Проектирование электропривода крана

Электроприводом называется электромеханическое устройство, предназначенное для преобразования электрической энергии в механическую энергию вращательного, либо поступательного движения и включающее электромеханический преобразователь (двигатель) и устройство управления двигателем.

В общем случае электропривод включает преобразователь П, электромеханический преобразователь (электродвигатель) ЭМП, рабочий механизм РМ, устройство обратной связи УОС, суммирующий узел СУ. Преобразователь, устройство обратной связи и суммирующий узел образуют устройство управления. В зависимости от типа электропривода в устройство управления могут входить и другие элементы управления.

Преобразователь П предназначен для преобразования напряжения сети U_сети в напряжение U_пр другой частоты и величины, напряжение той же частоты и переменной величины, постоянное напряжение, изменяющееся по величине, и др. Это напряжение подается на ЭМП, который, развивая на валу вращающий момент М, непосредственно или через передаточное устройство приводит в движение рабочий механизм РМ с моментом сопротивления Мс. Устройство обратной связи служит для контроля, измерения и последующего учета ЭП регулируемой величины.

Суммирующий узел осуществляет функцию суммирования задающего напряжения U_зад и напряжения обратной связи по частоте вращения или иной величине U_ос. Результирующее напряжение управления U_рез, равное разности между задающим напряжением и напряжением обратной связи, определяют выходные параметры преобразователя и, следовательно, скорость вращения двигателя.

1. Исходные данные

Согласно условию, Р_НОМ=5.5кВт, выбираем электродвигатель с фазным ротором марки 4MTF132L6, технические характеристики которого (для ПВ_Д=40%) приведены в таблице 1.

Таблица 1

2. Определение моментов электродвигателя

2.1 Определяем номинальный момент электродвигателя

M_ном=,

где номинальная частота вращения вала электродвигателя:

_ном=

где — принятое значение частоты вала ротора электродвигателя (=915 мин^-1).

_ном==95,81/с.

Подставляем численные значения:

M_ном==58 н*м

2.2 По данным таблицы 2 определяем значение максимального, пускового и минимального моментов

M_max=2,4*Мн=2,4*58=139,2 н*м;

M_п=1,5*Мн=1,5*58=87 н*м;

M_min=1,1*Мн=1,1*58=63,1 н*м.

2.3 Вращающий момент вала электродвигателя определяем по формуле

М_пср=

Подставляем численные значения:

М_пср==86,8н*м.

2.4 Определяем момент инерции механической системы, приводимый к валу электродвигателя, по формуле:

J=J_н+J_дв

где Jн-момент инерции механизма; Jдв-момент инерции электродвигателя.

J=4,1+0,233=4,333 кг*м²

3) Определение времени цикла, пуска и остановки электродвигателя.

Определяем время работы цикла:

t_ц=

где N — количество циклов работы механизма, 1/час.

t_ц = 3600/12=300 c

Время работы за один цикл определяется по формуле:

t_p=t_ц-t_o

где t₍₎ — время паузы за один цикл, с.

t_р =300−180 = 120с

Расчетное значение относительной продолжительности включения определяем по формуле:

ПВ=*100%

Подставляем численные значения:

ПВ=*100%=40%.

Время пуска электропривода (t_п) определяем, допуская постоянство пускового момента (M=M_п=const) в течение времени пуска из неподвижного состояния (?_н= 0) до номинальной скорости (?_k = ?_ном):

t_п=*ном

Подставляем численные значения:

t_п=*95,81=22 с

Время остановки двигателя после его отключения (М=0) на скорости? при отсутствии тормозных устройств называется временем выбега электропривода и определяем по формуле:

Подставляем численные значения:

=6,1 с

3. Построение нагрузочной диаграммы механизма

В основе построения диаграммы лежит циклограмма, которая устанавливает зависимость момента статической нагрузки от времени Мс (t).

Статический момент M_c является суммарным моментом сил сопротивления всех звеньев механизма, приведённых к валу электродвигателя:

,

где М_ci — момент сопротивления i-го звена, приведённый к валу ротора.

Затем производим построения диаграммы скорости ?(t) по определенным значениям времени пуска t_п, времени выбега t_в и время паузы t₀ между циклами работы.

Далее, рассчитываем и строим график динамического момента М_дин(t) в соответствии с выражением:

Подставляем численные значения и находим момент динамической нагрузки для каждого периода работы электродвигателя:

При пуске электродвигателя:

М_дин1=J=4,333*=18,8 н*м;

При установившемся режиме:

М_дин2=0;

При торможении:

М_дин3=J=-4,333*=-68 н*м.

Суммируя алгебраически Мс (t) и М_дин(t) определяем момент на валу электродвигателя М (t):

.

М₁=68+18,8=86,8 н*м;

М₂=68+0=68 н*м;

М₃=68−68=0 н*м;

Диаграмму мощности Р (t) получаем путем перемножения момента двигателя М (t) на скорость двигателя ?(t):

P=M

P_пср=86,8*95,81=8316,3 Вт;

P_с=68*95,81=6515 Вт;

Р₃=0*95,81=0.

По произведенным расчетам выполняем построение нагрузочных диаграмм:

4. Проверка выбранного двигателя по нагреву

Проверяем выбранный двигатель по нагреву:

По известным из нагрузочных диаграмм переменным мощностям P (t) определяем эквивалентную мощность:

где для крановых электродвигателей б=0,67;

=tр — (tп+tв)=120 — (22+6.1)=91,9c

Подставляем численные значения:

Р_экв==6.5 кВт.

Подставляем численные значения:

P=6.5*=5.3 кВт

5.5 кВт5.3 кВт

Условие выполняется.

5. Проверка выбранного двигателя на нагрузочную способность

Проверяем выбранный двигатель на нагрузочную способность. Так как момент вращения асинхронных двигателей пропорционален квадрату напряжения, то перегрузочная способность и способность пуска под нагрузкой устанавливаем из условий:

0,8 М_max? М_с

Производим проверку двигателя:

0,8*140=11 268

условие выполняется.

Проверяем выбранный двигатель по пусковому моменту. Необходимо чтобы соблюдалось условие:

0,8 М_п > М_с.

Производим проверку двигателя:

0,8*87=69,668

условие выполняется.

Двигатель типа 4MTF132L6 удовлетворяет способности к пуску и перегрузочной способности. Следовательно, электродвигатель марки 4MTF132L6 подходит для привода данного производственного механизма.

6. Выбор схемы электропривода для заданного механизма

Для механизма подъема с асинхронным фазным электродвигателем марки 4MTF132L6 выбираем электропривод с кулачковым контроллером ККТ61.

На схеме рис. 2 контакты SM2, SM4, SM6 и SM8 контроллера выполняют реверс двигателя, контакты SM7 и SM9 — SM12 коммутируют ступени резисторов, контакты SM1, SM3 и SM5 использованы в цепях защиты. Одновременно с двигателем включается катушка тормоза УА. В схеме с контроллером ККТ61 в целях уменьшения числа используемых кулачков применено несимметричное включение сопротивлений.

Защита электропривода осуществляется защитной панелью, на которой находятся линейный контактор КММ, силовой рубильник QS, предохранители FU1, FU2 и блок максимальных реле КА. Конечная защита осуществляется выключателями SQ2 и SQ3. В цепь катушки контактора КММ включены контакты кнопки включения SB, аварийного выключателя SA и контакты блокировки люка SQ1.

Ниже приведен вариант схемы управления запорной задвижкой от пускателя БСТ-12Р/380−32

Многофункциональные реверсивные бесконтактные пускатели БСТ-12Р/380−32, БСТ-12Р/380−33 и БСТ-12РА/380−33 (дла АЭС) являются специальными исполнениями реверсивных устройств плавного пуска, торможения и защиты серии БиСТАРТ-Р, предназначенными для управления исполнительными механизмами и приводами регулирующей, запорно-регулирующей и запорной арматуры. Они позволяют заменить морально устаревшие бесконтактные пускатели ПБР-3А, ПБР-2М, ФЦ-0610, ФЦ-0620, У22, ПБР-3АА, ПБР-2МА, ФЦ-0650, ФЦ-0650А, а также релейно-контакторные схемы управления задвижками.

Мощность подключаемых электродвигателей от 40 Вт до 7.5 кВт.

Пускатель состоит из радиатора и печатных плат:

— силовая плата с тиристорами,

— плата процессора,

— плата входов-выходов,

— плата настройки и индикации,

а также кожуха с откидной крышкой. На радиаторе снизу пускателя размещенашпилька заземления. Также на радиаторе закреплены 10 силовых тиристоров, корпуса тиристоров изолированы от радиатора. К радиатору также закреплен корпус датчика температуры пускателя.

На силовой плате располагаются: тиристоры, элементы узла управления тиристорами с опторазвязкой, элементы узла измерения тока, элементы узла синхронизации с сетью, элементы узла измерения температуры пускателя и элементы узла источника питания. На силовой плате также располагаются клеммные колодки для подключения внешних цепей пускателя и 2 микропереключателя для переключения диапазона измерения тока.

На плате процессора расположен микроконтроллер, который осуществляет обмен сигналами с узлами на силовой плате и на плате настройки и индикации. На плате входов-выходов расположены элементы схемы опторазвязки входовуправления и выходные оптореле. На плате настройки и индикации расположены СД-индикаторы, настроечные резисторы и 2 блока микропереключателей SW1 и SW2, кнопка «СБРОС», а такжеразъем X3.

На лицевой части пускателя расположены:

СД-индикаторы «ЗАКР», «ОТКР», «ГОТОВ» и «АВАРИЯ», предназначенные для индикации режимов работы пускателя и для индикации значений параметров в кодовом виде ручки управления 5-ти переменных резисторов (Iогр, Iджм, Iоткл, Iтрм, Tтрм) и 16-ти микропереключателей (SW1.1-SW1.12, SW2.1-SW2.4), предназначенных для настройки параметров пускателя при эксплуатации (см. 2.1). Органы настройки закрываются поворотной крышкой. кнопка «СБРОС», предназначенная для сброса ошибок и записи параметров в ППЗУ, а также для включения дополнительных режимов индикации разъем X3 (RJ-12 6P6C), предназначенный для подключения внешних СД-индикаторов «ЗАКР», «ОТКР», «ГОТОВ» и «АВАРИЯ» и внешней кнопки «СБРОС»

В нижней части пускателя располагается клеммник X1 для подключения

напряжения сети и кабеля ЭД, а также двухрядный разъем X2 с двумя съемными клеммниками X2.1 и X2.2 для подключения цепей управления. Слева от клеммника X1 расположен блок микропереключателей SW3, предназначенный для переключения диапазонов измерения трансформаторов тока пускателя. Для настройки типа ЭД используется микропереключатель SW1.1

Встроенный источник питания 24 В предназначен для подачи напряжения на дискретные входы пускателя и для питания внешних цепей. Входы являются двунаправленными, поэтому управление может осуществляться подачей на входы положительного (клемма «+24») или отрицательного (клемма «-24») напряжения. Источник питания 24 В гальванически изолирован от сетевого напряжения и напряжения внутренних цепей, а также устойчив к короткому замыканию в нагрузке.

Пускатель имеет 5 дискретных входов «Зкр», «Отк», «М1», «М2» и «М3»,

изолированных от источника питания 24 В. Управляющие входы «Зкр» и «Отк» предназначены для подачи внешних сигналов управления ЭД «Закрыть» и «Открыть». Входы «Зкр» и «Отк» имеют общую точку «Ср1». Дополнительные многофункциональные входы «М1», «М2» и «М3» могут программироваться на различные функции с помощью переключателей SW1.9, SW1.10 и SW1.1. Входы «М1», «М2» и «М3» имеют общую точку «Ср2».

Рисунок 2.1 — Функциональная схема пускателя БСТ-12Р/380−32

Преимущества применения пускателей БСТ-12Р/380-32 для приводов регулирующей и запорной арматуры

Высокая надежность и отказоустойчивость

— Используются только качественные импортные комплектующие ведущих мировых производителей;

— В качестве силовых ключей используются тиристоры, коммутирующие все три фазы двигателя;

— Самодиагностика: контроль температуры пускателя, контроль пробоя тиристоров;

Универсальность

— Один прибор может использоваться для трехфазных электродвигателей с напряжением 3×380 В или 3×220 В, а также однофазных конденсаторных электродвигателей с электромагнитным или механическим тормозом;

— Встроенный источник 24 В изолирован от дискретных входов (возможность управления положительным или отрицательным потенциалом);

Увеличение срока службы и повышение отказоустойчивости электропривода и исполнительного механизма

— Функция безударного пуска (прямой пуск без ударных бросков момента);

— Функция плавного пуска с ограничением тока (момента);

— Широкий комплекс электронных защит с диагностикой причин неисправностей;

Повышение качества регулирования

— Сокращение выбега механизма после отключения за счет функций безударного электрического торможения;

— Задержка включения не более 30 мс;

Упрощение схемы управления

— Дополнительные программируемые входы M1, M2, M3 могут использоваться для контроля сигналов концевых и (или) моментных выключателей для осуществления остановки электропривода в крайних положениях, а также для уплотнения задвижек;

— В пускателях БСТ-12Р/380−32 бесконтактные реле «Зк» и «Ок» могут использоваться для индикаторов состояния задвижек;

Для механизма подъема с асинхронным фазным электродвигателем марки 4MTF132L6 выбираем схему управления пускателя БСТ-12Р/380-32.

7. Построение механической характеристики

Частоту вращения магнитного поля асинхронного двигателя определяем по формуле:

где f — частота тока, f=50 Гц;

р — число пар полюсов, р=3.

об/мин.

Определяем номинальное скольжение ротора:

Определяем номинальный момент электродвигателя по формуле:

Н^.м.

Определяем критическое скольжение по формуле:

Строим механическую характеристику, n=f (M), по формуле Клосса:

Н^.м

59.4 Н^.м

140 Н^.м

136 Н^.м

128.4 Н^.м

119.6 Н^.м

110.6 Н^.м

95 Н^.м

Частоту вращения вала электродвигателя определяем по формуле:

n=1000 (1−0)=1000 об/мин

n=1000 (1−0.085)=915 об/мин

n=1000 (1−0.39)=610 об/мин

n=1000 (1−0.5)=500 об/мин

n=1000 (1−0.6)=400 об/мин

n=1000 (1−0.7)=300 об/мин

n=1000 (1−0.8)=200 об/мин

n=1000 (1−1)=0 об/мин

Составляем таблицу 2 с данными для построения зависимости n=f (M).

Таблица 2

По данным таблицы строим механическую характеристику двигателя (рис. 4.)

Определяем момент переключения:

Н^.м.

Определяем максимальный пусковой момент:

Н^.м.

Механическая характеристика двигателя.

8. Выбор преобразователя частоты

С точки зрения энергетики основным параметром электропривода является его мощность. Поэтому при выборе преобразователя частоты в первую очередь необходимо определить требования к его нагрузочной способности. Как правило, этот вопрос решается довольно просто: определяется номинальная мощность двигателя и выбирается преобразователь частоты на такую же мощность. Согласно условию, Р_НОМ=5.5кВт, выбираем векторный преобразователь частоты Е3−9100.

Векторный преобразователь частоты Е3−9100

Векторный преобразователь частоты без датчика обратной связи по скорости Е3−9100 может использоваться для управления приводом в большинстве существующих промышленных механизмов. В диапазоне мощностей от 0,75 до 15 кВт при решении многих задач он призван заменить более дорогие серии преобразователей EI-7011 и EI-9011.

Е3−9100 обеспечивает точность регулирования 0,2% и максимальный стартовый момент 200% на частоте 1 Гц, как при решении сложных задач (управление подъемными кранами, волочильными машинами, многомоторными установками, экструдерами и т. п.), так и при простых применениях (управление насосами, вентиляторами, транспортерами и т. п.).

Е3-9100 выгодно отличают:

Низкая цена при эффективном векторном управлении, режим автоматической настройки на двигатель без вращения, функция перераспределения механической нагрузки между двигателями в многодвигательных приводах, работающих от нескольких преобразователей, функция определения короткого замыкания на выходе перед пуском двигателя.

Схема подключения E3−9100

Краткие технические характеристики преобразователей частоты Е3-9100

Таблица 3

Построение семейства механических характеристик при частотном регулировании скорости.

При f=46 Гц

Частоту вращения магнитного поля асинхронного двигателя определяем по формуле:

об/мин

Определяем номинальное скольжение ротора:

Определяем критическое скольжение по формуле:

Находим значения М и n для построения характеристики:

Н^.м

Частоту вращения вала электродвигателя определяем по формуле:

n=920 (1−0)=920 об/мин

Составляем таблицу 4 с данными для построения зависимости n=f (M).

Таблица 4

При f=50 Гц

Частоту вращения магнитного поля асинхронного двигателя определяем по формуле:

об/мин.

Определяем номинальное скольжение ротора:

Определяем критическое скольжение по формуле:

Находим значения М и n для построения характеристики:

Н^.м

Частоту вращения вала электродвигателя определяем по формуле:

n=1000 (1−0)=1000 об/мин

Составляем таблицу 5 с данными для построения зависимости n=f (M)

Таблица 5

При f=55 Гц

Частоту вращения магнитного поля асинхронного двигателя определяем по формуле:

об/мин.

Определяем номинальное скольжение ротора:

Определяем критическое скольжение по формуле:

Находим значения М и n для построения характеристики:

Н^.м

Частоту вращения вала электродвигателя определяем по формуле:

n=1100 (1−0)=1100 об/мин

Составляем таблицу 6 с данными для построения зависимости n=f (M)

Таблица 6

По данным таблиц 4,5,6 строим семейство механических характеристик при частотном регулировании скорости:

Семейство механических характеристик при частотном регулировании скорости

Заключение

В соответствии с требованиями Правил устройства электроустановок и ГОСТ 12.1.019−79 для защиты персонала от случайного прикосновения к токоведущим частям электрооборудования предусмотрены следующие основные технические меры:

1. ограждение токоведущих частей;

2. применение блокировок электрических аппаратов;

3. установка в РУ заземляющих разъединителей;

4. устройство защитного отключения электроустановок;

5. заземление или зануление электроустановок;

6. выравнивание электрических потенциалов на поверхности пола в зоне обслуживания электроустановок;

7. применение разделяющих трансформаторов, применение малых напряжений;

8. применение устройства предупредительной сигнализации;

9. защита персонала от воздействия электромагнитных полей;

10. использование коллективных и индивидуальных средств защиты.

11. выполнение требований системы стандартов безопасности труда (ССБТ).

К защитным средствам относятся приборы, аппараты, устройства и инструмент, предназначенные для защиты персонала от поражения электрическим током. При вводе в эксплуатацию электроустановок напряжением до 1000 В предусматривается минимальная норма комплекта защитных средств:

Указатель напряжения — один, изолирующие клещи — один, диэлектрические перчатки и галоши — по две пары, электромонтерский инструмент с изолирующими ручками — не менее двух комплектов, переносные заземления — не менее двух штук, предупреждающие плакаты — не менее двух комплектов, диэлектрические коврики — два, временные ограждения — не менее двух комплектов, защитные очки — одна пара, противогаз — один.

Список литературы

механический электродвигатель преобразователь цикл

1) Яуре А. Д. Справочник. Крановый электропривод. — М.: 1988 г. — 344 с.

2) Научно-производственная фирма «Веспер». Руководство по эксплуатации.