Проектирование системы электроснабжения мостового крана

СОДЕРЖАНИЕ Введение

1. Краткая характеристика предприятия

1.1 История предприятия

1.2 Технология производства

1.3 Электроснабжение предприятия

2. Характеристика объекта проектирования

2.1 Электрооборудование мостовых кранов

2.2 Обоснование выбора мостового крана

2.3 Режимы управления двигателем электропривода крана Konecranes

2.4 Средства автоматизации, используемые на рассматриваемом объекте

2.5 Описание схемы управления

3. Разработка системы поддержания температурного режима в шкафах с электрооборудованием

3.1 Постановка задачи проектирования

3.2 Система охлаждения с применением моноблочного кондиционера Classic, монтируемого в стойке

3.3 Расчёт мощности охлаждения моноблочного кондиционера Classic

3.4 Система охлаждения с применением крышных кондиционеров «Веза»

3.4.1 Общие сведения о крышных кондиционерах

3.4.2 Система автоматического управления (САУ) кондиционера

3.4.3 Элементы САУ

3.5 Расчёт мощности охлаждения крышных вентиляторов для каждого шкафа

3.6 Выбор системы охлаждения для рассматриваемого объекта

4. Электроснабжение мостового крана

4.1 Общие положения

4.2 Определение мощности, выбор типа участкового понизительного трансформатора

4.3 Расчёт токов короткого замыкания

4.4 Расчёт кабельной линии и троллей

4.4.1 Выбор высоковольтного кабеля

4.4.2 Выбор низковольтных кабелей

4.4.3 Выбор троллей

4.5 Выбор электрических аппаратов низкого напряжения

4.6 Выбор высоковольтной ячейки и уставок защиты

4.7 Расчёт освещения цеха

5. Техника безопасности при монтаже и эксплуатации электрооборудования мостовых кранов

6. Монтаж и наладка электрооборудования мостовых кранов

6.1 Монтаж и наладка инверторов D2HCS57Arus

6.2 Монтаж аппаратуры управления и электрической проводки

7. Техническое обслуживание и ремонт оборудования мостового крана

8. Расчёт экономического эффекта от внедрения системы охлаждения

8.1 Общие положения

8.2 Расчёт затрат по статьям калькуляции при внедрении системы охлаждения с моноблочными кондиционерами Classic

8.3 Расчёт затрат по статьям калькуляции при внедрении системы охлаждения с крышными кондиционерами

8.4 Определение экономического эффекта и выбор системы охлаждения Заключение Список использованных источников

ВВЕДЕНИЕ

Быстрое развитие силовой электроники и преобразовательной техники позволяют широко внедрять средства автоматизации в производство.

Первостепенное значение для автоматизации производства имеют многодвигательный электропривод и средства электрического управления. Развитие электропривода идет по пути упрощения механических передач и привода идет по пути упрощения механических передач и приближения электродвигателей к рабочим органам машин и механизмов, а также возрастающего применения электрического регулирования скорости приводов.

Широко внедряются частотные преобразователи.

Применение частотных преобразователей не только позволило создать высокоэкономичные регулируемые электроприводы постоянного тока, но и открыло большие возможности для использования частотного регулирования двигателей переменного тока, в первую очередь наиболее простых и надежных асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором.

Все большее распространение получают новейшие средства электрической автоматизации технологических установок, машин и механизмов на базе полупроводниковой техники, высокочувствительных контрольно-измерительной и логических элементов.

В современных условиях эксплуатация электрооборудования требует глубоких и разносторонних знаний, а задачи создания нового или модернизированных знаний, а задачи создания нового или модернизации существующего электрифицированного агрегата, механизма или устройства решают совместными усилиями технологи, механики и электрики.

Целью данного дипломного проекта является выбор мостового крана, оснащённого автоматизированным электроприводом.

Задачи дипломного проектирования:

— спроектировать систему электроснабжения, для выбранного мостового крана;

— разработать систему поддержания температурного режима в шкафах с электрооборудованием, для стабильной и бесперебойной работы крана;

— дать технико-экономическое обоснование инженерных решений;

— решить вопросы техники безопасности, монтажа и технического обслуживания.

1. КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПРЕДПРИЯТИЯ

1.1 История предприятия Предприятие ЗАО «СТАКС» основано в 1988 г. В своём составе предприятие имеет два подразделения: цех железного порошка (ЦЖП) и электросталеплавильный цех (ЭСПЦ). Готовая продукция предприятия распространяется как на территории России, так и экспортируется за рубеж.

Продукция цеха железного порошка очень широко применяется в машиностроении. Этот цех до некоторого времени имел аналог только в Швейцарии и снабжал железным порошком большую часть Европы.

Продукцией электросталеплавильного цеха являются стальные заготовки, которые продаются для дальнейшей переработки в холодном прокате.

В данный момент производство ЗАО «СТАКС» развивается и модернизируется быстрыми темпами. Устанавливаются новые грузоподъёмные механизмы, новое оборудование, значительно облегчающее физический труд обслуживающего персонала.

1.2 Технология производства Технология производства осуществляется в три этапа:

а) на первом этапе происходит подготовка шихтового материала. Металл грузится в корзины мостовыми кранами, оснащёнными электромагнитами. Соответственно этот участок цеха получил название шихтовый участок или шихтовый пролёт.

б) на втором этапе производства происходит непосредственно переплавка металла. Из шихтового пролёта корзины с металлом доставляются в печной пролёт на шихтовозе (тележка, предназначенная для перевозки корзин с подготовленным к переплавке металлом). Мостовой кран снимает корзину с шихтовоза и загружает в электросталеплавильную печь. Происходит переплавка металла. Этот участок цеха получил название печной участок или печной пролёт.

в) на третьем этапе происходит разливка металла, т. е получение готовой продукции. После переплавки, металл сливается в сталь-ковш, который транспортируется на сталевозе. Со сталевоза, сталь-ковш мостовым краном транспортируется на машину непрерывного литья заготовки (МНЛЗ), где и происходит разливка металла. Этот участок цеха получил название разливочной участок или разливочный пролёт.

1.3 Электроснабжение предприятия Электросталеплавильный цех относится к первой категории электроснабжения, поэтому питание его осуществляется от двухтрансформаторной подстанции С-4. На данной подстанции используются трансформаторы типа ТМГ-35/10кВ и мощностью 64МВА. На подстанции предусмотрено автоматическое включение резерва (АВР).

Для работы дуговых сталеплавильных печей (ДСП) используются печные трансформаторы мощностью 15МВА.

Для включения и отключения печных трансформаторов используются высоковольтные воздушные выключатели типа ВВП-10. Параметры выключателя: номинальное напряжение 10кВ; номинальный ток отключения 25кА, время отключения 0,08с, номинальное давление 2МПа.

Для электроснабжения потребителей электрической энергии цеха используются два трансформатора ТМ-10/0,4 с номинальным током вторичной обмотки 2500 А.

2. ХАРАКТЕРИСТИКА ОБЪЕКТА ПРОЕКТИРОВАНИЯ

2.1 Электрооборудование мостовых кранов На промышленных предприятиях эксплуатируется большое число электрических кранов, различающихся по назначению и конструктивному исполнению. На рудных дворах и угольных складах используют грейферные мостовые перегружатели; на шихтовых дворах — магнитно-грейферные краны, предназначенные для подготовки и транспортировки шихты. Наиболее крупными и ответственными являются заливочные и разливочные краны современных конверторных цехов, а также миксерный кран. Грузоподъемность этих кранов достигает 550 т. Они относятся к группе литейных. В отделении изложниц используют краны для извлечения слитков из изложниц (стрипперные краны), для замены фурм, транспортировки ковшей со шлаком и т. п. В прокатных цехах и в цехах непрерывной разливки стали используются клещевые краны. Кроме основных, металлургические краны выполняют много вспомогательных операций, связанных с ремонтом и обслуживанием оборудования, уборкой, заменой футеровки. Наибольшее применение в металлургических цехах находят мостовые краны.

Мостовые краны (рисунок 1) имеют механизмы подъема, передвижения моста и передвижения грузовой тележки. Подъемный механизм заливочных кранов снабжен двумя крюками, которые с помощью траверсы и канатов подвешены к двум барабанам главной грузовой тележки. Каждый из барабанов приводится во вращение через редуктор от отдельного электродвигателя. Зубчатые венцы грузовых барабанов находятся в зацеплении, благодаря чему обеспечивается их синхронное вращение. Кроме главной грузовой тележки, заливочный кран имеет вспомогательную тележку с одним или двумя подъемными механизмами для кантования ковша при выливании жидкого металла и выполнения различных вспомогательных операций.

Рисунок 1 — Общий вид мостового крана Для привода кранов характерным является повторно-кратковременный режим работы, регулирование скорости, значительные перегрузки, частое реверсирование, электрическое торможение, значительные вибрации, толчки, частые пуски, в том числе пуски под нагрузкой и т. д. Все это предъявляет к электрооборудованию основных кранов металлургических цехов ряд специфических требований основными из которых являются: высокая надежность, бесперебойность работы, высокая механическая прочность, безопасность обслуживания, простота эксплуатации и ремонта, обеспечение плавного пуска и регулирования скорости (в диапазоне до 30: 1).

Требуется поддержание заданной скорости и заданного ускорения и замедления независимо от быстроты переключения контактов командоконтроллера. Допустимое ускорение моста и тележки при транспортировке ковшей с жидким металлом должно быть не более 0,1−0,2 м/с²; ускорение механизма подъема не более 0,5 м/с².

В приводах кранов используют электродвигатели крановой и металлургической серий с теплостойкой изоляцией, с повышенной механической прочностью. Аппаратуру монтируют в плотно закрытых шкафах. Электрооборудование имеет надежную защиту от аварийных режимов.

Напряжение электродвигателей, трансформаторов и преобразователей, устанавливаемых на кранах, должно быть не выше 10 кВ, причем применение напряжения выше 1000 В следует обосновать расчетами, а напряжение цепей управления и автоматики не выше 380 В переменного тока и 440 В постоянного тока.

Любой современный грузоподъемный кран в соответствии с требованиями безопасности, может иметь для каждого рабочего движения в трех плоскостях следующие самостоятельные механизмы: механизм подъема — опускания груза (рисунок 2), механизм передвижения крана в горизонтальной плоскости (рисунок 3) и механизмы обслуживания зоны работы крана (передвижения тележки).

Рисунок 2 — Кинематическая схема механизма подъема главного крюка: 1 — двигатель; 2 — муфта; 3 — тормоз; 4 — редуктор; 5 — барабан; 6 — полиспаст; 7 — неподвижный блок полиспаста.

Рисунок 3 — Кинематическая схема передвижения Грузоподъемные машины изготовляют для различных условий использования по степени загрузки, времени работы, интенсивности ведения операций, степени ответственности грузоподъемных операций и климатических факторов эксплуатации. Эти условия обеспечиваются основными параметрами грузоподъемных машин. К основным параметрам механизма подъёма относятся: грузоподъемность, скорость подъема крюка, режим работы, высота подъема грузозахватного устройства.

Электропривод большинства грузоподъёмных машин характеризуется повторно — кратковременном режимом работы при большой частоте включения, широком диапазоне регулирования скорости и постоянно возникающих значительных перегрузках при разгоне и торможении механизмов. Особые условия использования электропривода в грузоподъёмных машинах явились основой для создания специальных серий электрических двигателей и аппаратов кранового исполнения. В настоящее время крановое электрооборудование имеет в своём составе серии крановых электродвигателей переменного и постоянного тока, серии силовых и магнитных контроллеров, командоконтроллеров, кнопочных постов, конечных выключателей, тормозных электромагнитов и электрогидравлических толкателей, пускотормозных резисторов и ряд других аппаратов, комплектующих разные крановые электроприводы.

В крановом электроприводе начали довольно широко применять различные системы тиристорного регулирования и дистанционного управления по радиоканалу или одному проводу.

Номинальная грузоподъемность — масса номинального груза на крюке или захватном устройстве, поднимаемого грузоподъемной машиной.

Скорость подъема крюка выбирают в зависимости от требований технологического процесса, в котором участвует данная грузоподъемная машина, характера работы, типа машины и ее производительности.

Режим работы грузоподъемных машин цикличен. Цикл состоит из перемещения груза по заданной траектории и возврата в исходное положение для нового цикла.

Мостовой кран, рассматриваемый в данном дипломном проекте, находится в электросталеплавильном цеху, в разливочном пролёте. По условиям технологического процесса рассматриваемый мостовой кран выполняет следующую операцию: после выпуска стали дуговой сталеплавильной печи ковш со сталью перемещается мостовым краном на машину непрерывного литья заготовки.

Условия работы крана весьма тяжелые. При расположении крана под крышей цеха электрооборудование подвержено действию высокой температуры, дыма, агрессивных газов, пыли.

Так как мостовой кран установлен в электросталеплавильном цеху металлургического производства, то электродвигатель и все электрооборудование мостового крана требует защиты общепромышленного исполнения не ниже IP 53 — защита электрооборудования от попадания пыли, а также полная защита обслуживающего персонала от соприкосновения с токоведущими и вращающимися частями, защита электрооборудования от капель воды, падающих под углом 60⁰ к вертикали.

На мостовых кранах в электросталеплавильном цехе применяются асинхронные двигатели с фазным ротором серии MTF. На 50 тонных кранах применяются двигатели следующих мощностей: ход моста — два двигателя по 22кВт; ход тележки — 1 двигатель 7,5кВт; вспомогательный подъём — 1 двигатель 37кВт; главный подъём — 1двигатель 75кВт. Это двигатели крановой серии с частотой вращения 937об/мин.

Для управления двигателем хода тележки используется силовой командоконтроллер.

Для управления двигателями хода моста используется магнитный командоконтроллер, контакторы типа КПД, реле максимального ток типа РМ, реле времени РЭВ.

Для управления двигателем вспомогательного подъёма используются два контактора типа КТ.

Для управления двигателем главного подъёма используются контакторы типа КТПВ.

На 12-ти тонных кранах используются двигатели следующих мощностей: ход моста — два двигателя по 11кВт; ход тележки — 1 двигатель мощностью 7,5кВт; главный подъём — 1двигатель мощностью 45кВт.

2.2 Обоснование выбора мостового крана В электросталеплавильном цехе, в связи с увеличением объёмов производства, возникла необходимость установки двух мостовых кранов грузоподъёмностью 80/25т. При выборе производителя мостового крана, была изучена продукция таких предприятий как «ТЯЖПРОММАШ», «УРАЛКРАН», «VELKRAN» и «KONECRANS». Предпочтение было отдано фирме Konecranes, так как это мировой лидер в области производства и технического обслуживания грузоподъемной техники, предлагающий полный диапазон передовых подъемных решений для различных отраслей промышленности во всем мире[1].

В основе стратегии компании Konecranes — сочетание двух видов бизнеса: поставка грузоподъемных кранов и их техническое обслуживание. Konecranes работает в следующих стратегических направлениях: рост, удержание лидирующих позиций в области исследований и конструкторских разработок и эффективность использования ресурсов.

Компания Konecranes применяет модульный принцип и стандартизацию в производстве компонентов и кранов. Создание унифицированной компонентной базы оптимизирует использование производственных мощностей и дает возможность быстрого перераспределения ресурсов. В целях регулирования затрат постоянно осуществляется вложение средств в развитие методологии производства и оборудование. Автоматизация процессов повышает эффективность действующей производственной схемы. Так как все компании Группы заняты в одной и той же отрасли промышленности, существуют благоприятные условия для успешной передачи знаний и аттестации во всех подразделениях Группы.

Konecranes предлагает широкий выбор взрывобезопасных кранов и компонентов к ним. Все основные компоненты, такие как канатные, цепные и ременные тельферы, передвижное оборудование, концевые балки и средства управления кранами спроектированы и изготовлены для обеспечения высочайшего уровня безопасности, необходимого в опасных средах, например, на химических и нефтехимических предприятиях, нефтеочистительных заводах, газовых энергоустановках, установках для очистки сточных вод и в окрасочных цехах.

Краны и компоненты кранов компании Konecranes разработаны с учетом требований директив ATEX, принятых Европейским союзом. Выполнение этих директив стало обязательным в Европе с 1 июля 2003 года. Продукция Konecranes также соответствует стандартам EN50014 — EN50020. Электрические аппараты для потенциально взрывоопасных сред.

Продукция Konecranes для опасных сред проходит типовые испытания, утвержденные сертифицирующими органами, все изделия снабжены CE маркировкой и документацией.

В сталелитейной промышленности преимущество дает технология. Поэтому технологии Konecranes сочетают интеллектуальное подъемное оборудование с современными технологиями, избавляющими от традиционных проблем технического обслуживания. Кроме того, гибкие сервисные программы улучшают общую производительность.

2.3 Режимы управления двигателем электропривода крана Konecranes

Разомкнутая система управления электроприводом мостового крана. На рассматриваемом объекте используется частотное регулирование угловой скорости. В частотных преобразователях, применяемых в данном случае, используется векторное управление (рисунок 5). Векторное управление требует измерения величины и пространственного положения вектора потокосцепления статора или ротора, непосредственно, с помощью соответствующих датчиков, или косвенно _ с использованием математической модели АД.

Частотные преобразователи, используемые на данном кране, имеют встроенную модель (схему) двигателя, которая тысячу раз в минуту рассчитывает значения параметров двигателя. Входные данные, необходимые для расчета, представляют собой мгновенное значение напряжения двигателя от специализированной интегральной схемы ASIC и измеренное значение тока двигателя. Магнитный поток двигателя и крутящий момент вала рассчитываются в схеме двигателя на основе данных, которые указаны в заводской табличке двигателя Рисунок 5 — Векторное управление в разомкнутой системе Данные для регулирования параметров поступают на ПЛК по шине данных, структурная схема которой показана на рисунке 6.

Регулирование частоты в разомкнутой системе (режим 0). В режиме регулирования частоты в разомкнутой системе частота двигателя соответствует сигналу заданной частоты. Фактическая частота вращения двигателя зависит от нагрузки. Даже в режиме регулирования частоты используется векторный расчет для поддержания намагничивания на надлежащем уровне.

Управление по току (режим 1). В режиме управления по току в разомкнутой системе ток двигателя соответствует заданному сигналу. Управление двигателем по току осуществляется при низких частотах (типично <10Гц); при более высоких частотах двигатель управляется по напряжению. При управлении по току при низких частотах скорость двигателя почти не зависит от нагрузки.

Рисунок 6 — Структура шины данных ПЛК

На рисунке 7 представлена шина входов выходов ПЛК Рисунок 7 — Схема шины входов, выходов ПЛК Схема питания ПЛК представлена на рисунке 8.

Векторное управление в замкнутой система. При векторном управлении в замкнутой системе (рисунок 9) также используется расчетная схема двигателя, которая имеет еще более простую конфигурацию по сравнению со схемой, используемой для векторного управления в разомкнутой системе. Схему упрощают дополнительные входные данные, так как имеется сигнал от дифференциального датчика импульсов (encoder). Данное измерение используется в качестве сигнала обратной связи на расчетную схему двигателя.

Рисунок 9 — Векторное управление в замкнутой системе Регулирование скорости (режим 3). В режиме регулирования скорости в замкнутой системе угловая скорость вращения двигателя соответствует сигналу заданной скорости. Частотные преобразователи регулируют частоту двигателя и, благодаря данной функции, компенсируют зависящее от нагрузки скольжение. Компенсация скольжения удерживает постоянной фактическую скорость вращения вала, вне зависимости от условий нагрузки. При регулировании скорости в замкнутой системе даже имеется возможность достигнуть нулевой скорости при полном крутящем моменте. В системе используется инкрементный датчик импульсов (encoder) для обеспечения высокой точности скорости и быстродействия, а также для достижения крайне низких минимальных скоростей. Сигнал датчика импульсов также используется в целях контроля скорости. Стандартный датчик (рисунок 6) имеет 600 импульсов на оборот. Разрешается использовать датчики с 512, 1000, 1024, 1200, 2000 или 2048 импульсами на оборот в зависимости от скорости вращения двигателя и длины кабеля.

Рисунок 10 — Датчик скорости (Encoder)

Контроль по крутящему моменту (режим 4). В режиме контроля по крутящему моменту крутящий момент вала удерживается равным заданному сигналу. Скорость вращения двигателя в значительной степени зависит от условий нагрузки, например, разгруженный двигатель будет все время работать с максимальной скоростью. В целях защиты значение скорости ограничивается в пределах регулируемых минимальной и максимальной скоростей.

2.4 Средства автоматизации, используемые на рассматриваемом объекте Во избежание быстрого износа канатов, который может привести к аварийной ситуации, используется концевой выключатель балансировки канатов. В случае, если канат выходит из своего паза, срабатывает концевой и подаётся сигнал на цифровой вход ПЛК (программируемый логический контроллер) — «Канат не в ручье», а ПЛК в свою очередь не даёт разрешение на включение IGBT транзисторов.

Чтобы крюковая подвеска не поднималась слишком высоко, и не возникало аварийных ситуаций, используются ограничители подъёма. При срабатывании концевого выключателя поступает сигнал на цифровой вход ПЛК, и инвертор прекращает свою работу.

Во избежание быстрого износа механических частей механизма подъёма предусмотрено следующее: чем выше будет подниматься крюковая подвеска, тем медленнее будет скорость подъёма. Реализовано это с помощью датчика скорости «Encoder». Инвертор считывает количество импульсов, поступающих с датчика скорости, и регулирует скорость в соответствии с заданной программой.

Если по какой-либо причине не сработал основной концевой выключатель и подъём продолжается, то сработает аварийный концевой выключатель, механизм прекратит свою работу. Чтобы механизм возобновил свою работу, необходим ручной взвод аварийного концевого выключателя.

Чтобы не возникало перегрузки двигателя и больших механических напряжений в балках моста, используется датчик нагрузки. Схема включения датчика нагрузки представлена на рисунке 11. Он представляет собой мост, в плечах которого включены тензоэлементы. Одно плечо этого моста находится без нагрузки, а на другое плечо давит своим весом барабан с канатом и груз, подвешенный на крюке. Когда кран начинает поднимать груз, равновесие между плечами моста нарушается, и на выходе появляется сигнал напряжением от 0 до 12 В. Через усилитель этот сигнал поступает на регистратор параметров. В случае если груз превышает допустимый вес (в данном случае 80 тонн), на дисплее в кабине машиниста крана появляется сообщение о превышение веса груза. Если машинист попытается поднять этот вес, сигнал, поступивший на регистратор параметров, поступает на цифровой вход ПЛК и не даёт команду на включение IGBT транзисторов.

Рисунок 11 — Схема включения датчика нагрузки Микроконтроллер обрабатывает данные с датчика нагрузки по программе, блок-схема алгоритма которой приведена на рисунке 12.

Для защиты двигателя от перенапряжения используются варисторы и реле контроля фаз. В случае если возникает перекос напряжений между фазами, срабатывает реле контроля фаз и не даёт включиться линейному контактору. Если же возникает мгновенный скачок напряжения, то срабатывают варисторы.

Рисунок 12 — Блок схема программы расчёта грузоподъёмности Структурная схема системы ограничителя грузоподъёмности представлена на рисунке 13.

Рисунок 13 — Структурная схема ограничителя грузоподъёмности Чтобы предотвратить перегрев обмоток двигателя, используются термисторы, встроенные в двигатель. Если обмотки нагреваются до температуры +150єС, на экране панели оператора появляется надпись «Тревога». Если обмотки какого-либо из двигателей нагреваются до температуры 180єС, на панели оператора появляется надпись «Стоп», и механизм, двигатель которого перегрет, останавливает свою работу до тех пор, пока обмотки двигателя не охладятся до номинальной температуры.

Для защиты силовых цепей и цепей управления от бросков тока служат автоматические выключатели.

Так как технологией производства предусмотрены два крана в разливочном пролёте, то необходимо избежать столкновений между ними. В данном случае используется радиодатчик «Gigasens». При сближении двух кранов антенна получает сигнал и передаёт его на цифровой вход ПЛК. Чем сильнее становится сигнал, тем медленнее едет кран, вплоть до полной остановки.

В случае, если необходимо срочно совершить какую-либо технологическую операцию, но сделать это по какой-либо причине с кабины нет возможности, предусмотрен резервный пульт управления. С помощью его можно осуществлять работу любого механизма.

2.5 Описание схемы управления Схема управления приводом главного подъёма приведена на листе 4 графической части дипломного проекта. Для задания направления «Вверх» или «Вниз» используется двухпозиционный джойстик. При задании направления вверх срабатывает пускатель КМ5 и подаёт сигнал на вход инвертора S1. При задании направления «Вниз» срабатывает пускатель КМ6 и подаёт сигнал на вход частотного преобразователя S2. Плавный пуск осуществляется в автоматическом режиме, в соответствии с заданной программой. Остановка при движении вверх и вниз осуществляется с помощью концевых выключателей QS6 и QS7, сигнал с которых поступает на цифровые входы инвертора DID2 и DID3.

3. РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ ПОДДЕРЖАНИЯ ТЕМПЕРАТУРНОГО РЕЖИМА В ШКАФАХ С ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕМ

3.1 Постановка задачи проектирования Опираясь на интернет-форумы и практические наблюдения, обнаружено, что в процессе эксплуатации мостовых кранов Konecranes возникает проблема поддержания температурного режима в шкафах с электрооборудованием на территории Южного Федерального Округа. Это обуславливается климатическими условиями, в которых работает электрооборудование в весенне-летний период.

В процессе детальной проработки данной проблемы возникло два варианта её решения:

1 Установить кондиционер большой мощности; установить на каждый преобразователь частоты датчик температуры; для питания электрической энергией двигателя кондиционера установить преобразователь частоты, который будет регулировать угловую скорость вращения двигателя в зависимости от данных, получаемых от датчика температуры.

2 Аналогично предыдущему варианту предусматривается установка датчика температуры на каждый преобразователь частоты; установка на каждый шкаф с электрооборудованием вентиляторов крышного типа с преобразователями частоты.

Обе системы охлаждения будут работать по алгоритму представленному на рисунке 14.

Рассмотрим подробнее каждый из вариантов.

3.2 Система охлаждения с применением моноблочного кондиционера Classic, монтируемого в стойке Моноблочные кондиционеры серии Classic (рисунок 15) предназначены для поддержания необходимых микроклиматических параметров в закрытых шкафах электрического и электронного оборудования как внутреннего, так и наружного исполнения.

Кондиционеры Classic монтируются на внешней стойке шкафа в стандартной стойке модуля электронного оборудования.

Рисунок 14 — Алгоритм работы системы охлаждения Модельный ряд серии представлен 8 моделями с диапазоном хладопроизводительности от 0,5 до 3кВт.

С целью обеспечения нормальной работы электронного оборудования при низких наружных температурах (в зимнее время) кондиционер опционально комплектуется электронагревателем требуемой мощности с термостатом защиты от перегрева.

Рисунок 15 — Общий вид кондиционера Classic

Система автоматизации и управления предусматривает следующие возможности:

— мониторинг и регулирование температуры на основании показаний датчиков температуры воздуха наружного и внутреннего контура;

— изменение уставок компрессора и электронагревателя.

— соединительный порт для подключения инфракрасного диагностического модуля.

На рисунке 16 представлена схема распределения охлаждённого воздуха с применением моноблочного кондиционера Classic.

Рисунок 16 — Схема охлаждения шкафов с электрооборудованием с применением моноблочного кондиционера Classic

На рисунке 17 представлена электрическая схема системы охлаждения с применением моноблочного кондиционера Classic

Рисунок 17 — Электрическая схема системы охлаждения с с применением моноблочного кондиционера Classic

3.3 Расчёт мощности охлаждения моноблочного кондиционера Classic

Исходные данные для расчёта: высота шкафов — 2,5 м; длина — 8 м; ширина — 0,5 м.

Расчет мощности производится по формуле:

где — мощность теплопритоков помещения;

— мощность теплопритоков от электрооборудования.

Определим мощность теплопритоков помещения:

где, а — длина помещения;

b — ширина помещения;

h — высота помещения;

q — коэффициент отражения тепла от поверхности, равный 30Вт/м³ для затемнённых помещений.

Мощность теплопритоков от электрооборудования рассчитывается как 1% от номинальной мощности, потребляемой электрооборудованием.

Номинальная мощность всех электроприёмников в рассматриваемых шкафах с электрооборудованием — 215кВт (см. раздел 5).

Определим мощность теплопритоков от электрооборудования:

Определим расчётную мощность охлаждения:

Принимаем к установке кондиционер Classic типа CS047120B, технические характеристики которого приведены в таблице 1.

Таблица 1 Технические характеристики кондиционера Classic CS047120B

3.4 Система охлаждения с применением крышных кондиционеров «Веза»

3.4.1 Общие сведения о крышных кондиционерах Кондиционеры компактные панельные — устройства, обеспечивающие обработку воздуха с производительностью 200…4000 м³/ч. Кондиционеры предназначены для объектов промышленного и гражданского строительства, могут применяться в качестве приточно-вытяжных, вентиляционных и отопительно-вентиляционных установок. Кондиционеры могут работать на наружном или рециркуляционном воздухе, либо на их смеси. Раздача воздуха осуществляется как по сети воздуховодов, так и непосредственно в помещениях. Могут быть установлены практически в любом положении: на полу, потолке, стенах. Кондиционер состоит из ряда функциональных элементов, которые можно комбинировать в соответствии с конкретной заданной технологией, обеспечивая эффективную обработку воздуха. Установки могут обеспечить следующие процессы обработки воздуха:

— очистку — с использованием карманных и ячейковых фильтров. Возможна двухступенчатая очистка воздуха;

— нагрев — осуществляется водяными и электрическими нагревателями;

— охлаждение и осушка — производится с использованием охладителей, работающих на различных хладагентах;

— рециркуляция — обеспечивается вводимой в установку смесительной секцией, содержащей необходимое количество воздухозаборных клапанов.

Применение этих кондиционеров наиболее целесообразно в небольших помещениях с ограниченным объемом, т. е. при небольшой потребности в воздухе. Кондиционеры имеют либо моноблочную (общий корпус), либо блочную (комплект функциональных блоков, имеющих унифицированные присоединительные размеры) структуру. Корпуса кондиционеров выполнены в виде каркасной конструкции из специального профиля. Кондиционеры предназначены для эксплуатации в условиях умеренного и холодного (УХЛ) и сухого тропического (ТС) климата 3-й категории размещения по ГОСТ 15 150.

По конструктивно-параметрическим особенностям кондиционеры компактные панельные делятся на три типа [4]:

— кондиционеры компактные панельные блочные ККПБ;

— кондиционеры компактные панельные моноблочные ККП;

— кондиционеры компактные панельные моноблочные малогабаритные.

В данном случае установим кондиционеры компактные моноблочные малогабаритные (ККП-М), которые представляют собой набор функциональных элементов, объединённых общим корпусом, к которому могут быть присоединены промежуточная камера или (и) шумоглушитель. Все варианты ККП-М выполняются в одинаковых корпусах с сохранением габаритных и присоединительных размеров.

На рисунке 18 представлен один из возможных конструктивных вариантов, включающий воздухозаборный клапан, фильтр ячейковый, водяной воздухоохладитель, вентилятор. Кондиционер показан в двух видах: со стороны выхлопа и воздухозаборного клапана.

Рисунок 18 — Кондиционер компактный моноблочный малогабаритный

3.4.2 Система автоматического управления (САУ) кондиционера По требованию заказчика кондиционеры комплектуются приборами автоматики и управления, обеспечивающими его работу по заданным циклам и параметрам.

Система автоматизации и управления предусматривает следующие возможности:

— обеспечение воздухозабора (атмосферного или смешанного рециркуляционного). Осуществляется через управление соответствующим клапаном с помощью электропривода;

— поддержание постоянной температуры приточного воздуха. Температура контролируется по датчику, устанавливаемому обычно в воздуховоде на выходе;

— защита водяного воздухонагревателя от замораживания. Производится по температуре обратной воды и по температуре воздуха.

— защита электрокалорифера от перегрева. Защита осуществляется с помощью термореле аварийного перегрева. Для обеспечения электропожарной безопасности предусмотрена защита от перегрузки (К.З.), перегрева и блокировка при остановке электродвигателя вентилятора;

— регулирование воздухоохлаждения. Воздухоохладитель комплектуется трёхходовым клапаном, управление которым осуществляется контроллером;

— индикация запылённости воздушного фильтра. При увеличении запылённости воздушного фильтра происходит изменение разности давления по обе стороны фильтра, вследствие чего срабатывает датчик-реле перепада давления фильтра, зажигается индикатор «Фильтр», как правило, без остановки работы системы;

— индикация остановки или неисправности вентилятора. При остановке или неисправности вентилятора (обрыв ремня и т. д.) происходит изменение разности давления, вследствие чего срабатывает датчик-реле давления вентилятора, выключается индикатор «Вентилятор», зажигается индикатор «Авария» и отключается кондиционер;

— защита от коротких замыканий и перегрузок в электрических цепях. Защита реализована стандартным образом с помощью автоматических выключателей и тепловых реле магнитных пускателей.

3.4.3 Элементы САУ Система автоматического управления имеет следующую структуру:

— шкаф САУ (ШСАУ) осуществляет управление работой блоков кондиционера в заданном режиме: производит приём и обработку сигналов, поступающих от контрольных датчиков и выдачу соответствующих команд исполнительным механизмам. Конструктивно выполнен в виде настенного шкафа, на двери которого установлены органы управления и индикаторы, а через верхнюю стенку осуществляется подвод электрокабелей;

— группа датчиков осуществляет постоянный контроль за параметрами обрабатываемого воздуха и теплоносителей, циркулирующих по системам кондиционера, и выдачу информации для ШСАУ;

— группа исполнительных механизмов (электроприводы, клапаны, насосы, вентиляторы) по команде ШСАУ открывает и закрывает воздушные клапаны кондиционера, регулирует подачу и расход воды в блоках кондиционера, обеспечивает её циркуляцию, создаёт и направляет воздушный поток.

На рисунке 19 представлена функциональная схема САУ ККП-М.

Рисунок 19 — Функциональная схема САУ ККП-М На рисунке 20 представлена система охлаждения с помощью крышных кондиционеров.

Рисунок 20 — Схема охлаждения шкафов с электрооборудованием с применением крышных кондиционеров «Веза»

На рисунке 21 Представлена электрическая схема с применением крышных кондиционеров «Веза»

Рисунок 21 — Электрическая схема системы охлаждения с применением крышных кондиционеров «Веза»

3.5 Расчёт мощности охлаждения крышных вентиляторов для каждого шкафа Расчёт производим по методике, аналогичной расчёту в раделе 4.3, и технические характеристики кондиционеров сводим в таблицу 2.

Таблица 2 Технические характеристики крышных вентиляторов

3.6 Выбор системы охлаждения для рассматриваемого объекта Рассматривая две, описанные выше системы охлаждения, очевидно, что с точки зрения качества охлаждения, предпочтение следует отдать системе охлаждения с применением крышных вентиляторов. Рассмотрим преимущества данной системы:

— селективность системы охлаждения. То есть в случае нагрева электрооборудования одного шкафа, мощность будет увеличиваться не во всей системе охлаждения, а именно на участке нагрева;

— селективность позволяет также экономить потребляемую электроэнергию, так как охлаждение происходит только там где, это необходимо;

— в случае выхода из строя одного кондиционера в остальных шкафах температурный режим будет поддерживаться;

— суммарная мощность двигателей всей системы с крышными вентиляторами незначительно больше, чем в системе с применением моноблочного кондиционера Classic, а эффективность рассматриваемой системы очевидно выше.

Несмотря на очевидные преимущества системы охлаждения с крышными кондиционерами с точки зрения качества охлаждения, с экономической точки зрения данная система обладает большим недостатком. Стоимость пяти кондиционеров гораздо выше одного моноблочного кондиционера, монтируемого в стойке.

С технической же точки зрения система охлаждения с моноблочным кондиционером обладает одним существенным преимуществом — это простота системы управления кондиционером, что значительно упрощает обслуживание кондиционера и поиск возможных неисправностей.

Исходя из всего вышеописанного, на рассматриваемом мостовом кранеэкономически целесообразно установить систему охлаждения с применением моноблочного кондиционера Classic.

4. ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ МОСТОВОГО КРАНА

4.1 Общие положения Сталеплавильный цех предназначен для серийного выпуска стальной заготовки. Цех имеет производственные, вспомогательные, бытовые и служебные помещения. Размеры цеха 68×20×12. Электроснабжение завода осуществляется от главной понизительной подстанции (ГПП) напряжением 10кВ, расположенной на территории завода на расстоянии 2,5 км. Питание осуществляется трансформатором мощность 64МВА. Главная понизительная подстанция получает питание от энергосистемы мощностью 300МВА, расположенной на расстоянии 12 км от ГПП.

Для распределения электроэнергии в цеху принята магистральная схема с двухсторонним питанием, выполненная шинопроводами, что обеспечивает высокую надёжность, гибкость и универсальность. Двухстороннее питание также объясняется тем, что большинство электроприёмников в цеху относятся к первой и второй категориям электроснабжения.

Общепромышленные установки. Транспортировка и подъём грузов осуществляется подъёмно-транспортными механизмами: мостовым краном, сталевозом, тельфером транспортным. Мостовой кран и сталевоз работают в повторно-кратковременном режиме.

У мостового крана k_и=0,2,

у сталевоза k_и=0,35

Перерыв питания в электроснабжении мостового крана и сталевоза недопустим, так как может повлечь за собой серьёзное нарушение технологии, следовательно, эти электроприёмники относятся к I категории электроснабжения. Тельфер работает в повторно-кратковременном режиме. Для него характерны частые толчки нагрузки, k_и=0,2. По бесперебойности питания тельфер относится ко II категории надёжности электроснабжения.

Электросварочные установки. Сварочный трансформатор работает на переменном токе промышленной частоты напряжением 380 В. Он является однофазной нагрузкой с повторно-кратковременным режимом работы, с k_и=0,35, относится к приёмникам электрической энергии II категории надёжности электроснабжения.

Электрические осветительные установки представляют собой однофазную нагрузку, но при правильной группировке осветительных приборов можно достичь равномерной нагрузки по фазам. Характер нагрузки равномерный, без толчков k_и=0,9. Напряжение питания 220 В. По надёжности электроснабжения осветительные установки относятся ко II категории.

Все производственные помещения относятся к категории Г по взрывоопасности и пожароопасности и к категории ПО по электробезопасности Система заземления электроустановок принята TN-C с PEN-проводником. Система TN-C — система TN, в которой нулевой защитный и нулевой рабочий проводники совмещены в одном проводнике на всём её протяжении. В системе TN-C предусматриваются устройства защиты от сверхтоков (коротких замыканий, перегрузок). В настоящее время система TN-C остаётся основной в питающих и распределительных сетях низкого напряжения промышленных предприятий. В качестве PEN и PE проводников допускается использовать:

— алюминиевые оболочки кабелей;

— металлические конструкции и опорные конструкции шинопроводов;

— стальные трубы электропроводок;

— металлические конструкции зданий или сооружений;

— арматуру железобетонных конструкций и фундаментов зданий;

— металлические стационарно открыто проложенные трубопроводы всех назначений, кроме трубопроводов горючих и взрывоопасных веществ и смесей, канализации и центрального отопления.

Для питания электродвигателей подъёмно-транспортных устройств (кранов, кран-балок) применяются троллейные линии, выполненные, как правило, троллейными шинопроводами.

Питание троллейных сетей может производится от распределительных устройств 0,4 кВ трансформаторных подстанций, от магистральных, распределительных шинопроводов.

Для электроснабжения непосредственно объекта проектирования принята схема троллейной линии с двумя ремонтными секциями (рисунок 22).

Рисунок 22 — Схема электроснабжения мостового крана Передача электроэнергии от неподвижной троллейной линии к электродвигателям, установленным на передвигающихся частях механизмов, осуществляется токосъёмниками.

Так как на данном кране используются преобразователи частоты, то они и будут являться основными приёмниками электроэнергии:

— главный подъём — D2HCS57Arus, Р_ном=100кВт;

— вспомогательный подъём — D2HCS57Arus, Р_ном=40кВт;

— механизм хода моста — D2HCS57Arus, Р_ном=68кВт;

— передвижение тележки — D2HCS57Arus, Р_ном=7кВт.

Основные технические характеристики электроприёмников сведены в таблицу 3.

Таблица 3 Технические характеристики электроприёмников

k_и, — определяются из литературы [2]

4.2 Определение мощности, выбор типа участкового понизительного трансформатора Определим средневзвешенный коэффициент мощности при фактической нагрузке:

Определим расчётную мощность по методу коэффициента спроса:

По полученной величине принимается ближайшее большее стандартное значение мощности трансформатора, то есть выбираем трансформатор ТМ — 1000/10. Но, исходя из того, что большинство потребителей относится к первой категории электроснабжения, питание электроприёмников должно осуществляться от двух вводов, поэтом экономически целесообразно будет применить два трансформатора мощностью 630кВА.

Устанавливаем в цехе 2 трансформатора ТМ-630/10, основные технические характеристики которых сведены в таблицу 4.

Таблица 4 Параметры трансформатора ТМ-630/10

Расчёт компенсирующих устройств Определим расчетную реактивную мощность по формуле [5]:

Определим величину реактивной мощности, которую могут пропустить трансформаторы при полной активной нагрузке [5]:

Где в соответствии с.

Определим мощность, которую необходимо скомпенсировать:

Исходя, из расчёта, произведённого выше, можно сделать вывод: компенсирующие устройства в рассматриваемом цехе можно не использовать.

4.3 Расчёт токов короткого замыкания Исходные данные для расчёта S_э.с.=300МВА; S_т1=64МВА; u_к.з1=10,5%; u_к.з2=5,5%; U_вл=115кВ; U_кл=10,5кВ; l_вл=12км; l_кл=2,5 км.

Составляем расчётную схему (рисунок 23).

Рисунок 23 — Расчетная схема Составляем схему замещения (рисунок 24).

Рисунок 24 — Схема замещения Задаёмся значением базисной мощности:

Определяем сопротивление энергосистемы:

где S_б — базисная мощность;

S_э.с. — мощность энергосистемы.

Определяем сопротивление воздушной линии:

где х₀ — удельное сопротивление линии, Ом/км,

Определяем сопротивление двухобмоточного трансформатора ГПП:

Определяем сопротивление кабельной линии:

Определяем сопротивление двухобмоточного трансформатора цеховой подстанции:

Определяем эквивалентное сопротивление расчётной цепи для каждой точки короткого замыкания:

Определяем значение базисного тока для каждой точки короткого замыкания Определяем значение токов трёхфазного короткого замыкания для каждой точки короткого замыкания:

Определяем значение токов двухфазного короткого замыкания для каждой точки короткого замыкания:

Определяем значение токов однофазного короткого замыкания для каждой точки короткого замыкания:

4.4 Расчёт кабельной линии и троллей Сечение проводов, кабелей и шин выбирается с учетом следующих требований:

— провода, кабели, шины не должны нагреваться сверх допустимой температуры при протекании по ним расчетного тока нагрузки;

— отклонения напряжения на зажимах электроприемников не должны превышать (-2,5 + 5%) для осветительной нагрузки и ± 5% для силовой;

— провода, кабели и шины должны обладать достаточной для данного вида сети механической прочностью;

— кратковременные отклонения напряжения (из-за наброса или сброса нагрузки) должны соответствовать значениям, установленным ГОСТ 13 109–67;

— аппараты защиты должны обеспечивать защиту всех участков сети от коротких замыканий;

— для некоторых видов сетей в соответствии с ПУЭ выбор сечения проводов осуществляется по экономической плотности тока.

Кабельная сеть состоит из высоковольтного (10кВ) магистрального кабеля между ГПП и цеховым трансформатором и низковольтного кабеля, питающего троллеи.

4.4.1 Выбор высоковольтного кабеля Выбор высоковольтного кабеля осуществляется по номинальному току и термической стойкости.

Определяем номинальный ток:

Определяем сечение кабеля:

где j — экономическая плотность тока, А/мм².

Принимаем к установке кабель АПвП2Г 3×35+1×16, с номинальным током 150А, с изоляцией в сшитом полиэтилене.

Проверяем выбранный кабель на термическую стойкость:

где С_т — коэффициент, зависящий от допустимой температуры.

Так как 31,5<35, то выбранный кабель удовлетворяет условиям термической устойчивости.

Проверку выбранного сечения кабеля ВН по допустимой потере напряжения производят по условию обеспечения нормируемых уровней напряжения на зажимах наиболее мощного и удаленного электроприемника участка.

где I_p — расчетный ток токоприемников, А;

L — длина высоковольтного кабеля, м;

cos ц_ср — средневзвешенный коэффициент мощности электроприемников подстанции;

? U_доп — допустимая потеря напряжения в высоковольтном кабеле, 150 В согласно [8];

г — удельная проводимость меди, м/Ом?мм², принимается г = 50 м/Ом?мм², что соответствует температуре жил кабеля около 65 єС.

Исходя из произведённого расчёта видно, что кабель, предварительно выбранный по экономической плотности тока и по термической стойкости, удовлетворяет проверке по потере напряжения.

4.4.2 Выбор низковольтных кабелей Выбор низковольтного кабеля, питающего троллеи, осуществляется по номинальному току с учётом коэффициента спроса. Номинальный ток одного крана равен 386А. Учитывая, что в пролёте работает два крана, номинальный ток будет равен 772А. Определим расчётный ток с учётом коэффициента спроса:

Для общего питания троллей выбираем кабель АВВГ 3×120+1×35 с длительно допустимым током 220А.

Все выбранные кабели сводим в кабельный журнал (таблица 5)

Таблица 5 Параметры кабелей

4.4.3 Выбор троллей Сечение троллей выбирают по допустимой величине тока с проверкой провода на потерю напряжения. Провод выбирают по всей длине перемещения механизма. Троллейная сеть характеризуется повторно-кратковременным режимом работы, поэтому выбирать троллей на допустимый нагрев нужно по эквивалентной силе тока (расчетная сила длительного тока) — I_Р.

Определим расчетный ток:

где Р₃ — сумма номинальных мощностей трех наиболее мощных токоприёмников, кВт;

Р_Н — сумма номинальных мощностей всех остальных двигателей, кВт;

— коэффициент спроса трёх наиболее мощных токоприёмников.

По силе тока I_p выбирают сечение троллей при условии I_p I_д, где I_д — сила допустимого по нагреванию тока.

Принимаем к установке троллейные линии из угловой стали для крановых установок с номером профиля 4,5 размером 50×50×5мм², с, сопротивление r=0,34Ом/км.