорение силы тяжести.

Мощность, затрачиваемая на перемещение без нагрузки:

где  - сила тяжести, кгс;

m_к - вес крана, кг.

Рис.2 Нагрузочная диаграмма механизма передвижения моста

3. Выбор типа электродвигателя

Предварительный расчёт мощности электродвигателя в большинстве случаев производится на основе значений мощности статических сопротивлений на отдельных участках движения рабочей машины.

Так как для данного механизма характерен повторно - кратковременный режим работы(рис.2),который ограничивается длительностью времени цикла t_ц и относительной продолжительностью включения т.е.

 или выражается в (%) тогда

 - продолжительность включения,

где t_r - время работы механизма хода моста;

t₀ - время паузы;

t_ц=t_r + t₀ - время цикла работы электродвигателя

Время одного цикла определяется:

;

где Z = 40 - число циклов в час;

Для электроприводов с повторно - кратковременным режимом работы мощность двигателя приближенно рассчитывается по соотношению:

где k_i = 1,3 ÷ 2 - коэффициент, учитывающий динамические нагрузки электропривода;

k_i = 1,5;

Р_э - эквивалентная среднеквадратичная мощность статических сопротивлений электропривода;

ПВ_ф - фактическое значение относительной продолжительности включения рассчитываемого электропривода, %;

ПВ_ст - стандартное значение относительной продолжительности включения, ближайшее к ПВ_ф для электродвигателей выбираемого типа, %.

Среднеквадратичное значение мощности статических сопротивлений для электропривода повторно - кратковременного режима работы рассчитывается только за время работы, без учёта времени пауз:

;

где t_i - продолжительность i - го участка работы;

P_c.i - мощность статических сопротивлений на i - м участке, кВт;

n - число участков времени работы.

Длительность каждого участка времени t определяется по заданным значениям пути передвижения рабочего органа механизма и рабочей скорости , ^м/_с:

;

где k_t =0,7 … 0,9 - коэффициент, учитывающий тот факт, что при пуске и торможении электропривода скорость рабочей машины изменяется в пределах от 0 до ;

k_t = 0,8;

L-длина пролeта;

V-скрость передвижения крана;

.

Среднеквадратичное значение мощности статических сопротивлений для механизма передвижения моста:

Фактическое значение относительной погрешности ε или ПВ% :

а значит стандартное значение относительной продолжительности включения, ближайшее к ПВ_ф для электродвигателей выбираемого типа равно ПВ_ст = 60% .

;

Так как более целесообразно устанавливать, вместо одного общего электродвигателя на механизм передвижения, ставятся электродвигатели с обоих сторон моста, тогда:

Электродвигатель выбирается по каталогу так, чтобы значение его мощности при ПВ_ст было бы равно или немного больше мощности Р_д.

Так как электропривод регулируемый с помощью преобразователя частоты выбирается электродвигатель серии АМТК:

Трёхфазные асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором серии AMTK, с высотой оси вращения 112 - 355 мм предназначены для комплектации приводов башенных, козловых, портальных, мостовых и других кранов. Режим работы перемещения моста повторно-кратковременный S3 с регулированием частоты(согласно закону u/f=const) от 0 до  при =const.При регулировании частотой параметры двигателя изменятся:

;; ;  

ПРЕИМУЩЕСТВА:

экономия электроэнергии благодаря высокому К.П.Д;

полная адаптация к работе в системе "двигатель-преобразователь частоты" обеспечивает высокие параметры регулирования;

повышенный срок эксплуатации, надежность и термическая перегрузочная способность благодаря применению изоляции класса нагревостойкости F (перегрев обмотки двигателя по классу В- 80° C);

сниженные акустические показатели.

ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ (при режиме работы двигателя S3 ,с регулировкой частоты от 5 до 50 Гц в диапазоне 1:10):

Тип двигателя - АМТК200М6FБУ3 ;

Номинальная частота сети: 50Гц;

Номинальная мощность - 24 кВт;

Номинальный ток - 44 А;

Номинальное напряжение - 380 В;

Номинальная частота вращения ротора - 975 об/мин;

Номинальный момент - 216 Н·м;

Момент критический-497 Н·м;

Момент инерции ротора-0.233кгм²;

КПД - 90 %;

cos

2.3 ;   

Масса двигателя-210 кг;

-полюсный АД с КЗ ротором;

Скольжение номинальное-0.056;

Охлаждение и вентиляция:

IC416 - независимая вентиляция от пристроенного вентилятора;

Электромагнитный тормоз:

Установка в двигатель встроенного электромагнитного тормоза по согласованию;

Вибрации:

Допустимые уровни вибрации двигателей установлены в ГОСТ 20815 (DIN EN 60034 - 14). В стандартном исполнении - уровень вибрации N (нормальный);

Перегрузки:

1,5 номинального тока в течение 2 минут В соответствии с ГОСТ 28173 (DIN EN 60034 - 1),

1.6 в течении 15 сек.

Условия эксплуатации:

Высота над уровнем моря не более 1000 м;

Номинальная окружающая температура 40°С;

Защита электродвигателя:

двигатели поставляются со встроенными датчиками температуры типа РТС, также возможна установка датчиками температуры типа РТ100;

Класс нагревостойкости изоляции: F (стандартно). Благодаря специальной конструкции магнитопровода и применению новых типов обмоток статора двигатели обеспечивают надежную работу в широком диапазоне частот вращения при различных экстремальных воздействиях факторов окружающей среды, обеспечивая высокие показатели надежности.

Стандарты:

ГОСТ Р 51689, ГОСТ183, ГОСТ 28173, ГОСТ 28327, в МЭК 60034, МЭК 60072.

Крановые электродвигателя серии AMTK-F выполняются по ТУ 3351-

-72668005-2007.

Рассчет и построение механической характеристики рабочей машины. Проверка выбранного электродвигателя по перегрузочной способности.

Механическая характеристика механизмов в общем случае описывается уравнением:

,Нм;

где М_ТР - момент трогания механизма;

М_СНОМ - номинальный момент сопротивления при номинальной частоте вращения ω_Н;

ω- текущая угловая скорость рабочей машины;

х - показатель степени.

Для нашего случая принимаем х=0, т.е. момент сопротивления постоянный, не зависящий от скорости.

,

Следовательно, момент рабочих машин не зависит от угловой скорости и равен номинальному моменту.

Момент сопротивления создаваемый при движении крана с грузом вычисляем по формуле:

Момент сопротивления создаваемый при движении без груза вычисляем по формуле :

; 

где

к_р - 1,5 ÷ 2 - коэффициент, учитывающий сопротивление от трения реборд ходовых колес тележки о головки рельсов и сопротивления троллей;

к_р = 2;

μ_ц =0,15 - коэффициент трения скольжения подшипников;

d_ц=0,13 м - диаметр цапф валов, опирающихся на подшипники;

f =0,8∙10^-3 м - коэффициент трения качения ходового колеса тележки о рельсы,

=2 - скорость перемещения моста ;

D_к =0,71 м - диаметр ходового колеса моста;

 =0,96 - КПД редуктора при номинальной загрузке;

 - сила тяжести, кгс.

Статическая устойчивость электропривода при снижении напряжения питающей сети проверяется соотношением

,

где напряжение сети с учетом снижения на 10%.

максимальный (критический) момент, развиваемый электродвигателем, Нм;

максимальный статический момент сопротивления на валу электродвигателя, Нм.

Номинальный момент статического сопротивления Мсн, Нм, определяется по формуле

 Нм.

где - номинальная угловая скорость ротора электродвигателя,:

здесь - номинальное скольжение электродвигателя;

- угловая скорость поля статора (синхронная угловая скорость вращения ротора ), ;

 ;

;

Минимальный избыточный момент, необходимый для пуска электродвигателя, принимается равным 0,2М_сн.

Возможность пуска электродвигателя при снижении питающего напряжения на 10% проверяется по условию

Нм;

.57 398.4, следовательно двигатель запустится при снижении  на 10

Пусковой , минимальный , максимальный  моменты электродвигателя определяются как произведение номинального момента электродвигателя на кратность пускового момента , минимального момента , и максимального момента

=216*1.3=281 Нм;

=216*1=216 Нм;

=216*2.4=518 Нм.

5. Определение приведенного к валу двигателя момента инерции рабочей машины

Суммарный момент инерции системы электропривод - рабочая машина приведенный к валу электродвигателя рассчитывается по соотношению:

где  =1,5 - коэффициент, учитывающий моменты инерции муфты, тормозного шкива, редуктора;

J_д - моменты инерции ротора (якоря) электродвигателя, кгм²;

J_пр.р - моменты инерции всех движущихся частей машины и связанной с ним перемещающихся частей заготовки, кгм²;

при движении с грузом:

- при движении без груза:

Суммарный момент инерции системы электропривод - рабочая машина приведенный к валу электродвигателя:

при движении тележки с грузом

при движении тележки без груза

. Рассчитать и построить механическую характеристику электродвигателя. Определить время пуска и торможения электропривода графоаналитическим и графическим методами.

Механическая характеристика электродвигателя М_д (ω) рассчитывается по формуле Клосса:

Критическое скольжение, соответствующее максимальному вращающему моменту электродвигателя

кран электродвигатель мощность механический

где т₁ - коэффициент, равный отношению кратности максимального и кратности пускового моментов:

.

Параметр q может быть определен по соотношению:

=0.35

Механическую характеристику рассчитывают по формуле Клосса, задаваясь значениями s от 0 до 1 с учетом того, что при:

s = 0М_о = 0;= s_нМ_о = М_н;= 0,8 М_о = М_м;= 1М_о = М_п.

Расчет сведен в таблицу

по графическим зависимостям  и  построим кривую избыточного момента . Эта кривая избыточного момента заменяется ступенчатой с участками, для которых  и равен среднему значению .

Для каждого участка, определяется :

,

где - среднее значение избыточного момента на i- м участке.

Полное время разбега , определяется как

,

К расчету времени пуска и торможения электропривода графоаналитическим методом. Таблица

Номер участка

 1

 2

 3

 4

 5

6

Dwi, 1/с

12.1

9.3

14.6

12

 11

12

wi, 1/с

12.1

21.4

 36

 48

 59

71

Мi изб ср

170

170

170

150

110

60

Dti, с

 0.017

 0.013

 0.02

 0.018

 0.023

 0.046

;

При определении времени пуска графическим методом масштаб времени  определяется по формуле

где  - масштабы моментов , угловой скорости и момента инерции.

При расчете  графическим методом получены следующие значения  на участках графика w(t):

;

Из графика так же определяем время торможения привода,

7. Проверка выбранного электродвигателя по тепловому режиму при работе и при пуске

При повторно-кратковременном режиме работы мощность выбранного двигателя по условиям нагревания проверяется по соотношению:

;

где :

 .

где Р_п - фиктивная пусковая мощность, Р_п = Р_н i_п, кВт;_п, t_p -продолжительность пуска электродвигателя и работы, с;_п, I_р - соответственно пусковой и рабочий ток электродвигателя, А.

,

здесь I_н - номинальный ток электродвигателя, А;

.

24 кВт22.6 кВт

При расчете коэффициента тепловой перегрузки учитывается и время пуска, т.е.

, .

 мин, рассчитывается по формуле

,

где m - масса выбранного электродвигателя, кг;

n_н - номинальное превышение температуры обмотки статора электродвигателя. Для класса изоляции А - ; для Е - ; В - ; F - ; Н - .;

=0.43

. Определить активную и реактивную мощности, потребляемые из сети двигателем и

Активная, реактивная и полная мощности, потребляемые электродвигателем из сети, определяются по известным формулам с учетом коэффициента загрузки k_з:

;

Коэффициент полезного действия  рассчитывается по формуле:

==

f_a - коэффициент формы кривой КПД.

;

где η_н - КПД электродвигателя при номинальной мощности, о.е.;_н - номинальное скольжение электродвигателя

Коэффициент мощности  рассчитывается по формуле:

где  - коэффициент формы кривой .

Так как  

Максимальная активная мощность, , кВт,

.

Максимальная полная мощность, , кВА

.

Максимальная реактивная мощность, , кВАр

. =

9 Описание работы принципиальной схемы

Условия включения крана следующие:

включены все автоматические выключатели в схеме(QF7,QF8,QF9,QF11,QF12,QF13,QF14,QF29,QF25,QF26) и предохранительный разъединитель QS2;

командоаппараты типа «джойстик» находятся в нулевом положении;

закрыты все двери и люки(SQ2,SQ3,SQ4,SQ5);

реле контроля фаз KVO и напряжение сигнализирует о допустимом качестве питающей сети;

температура воздуха в электропомещении в норме;

нет срабатывания конечных выключателей и датчиков;

нет срабатывания аварийных кнопок(SB3,SB4);

нет срабатывания тепловых реле(KA2,KA3);

отсутствие ошибок и аварийных ситуаций преобразователя;

блоки питания цепей управления включены(A10,A11);

Система автоматизации крана состоит из системы управления и частотно-регулируемого электропривода. Схема с частотно-регулируемым электроприводом обеспечивает автоматический пуск, регулирование скорости и торможение короткозамкнутых асинхронных электродвигателей, а также их полную электрическую и температурную защиту. Привода оснащены преобразователями частоты фирмы Vacon. Преобразователи защищены по силовому выходу быстродействующими предохранителями. Связь между частотными преобразователями и системой управления реализованной на базе контроллера Siemens осуществляется посредством сети ProfiBus. Контроллер осуществляет логику работы крана. Управление краном осуществляется из кабины при помощи «джойстиков». Сигналы управления преобразователями от «джойстиков» поступают через станцию удалённого ввода-вывода в контроллер. Механизмы перемещения крана подразделяются на механизм перемещения моста, механизм перемещения телеги, механизм подъёма Механизм перемещения моста состоит из преобразователя частоты и двух двигателей перемещения моста.

В преобразователь установлены платы:

OPT-A1 - стандартная плата входов/выходов,

OPT-A3 - плата с двумя релейными выходами и термисторным входом,

коммуникационная плата ОРТ-С3 позволяющая обеспечить связь по сети ProfiBus с контроллером фирмы Siemens, осуществляющим логику работы механизма перемещения моста.

В контроллере анализируются сигналы поступающие от ПЧ моста на цифровые входа:

сигналы управления с «джойстика» вправо/влево;

сигналы от конечных выключателей: аварийный останов и снижение скорости;

состояние тепловых реле двигателей моста(KA2,KA3);

состояние предохранителей ПЧ механизма моста(QS2);

состояние автоматов питания тормозов мостовых двигателей QF25;

состояние автоматов питания вентиляторов двигателей моста QF26.

Алгоритм работы механизма перемещения моста следующий. При переводе «джойстика» из ненулевого положения на привод поступает сигнал который программа контроллера анализирует и выдает команду преобразователю на старт/стоп и переключение скоростей. Одновременно с этим в преобразователе запускается функция работы тормоза, которая через релейный выход преобразователя растормаживает KM4 механический тормоз и включает вентилятор охлаждения двигателей. После отпускания тормоза привод плавно начинает разгон за заданное время по S-рампе и выходит на заданную линейную скорость. После установки «джойстика» в нулевое положение преобразователь начинает осуществлять «электрическое» торможение с заданным временем по S-рампе. Мощность торможения рассеивается в тормозном резисторе. При этом торможение происходит плавно без ударных нагрузок на механизмы крана. По окончании торможения при достижении нулевой скорости привод снимает питание с тормоза. Механические тормоза Y2,Y3 в нормальном режиме работы крана служат только для удержания, но не для торможения. При этом износ колодок практически отсутствует.

При срабатывании датчика снижения скорости программа автоматически снижает скорость до первой, при этом имеется возможность перемещения в обратную сторону на максимальной скорости.

При наезде на конечный выключатель SQ8,SQ9 или при срабатывании датчика аварийного останова программа контроллера запрещает дальнейшее движение в прежнем направлении. При этом происходит наложение тормозов на механизмы и резкий останов. Вследствие чего происходит износ тормозных колодок, а ударные нагрузки на механизмы крана приводят к уменьшению срока их службы. Следует учесть, что наезд на аварийный конечный выключатель рассматривается как аварийная ситуация. Поэтому запрещается использовать аварийные конечные выключатели как средство автоматической остановки в крайних положениях. Имеется возможность перемещения на максимальной скорости в обратную сторону.

Поскольку к преобразователю подключены несколько двигателей, то для их индивидуальной защиты установлены тепловые реле KA2,KA3. Контакты состояния тепловых реле заведены в контроллер. При срабатывании одного из них контроллер рассматривает ситуацию как аварийную и включается запрет на работу привода, при этом мгновенно накладываются тормоза.

Преобразователь контролирует физическую температуру электродвигателей посредством РТС резисторов, встроенных в их обмотки. При превышении рабочей температуры двигателя, а также при обрыве проводов датчика температуры привод мгновенно тормозится и выдает сообщение об ошибке.

Привод имеет тормозной резистор Rbr2 для гарантированного останова за заданное время. Мощность торможения рассеивается в резисторе. В тормозном резисторе имеется биметаллический датчик температуры RK2. При перегреве резистора датчик температуры размыкается, привод мгновенно останавливается и выдаётся сообщение об ошибке. Работа привода моста становится возможной после остывания резистора. Перегрев возможен либо по причине неверной пусконаладки привода, либо по причине несоответствия параметров окружающей среды условиям эксплуатации резистора.

Для предотвращения столкновения моста об ограничительные буфера в конце подкрановых путей или о соседний кран, установлено два лазерных датчика расстояния типа SICK DS60-P11121 и два механических концевых выключателя типа КУ-701.

Датчики SQ8 и SQ9 (механического типа), размыкаются при наезде на ограничительную лыжу. Лазерный датчик расстояния способен детектировать расстояние до 20 м и использует специальный отражатель. Лазерный датчик имеет два дискретных выхода, настраиваемых на два диапазона в пределах 20 м - один настроен на снижение скорости, второй - дублирует механический аварийный концевой. Для корректной работы лазерных датчиков необходимо периодически проверять состояние переднего светофильтра датчика и отражателя на запыленность, при необходимости протереть чистой салфеткой. Погрешность измерения лазерного датчика ±25 мм.

В лазерном датчике используется маломощный инфракрасный лазер 1-ого класса, поэтому дополнительных средств защиты не требуется, но длительное воздействие на сетчатку глаза может привести к её травме.

. Выбор аппаратуры управления и защиты

Автомат QF7 выбираем серии ВА 47-29 с Iн=10А так как он питает сеть с одиночным потребителем TV2(P=1кВт;Iн=8А);

Автомат QF8,QF9 выбираем серии ВА 47-29 с Iн=2А так как он питает цепи управления с током в цепи ;

Автомат QF11 выбираем серии ВА 47-29 с Iн=16А так как он питает одиночный потребитель катушку контактора KM1 с номинальным током равным 14А;

Автомат QF12 выбираем серии ВА 47-29 с Iн=10А так как он питает сеть с одиночным потребителем TV3(P=1кВт;Iн=8А);

Автомат QF13 выбираем серии ВА 47-29 с Iн=16А так как он питает сеть с одиночным потребителем TV2(P=1.6кВт;Iн=14А);

Предохранители FU7,FU8,FU9 выбираем с тепловой уставкой расчитанной на Iн=160А так как через предохранительный разъединитель QS2 получает питание преобразователь частоты A1 с номинальным током Iн=140А;

Автомат QF25 выбираем серии ВА 47-29 с Iн=2А ,так как он питает 2 электродвигателя гидротолкателей тормоза Y2,Y3 механизма передвижения моста включенных параллельно с общим суммарным током 1A;

Автомат QF25 выбираем серии ВА 47-29 с Iн=2А ,так как он питает 2 электродвигателя вентилятора охлаждения E2,E3,включенных параллельно с суммарным номинальным током 1.3А;

Главный линейный контактор KM1 выбираем серии PMU55044 с номинальным током Iн=550А так как он осуществляет коммутацию в силовой цепи ЭМК.

Основными показателями надежности являются: вероятность безотказной работы на определенное время работы, интенсивность отказов, коэффициент готовности. Рассчитаем интенсивность отказов и коэффициента готовности в цепи питания электродвигателей механизма перемещения моста.

Вероятность безотказной работы на t часов наработки определяется по формуле:

где - интенсивность потока отказов схемы;- время работы(10 000 ч).

здесь - интенсивность потока отказа i -го элемента схемы;- число элементов схемы.