Автоматизированный электропривод механизма подъёма мостового крана грузоподъёмностью 20 тонн со скалярным управлением

• 1. Технологическая часть
• 1.1 Описание промышленной установки и анализ технологического процесса
• 1.2Анализ взаимодействия оператор — промышленная установка
• 1.3 Анализ кинематической схемы, определение параметров и проектирование расчётной схемы механической части электропривода
• 2. Выбор системы электропривода И автоматизация промышленной установки
• 2.1 Литературный обзор по теме дипломного проекта
• 2.2 Формулирование требований к автоматизированному электроприводу и системе автоматизации
• 2.3 Определение возможных вариантов и выбор рациональной системы электропривода
• 2.4 Проектирование функциональной схемы автоматизированного электропривода
• 3. Выбор электродвигателя
• 3.1 Расчёт нагрузок и построение механической характеристики и нагрузочной диаграммы механизма
• 3.2 Предварительный выбор электродвигателя по мощности
• 3.3 Выбор номинальной скорости двигателя и типоразмера двигателя
• 3.4 Построение нагрузочной диаграммы электропривода
• 3.5 Проверка двигателя по нагреву и перегрузочной способности
• 4. Проектирование силовой схемы автоматизированного электропривода и выборкомплектного преобразователя электрической энергии
• 4.1 Определение возможных вариантов и обоснование выбора типа комплектного преобразователя
• 4.2 Расчет параметров и выбор элементов силовой цепи
• 4.3 Выбор датчиков регулируемых координат электропривода
• 5. Проектирование системы автоматического регулирования
• 5.1 Разработка математической модели автоматизированного электропривода
• 5.2 Расчёт параметров объекта управления
• 5.3 Определение структуры и параметров управляющего устройства
• 6. Анализ динамических и статических характеристик электропривода
• 6.1 Разработка программного обеспечения для компьютерного моделирования автоматизированного электропривода
• 6.2 Расчет и определение показателей качества переходных процессов
• 6.3 Построение статических характеристик электропривода
• 7. Окончательная проверка двигателя по нагреву с учетом точной нагрузочной диаграммы электропривода
• 8. Выбор и проектирование системы автоматизации производственной установки
• 8.1 Формализация условий работы установки
• 8.3 Разработка функциональной схемы, логической схемы
• 8.4 Выбор аппаратов
• 9. Проектирование узла системы автоматизированного электропривода
• 10. Проектирование схемы электроснабжения и защиты электроустановки
• 10.1 Выбор аппаратов, проводов и кабелей
• 10.2 Составление таблицы перечня элементов электрооборудования
• 11. Охрана труда
• 11.1 Требования безопасности при эксплуатации мостового крана
• 11.2 Требования безопасности к механизмам и аппаратам управления
• 11.3 Требования безопасности к приборам и устройствам безопасности
• 11.4 Требования безопасности к электрооборудованию
• 11.5 Требования безопасности к ограждениям
• 12. Экономическое обоснование технических решений
• 12.1 Общие сведения
• 12.2 Расчет начальных затрат
• 12.3 Определение эксплуатационных затрат
• 12.4 Анализ полученных технико-экономических показателей
• Заключение
• Список использованных источников

Крановое оборудование является одним из основных средств комплексной механизации всех отраслей народного хозяйства. Расширение отрасли машиностроения, занимающейся производством грузоподъемных машин, является важным направлением развития народного хозяйства для решения задачи всемерного сокращения и ликвидации тяжелого ручного труда.

В настоящее время грузоподъемные машины выпускаются большим числом заводов во многих отраслях народного хозяйства и эти машины используются практически во всех сферах народного хозяйства: при добыче полезных ископаемых, в металлургии, машиностроении, строительстве, на транспорте и др. Подавляющее большинство грузоподъемных машин, изготовляемых отечественной промышленностью, имеет электрический привод основных рабочих механизмов и поэтому эффективность действия этих машин в значительно степени зависит от качественных показателей используемого кранового электрооборудования.

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

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

Для обеспечения механизированной транспортировки ферромагнитных материалов промышленностью изготавливается две серии грузоподъемных электромагнитов. Производство кранового электрооборудования стало одной из важнейших отраслей электротехнической промышленности.

Для проведения практических инженерных расчетов в настоящее время созданы и внедрены в практику новые прогрессивные и доступные для широкого круга работников методы проектирования большинства крановых электроприводов, отражающие современные направления оптимизации систем и их технико-экономического обоснования.

автоматизированный электропривод крановое оборудование

1. Технологическая часть

1.1 Описание промышленной установки и анализ технологического процесса

Мостовой кран — кран мостового типа, мост которого опирается на надземный рельсовый крановый путь, а грузозахватный орган подвешен к грузовой тележке или электротали, перемещающейся по мосту. Мостовые краны общего назначения изготавливают грузоподъёмностью до 320 т, специального назначения — до 630 т, пролёты — 60 м, высота подъёма — 50 м. Краны общего назначения используют при монтаже оборудования, производстве ремонтных работ, для технологических работ в цехах основного производства, на складах, при перегрузочных работах.

Металлоконструкция мостового крана состоит из двух основных частей: моста и тележки. Мост перекрывает рабочий пролёт производственного помещения или склада. Он состоит из двух главных и двух концевых балок. Через ходовые колёса механизма передвижения мост опирается на надземные крановые рельсы. Последние закреплены на подкрановых балках, смонтированных на консолях колонн здания или крановой эстакады. Колёса приводятся через передаточный механизм одним или двумя электродвигателями. Ходовые колёса кранов выполняют двухребордными либо безребордными с горизонтальными направляющими роликами. На главных балках закреплены рельсы, по которым перемещается тележка с помощью своего привода. На её раме размещены один или два механизма подъёма груза, каждый из которых состоит из крюковой подвески, канатного полиспаста, барабана, передаточного механизма, тормоза и электродвигателя. Механизмами крана управляют из кабины, подвешенной к металлоконструкции моста, что позволяет иметь наилучший обзор и безопасность работы, а при необходимости — на тележке (имеет возможность автономно перемещаться вдоль пролёта крана).

При работе крана направления движения крана, тележки и крюка постоянно чередуются. Работа механизма подъёма состоит из периодов подъёма и опускания груза и периодов подъёма и опускания пустого крюка. Для увеличения производительности крана используют совмещение операций, например одновременное передвижение крана и тележки. Во время навешивания груза на крюк и освобождения крюка двигатель отключён и механизм подъёма не работает.

По назначению разнообразные грузоподъемные машины можно объединить в три группы:

универсальные грузоподъемные машины — краны, лебедки, тали, служащие для подъема и перемещения различных грузов при помощи крюкового подвеса на грузовом тросе;

грузоподъемные машины для выполнения определенных технологических операций в промышленности, на транспорте и в строительстве;

краны для выполнения строительных, монтажных и ремонтных работ, связанных с перемещением машинного оборудования.

В свою очередь, по условиям работы грузоподъемные машины могут быть условно разделены на следующие группы:

машины универсального назначения, используемые для работы в помещениях при повторно-кратковременном режиме и средней продолжительности работы до 16 ч в сутки;

машины универсального назначения, используемые для работы в помещениях при повторно-кратковременном режиме и средней продолжительности работы от 8 до 24 ч в сутки;

машины для выполнения определенных технологических операций, используемые как в помещениях, так и на открытом воздухе при повторно-кратковременном режиме и продолжительностью работы до 24 ч в сутки;

машины для выполнения разовых и эпизодических грузоподъемных операций, используемые в кратковременных и в повторно-кратковременных режимах с общим годовым числом часов работы не более 500.

Универсальные грузоподъемные машины изготавливаются с учетом различных условий использования по нагрузке и времени работы, интенсивности проведения операций, степени ответственности операций и в связи с этим могут быть дополнительно отнесены к нескольким усредненным категориям использования.

Механизмы для выполнения определенных технологических операций, а также механизмы для эпизодической работы имеют вполне определенные условия использования соответственно их назначению. С целью систематизации всего многообразия режимов работы грузоподъемных машин Госгортехнадзор установил следующие категории режимов работы механизмов с машинным приводом: легкий — Л; средний — С; тяжелый — Т; весьма тяжелый — ВТ.

Ряд кранов, предназначенных для технологических комплексов, в последнее время проектируется для использования при более сложных режимах работы электропривода по сравнению с режимом ВТ, определяемым действующей классификацией Госгортехнадзора. Этот режим характеризуется продолжительностью включения до ПВ=100% при числе включений в час 600 и выше. Для этих случаев вводится новая категория режима: особо тяжелый — ОТ. В настоящее время существует стандарт, предусматривающий пять категорий режимов, включая режим ОТ.

Скорости перемещения грузов определяют производительность и мощность механизмов и выбираются с учетом эффективности выполнения грузоподъемных операций, т. е. получения необходимого времени операции при наименьшей первоначальной стоимости механизмов крана. Выбор оптимальной скорости является важной задачей, необходимое решение которой может быть найдено только на основе учета факторов производительности, затрат энергии, возможности и эффективности регулирования скорости, а также технико-экономической оценки системы регулирования.

За последние годы были проведены исследования, связанные с оптимизацией скоростных параметров быстроходных грузоподъемных машин. В результате этих исследований установлено, что при повышении скоростей до определенных пределов производительность машин растет вместе со скоростью, однако при дальнейшем повышении скоростей может произойти снижение производительности за счет увеличения времени разгона и торможения механизмов крана.

Анализ скоростных параметров показывает, что для каждого вида механизмов (подъема, поворота и горизонтального перемещения) имеются пределы скоростей, превосходить которые нецелесообразно.

Скорости грузоподъемных механизмов выбираются исходя из следующих предпосылок:

номинальная скорость определяется условиями технологического процесса, т. е. временем выполнения цикла;

номинальная скорость ограничивается мощностью питающей сети или возможностью установки приводного двигателя определенных размеров;

номинальная скорость является функцией диапазона регулирования при заданной минимальной скорости механизма.

номинальная скорость должна обеспечить наибольшую производительность при наименьших затратах энергии.

Для всех перечисленных случаев, кроме первого, предельное значение скорости не должно превышать установленных значений, а для четвертого случая это значение и является искомым. Для первого случая скорость может иметь любое необходимое значение, но при этом следует иметь в виду, что при превышении определенных значений скоростей время операции сокращаться не будет, если не будут применены системы со специальными параметрами регулирования.

При выборе номинальной скорости иногда решающее значение имеют минимальные скорости, определяемые технологией переработки разнообразных грузов. В настоящее время для большинства технологических процессов переработки грузов получены оптимальные значения минимальных скоростей для точной установки грузов. Пользуясь этими значениями, можно при заданной номинальной скорости установить требуемые диапазоны регулирования скорости либо для известного и достижимого диапазона регулирования выбрать номинальную скорость.

Выбор промежуточных фиксированных скоростей, прежде всего, зависит от способностей человека воспринять разницу скоростей соседних фиксированных положений и на основе восприятия этой разницы осуществлять последующие операции управления. Практикой установлены значения ступеней нарастания скоростей механизмов подъема. Регулирование скорости механизмов горизонтального перемещения в промежутке между максимальной и минимальной скоростями часто осуществляется путем изменения интенсивности разгона или торможения с учетом необходимых ускорений.

Производительность и число включений в час грузоподъемных машин неразрывно связаны со скоростными параметрами. Производительность машин соответствует времени завершения операции по переработке груза. Сокращение времени одной операции при определенной траектории движения груза определяет повышение производительности машины. Каждая машина может иметь фактический или условный цикл проведения грузоподъемной операции.

Под полным циклом грузоподъемной операции следует иметь в виду застроповку груза, выбирание слабины каната, подъем груза и его перемещение в необходимую точку, спуск и установку груза, расстроповку я обратное перемещение для начала новой операции. При этом механизмы грузоподъемного устройства имеют минимально необходимое обязательное число включений. Однако по разным причинам в течение цикла оператор производит еще ряд дополнительных включений, связанных с несовершенством системы регулирования, колебаниями груза на гибкой подвеске, недостаточным опытом управления и т. п. Количество таких дополнительных включений может в 2−4 раза превысить число необходимых включений.

Важной задачей разработки высокоэффективных грузоподъемных машин является приближение фактического числа включений к минимально необходимому. В настоящее время наиболее качественные системы регулирования позволяют обеспечить выполнение операций со средним числом включений лишь в 1,5 раза большим минимально необходимого, в то время как наиболее массовые системы параметрического регулирования требуют до 20−30 включений на один цикл перемещения груза, что в 5−6 раз превышает минимально необходимое число включений. Число включений в час у различных механизмов может составлять от 40−60 при режиме Л; до 500−600 — для режима ВТ. При создании и освоении производства систем управления, обеспечивающих устойчивые скорости с широким диапазоном их изменения, происходит общая тенденция снижения числа включений механизмов при одновременном повышении производительности перегрузочных работ.

В данном проекте мы выбираем двухбалочный мостовой кран, который относится к среднему режиму работы с грузоподъёмностью до 20 тонн, который осуществляет подъём и перемещение грузов в ремонтно-механических и сборочных цехах со следующим циклом работы:

1. Подъём номинального груза с номинальной скоростью на расчетную высоту;

2. Пауза (перемещение груза в заданное место);

3. Опускание номинального груза с расчетной высоты на нулевую отметку с номинальной скоростью;

4. Пауза (разгрузка);

5. Подъём пустого крюка на расчетную высоту с повышенной скоростью;

6. Пауза (перемещение крана в исходное положение);

7. Опускание пустого крюка с расчетной высоты на нулевую отметку с повышенной скоростью;

8. Пауза (загрузка).

1.2Анализ взаимодействия оператор — промышленная установка

Взаимодействие оператора с промышленной установкой может осуществляться с панели управления, расположенной в кабине так и дистанционно. При помощи кнопки «Аварийный останов» производится отключение крана. Пульт управления представляет собой блок с кнопками, на которых нанесены символы.

Системы управления крановыми механизмами относятся к категории устройств, находящихся под непрерывным контролем оператора, т. е. в этих системах выбор момента начала операции, скоростных параметров и момента окончания, операции осуществляется лицом, управляющим механизмом. В свою очередь система управления должна обеспечивать необходимую последовательность переключений для реализации желаемых скоростных параметров, предотвратить при этом недопустимые перегрузки и обеспечить необходимую защиту.

Все многообразие различных систем управления может быть разделено на следующие группы. По способу управления:

управляемые непосредственно командоконтроллерами, где весь процесс управления, включая выбор необходимых ускорений, осуществляется исключительно оператором;

управляемые кнопочными постами, где возможности управления ограничены конструктивными особенностями поста;

управляемые сложным комплектным устройством (магнитным контроллером с использованием преобразователя энергии или без него). В этом случае оператор выбирает только необходимые скорости, а процессы разгона, торможения и необходимые промежуточные переключения осуществляются автоматически.

При улучшении условий труда крановщика повышается производительность труда и обеспечивается большая безопасность при производстве работ. При создании крана, компоновке рабочего места (кабины управления, разработке пультов и органов управления) учитывают требования эргономики — совокупность требований, предъявляемых к условиям труда, производственной среде и средствам производства.

В данном проекте мы из всех систем управления выбираем систему, где основное управление краном осуществляется оператором из кабины с помощью командоконтроллеров, которые являются аппаратами ручного управления и предназначаются для дистанционного управления крановыми механизмами.

1.3 Анализ кинематической схемы, определение параметров и проектирование расчётной схемы механической части электропривода

Технические данные к проекту:

Максимальная высота подъема ;

Номинальная скорость ;

Масса крюка ;

Диаметр барабана ;

Кратность полиспаса ;

Передаточное число редуктора ;

Момент инерции барабана ;

Номинальный к. п. д. передачи %;

Скорость крюка; ПВ=40%.

Грузоподъемность 20 тонн

Механизм подъема груза (рисунок 1.1) состоит из крюковой подвески, полиспаста, барабана, передаточного устройства (редуктора, муфт, валов), тормоза и электродвигателя. Узлы механизма смонтированы на металлоконструкции крана. Грузовой канат от схода с блоков предохраняется жесткими и отодвигающимися ограничителями.

1 — электродвигатель; 2 — муфта; 3 — тормоз; 4 — редуктор; 5-барабан; 6 — полиспаст.

Рисунок 1.1 — Кинематическая схема механизма подъема

2. Выбор системы электропривода И автоматизация промышленной установки

2.1 Литературный обзор по теме дипломного проекта

Значительная роль в осуществлении комплексной механизации и автоматизации производственных процессов, ликвидации ручных погрузочно-разгрузочных работ принадлежит подъемно-транспортному машиностроению. Существенное сокращение тяжелого труда при перегрузочных работах осуществляется главным образом путем автоматизации грузозахватных операций, точной установки грузов, а также автоматизации процессов управления грузоподъемными машинами. Поскольку эти задачи решаются с помощью электропривода, то значение совершенствования и внедрения современных электроприводов постоянно возрастает.

В крановом электроприводе в настоящее время широко применяют как полностью тиристорные системы регулирования, так и различные неуправляемые и управляемые полупроводниковые выпрямители, а также отдельные силовые полупроводниковые приборы, что позволяет при сравнительно невысоких затратах получать системы с достаточно значительным регулированием скорости перемещения механизмов. Для сокращения эксплуатационного персонала применяют системы управления грузоподъемными машинами, в частности кранами, по радиоканалу (дистанционно). В этих системах максимальный эффект достигается также при обеспечении устойчивого регулирования скорости.

Основное внимание уделяется новым методам выбора электрооборудования для кранов с учетом уже введенной новой классификации нагружения механизмов и электрооборудования, а также новым системам управления, включая управление по радиоканалу, и различным системам регулирования скорости.

Механизмы подъема мостовых кранов относятся к механизмам циклического действия с активной нагрузкой. В общем случае цикл работы этих механизмов определяется технологическим процессом, но на выбор приводных двигателей существенное влияние оказывают динамические режимы: пуск, реверс, торможение.

Подавляющее большинство грузоподъемных машин, изготовляемых отечественной промышленностью, имеет электрический привод механизмов, и поэтому эффективность действия и производительность этих машин в значительной степени зависят от качественных показателей используемого кранового электрооборудования. Современный крановый электропривод за последнее время претерпел существенное изменение в структуре и применяемых системах управления.

Для наиболее массовых кранов общего назначения начинают широко применяться электроприводы на основе короткозамкнутых двигателей, значительная часть кранов изготовляется с управлением с пола, а быстроходные краны для тяжелых режимов работы комплектуются различными тиристорными системами, обеспечивающими глубокое регулирование скорости, плавность пуска и торможения при постоянно повышающихся требованиях к экономии энергоресурсов.

Большинство грузоподъемных кранов характеризуется постоянно меняющимися условиями использования при переработке грузов, и поэтому механизмы кранов, имеющие в своем составе электроприводы, должны быть в максимальной степени приспособлены к постоянно видоизменяющейся работе с грузами, разнообразными по массе, размерам, форме, и в условиях производственных помещений или на открытых грузовых площадках.

Чрезвычайно широкий диапазон изменения нагрузок практически любого из крановых электроприводов является одним из главных факторов, требующих особого подхода к выбору расчетных параметров приводных электродвигателей, аппаратуры управления и защиты.

2.2 Формулирование требований к автоматизированному электроприводу и системе автоматизации

При выборе структуры электропривода следует учитывать особенности технологического процесса, требования надежности, гибкости в управлении, удобства наладки. К электроприводам механизмов подъема мостовых кранов, которые в большинстве случаев управляются оператором, предъявляются жесткие требования к простоте их эксплуатации и надежности при обеспечении необходимого диапазона регулирования скорости. Диапазон регулирования при подъеме и опускании номинального груза определяется минимальной скоростью при посадке грузов. Величина этого диапазона зависит от технологического процесса и номинальной грузоподъемности крана. Так, для кранов грузоподъемностью более 20 тонн среднего режима работы диапазон регулирования D, при этом при подъёме и опускании пустого крюка скорость должна быть в 1,5−2 раза больше, чем скорость при подъёме номинального груза. Важным требованием для электроприводов указанного класса является плавное изменение скорости в переходном процессе, что резко снижает рывок и, следовательно, уменьшает амплитуду раскачивания груза.

Для выполнения отмеченных требований система управления электроприводом должна быть полу — или полностью автоматической, особенно при работе в переходных режимах.

Основные требования к системе электропривода мостового крана можно сформулировать так:

На первых положениях контроллера подъема двигатель должен развивать такой пусковой момент, чтобы исключалась возможность спуска номинального груза при напряжении питающей сети 90% номинального и в то же время желательная минимальная скорость составляла при наименьшей нагрузке не более 30% номинального значения.

При перемещении рукоятки командоконтроллера в направлении снижения скорости последняя не должна повышаться даже кратковременно. Это в первую очередь относится к переключению с первого положения в нулевое, когда запаздывание механического торможения не должно приводить к повышению малой скорости спуска.

Система электрического торможения должна иметь необходимый запас, обеспечивающий надежное замедление груза, равного 125% номинального, при напряжении питающей сети 90% номинального.

Движение груза должно происходить только в направлении, устанавливаемом командоаппаратом, да же при неисправностях в схеме. В последнем случае груз может оставаться неподвижным.

Выбор системы электропривода для крановых механизмов осуществляется на основе анализа сравнительных показателей.

Экономическая оценка систем электропривода должна базироваться на принципе минимальных расходов, связанных с первоначальными затратами, эксплуатационными затратами на ремонт, а также затратами энергии, потребляемой из сети на разгон и торможение крановых механизмов за период эксплуатации до капитального ремонта (10 лет).

Экономическая оценка может быть осуществлена расчетом по определённой методике. Выбирается система, обладающая наилучшими экономическими показателями. Если экономические показатели сравниваемых систем близки (расхождение не превышает 15%), то производится дополнительная оценка по массогабаритным показателям и условиям размещения электрооборудования. Существенным требованием к электроприводу механизма подъёма является обеспечение надежного торможения при действии активного момента нагрузки. При этом, в целях энергосбережения, целесообразно применять рекуперативное торможение, особенно при мощностях двигателей более 30 кВт.

2.3 Определение возможных вариантов и выбор рациональной системы электропривода

Для регулируемых крановых электроприводов с диапазоном регулирования скорости более 20: 1 наиболее применимы следующие системы электропривода:

1. Система с тиристорным преобразователем напряжения (система ТП-Д);

2. Система с тиристорным регулятором напряжения (ТРН-АД);

3. Система с преобразователем частоты (система ПЧ-АД);

4. Система с асинхронным двигателем и импульсным регулятором в цепи выпрямленного тока без рекуперации энергии скольжения (система АД-ИР);

5. Система с асинхронным двигателем и импульсным регулятором в цепи выпрямленного тока с рекуперацией энергии скольжения в сеть (система АД-ИР-И).

В этой работе выполнен сравнительный анализ энергетических и экономических показателей названных систем крановых электроприводов, причем более эффективной считается та система электропривода, которая потребляет меньше электроэнергии при выполнении единицы механической работы технологического цикла.

В цикл работы крана входят этапы подъёма груза, перемещения его на необходимое расстояние, опускания груза и пауза для строповки. Задана стандартная продолжительность включения ПВ=40%, причем в цикле работы имеются участки движения с пониженной скоростью.

При определении рациональных границ применения системы электропривода следует оценивать не только энергетические показатели сравниваемых систем, но и годовые приведенные затраты.

Исходя из того, что рассматриваемый нами кран, который осуществляет подъём и перемещение грузов в ремонтно-механических и сборочных цехах, относится к среднему режиму работы с грузоподъёмностью до 20 тонн с мощностью двигателя механизма подъёма более 55 кВт и диапазоном регулирования D, то на основании изложенного можно обоснованно принять в качестве рациональной системы электропривода подъёма мостового крана систему ПЧ-АД.

Кроме того, следует учесть, что система ПЧ-АД лучше приспособлена для реализации дистанционного телемеханического управления, чем другие системы электропривода.

2.4 Проектирование функциональной схемы автоматизированного электропривода

Для реализации закона ₁=const в качестве функциональной схемы возьмём схему преобразователя частоты с асинхронным двигателем, регуляторами напряжения и частоты, задатчиком интенсивности, функциональным преобразователем, датчиком тока и обратной связью по току.

Функциональная схема автоматизированного электропривода представлена на рисунке 2.1

Рисунок 2.1 — Функциональная схема ЭП

ЗИ - задатчик интенсивности;

РЧ - регулятор частоты;

РН — регулятор напряжения;

ФП — функциональный преобразователь;

ПЧ — преобразователь частоты;

ДТ — датчик тока;

АД - асинхронный двигатель

3. Выбор электродвигателя

3.1 Расчёт нагрузок и построение механической характеристики и нагрузочной диаграммы механизма

Технологические параметры механизма:

номинальная скорость подъёма 0,35 м/с;

максимальная высота подъёма 16,5 м;

продолжительность включения 40%.

Технологический процесс представляет собой цикл, состоящий из: подъёма крюка, опускания груза, загрузки, подъёма груза на высоту шести метров, опускания груза, разгрузки.

Статическая мощность при подъёме груза:

где m_к — масса крюковой подвески, кг, m_{ном -} номинальная масса груза, кг, v_ном — номинальная скорость подъёма (опускания) груза, м/c, з_пном — номинальный КПД кинематической схемы, равный произведению её отдельных элементов, g — ускорение силы тяжести, м/с²

Статическая мощность при опускании груза:

Статическая мощность при подъёме крюка:

_{п -} КПД передачи, величина которого зависит как от кинематической цепи, так и от величины загрузки и определяется как

где — коэффициент, принимаемый равным 0,07

k_з - коэффициент загрузки

Статическая мощность при опускании крюка:

Рассчитаем теперь время выполнения технологических операций:

t_р = 2*47.1+2*23.6 = 141.5 с

Рассчитаем время цикла:

Поскольку t_ц = 5.89 мин <10 мин, то режим работы повторно-кратковременный.

Суммарное время пауз:

Уt_о = t_ц — t_р =353,8 — 141,5 = 212,3 с

Уt_о = t₀₁+ t₀₂+ t₀₃+ t₀₄

Примем t₀₁ = t₀₃ = 53 с, t₀₂ = t₀₄ = 53 с

По результатам расчётов строим скоростную и нагрузочную диаграммы механизма.

Рисунок 3.1 — Скоростная и нагрузочная диаграммы механизма

3.2 Предварительный выбор электродвигателя по мощности

Определяем эквивалентную мощность. Статическая эквивалентная мощность за рабочий период:

Пересчитаем эту мощность на ПВ=100%:

Р_сэ (ПВ=100%) = Р_сэ (ПВ=40%)

3.3 Выбор номинальной скорости двигателя и типоразмера двигателя

Р_расч = Р_сэ * К_зап = 45 331 * 1,2 = 54 397,2Вт

где К_зап=1,05 — коэффициент запаса

Из формулы находим :

;

Из каталога в соответствии с принятым Р_расч выбираем двигатель так, чтобы Р_н Р_расч. Выбираем двигатель 4АН280М10У3 на синхронную скорость n_о=600 об/мин.

Параметры выбранного двигателя из каталога [1]:

номинальная мощность Р_н = 55 кВт,

номинальное напряжение U_н = 380/220 В

номинальное скольжение s_ном= 0.5%

номинальный кпд _ном = 90,5%,

номинальный коэффициент мощности cos ц_ном=0,81%

кратность максимального момента

кратность пускового момента

критическое скольжение s_к= 10%

кратность пускового тока I_п/I_ном= 5

момент инерции двигателя J_дв = 4,0 кг м².

Параметры схемы замещения двигателя в относительных единицах:

Рассчитаем параметры электродвигателя:

Сопротивление фазы, Ом

где — номинальный фазный ток статора, А

Индуктивное сопротивление короткого замыкания, Ом

3.4 Построение нагрузочной диаграммы электропривода

Нагрузочная диаграмма электропривода используется для предварительной проверки двигателя по нагреву и перегрузочной способности. Сначала определим суммарный момент инерции электропривода в случае подъёма крюка (J₂) и груза (J₁).

С целью ограничения динамических нагрузок, обеспечения надёжного сцепления механизмов передвижения с рельсами и канатов со шкивами в подъёмнике, а также формирования требуемых переходных процессов ускорения механизмов ограничивается. Линейное ускорение принимаем: а_доп=0,2 м/с².

Номинальная скорость двигателя:

рад/с

Радиус приведения:

м/рад

Допустимое угловое ускорение (замедление):

рад/с²

Принимаем момент инерции барабана задан: J_б = 1200кг*м²

Момент инерции электропривода при подъёме груза:

кг*м

где

д= 1,2 — коэффициент, учитывающий момент инерции вращающихся частей механизма

Момент инерции электропривода при подъёме крюка:

кг*м²

Время разгона при подъёме и опускании крюка:

Динамический момент электропривода М_дин определим, принимая линейный закон изменения скорости.

М_дин = = J ,

Динамический момент электропривода :

= * _доп= 9.46 * 35.71 = 337.81 Н*м

= * _доп = 8.82* 35.71 = 315 Н*м

На каждом интервале нагрузочной диаграммы момент двигателя будем рассчитывать по следующей формуле:

М = М_с + М_дин = М_с + J

Рассчитаем статические моменты на всех этапах цикла:

Электромагнитный момент при разгоне и опускании крюка:

Электромагнитный момент при опускании крюка с постоянной скоростью:

Электромагнитный момент при торможении и опускании крюка:

Электромагнитный момент при разгоне и подъёме груза:

Электромагнитный момент при подъёме груза с постоянной скоростью:

Электромагнитный момент при торможении и подъёме крюка:

Электромагнитный момент при разгоне и опускании груза:

Электромагнитный момент при опускании груза с постоянной скоростью:

Электромагнитный момент при торможении и опускании груза:

Электромагнитный момент при разгоне и подъёме крюка:

Электромагнитный момент при подъёме крюка с постоянной скоростью:

Электромагнитный момент при торможении и подъёме крюка:

По результатам расчётов строим диаграмму электропривода.

Рисунок 3.2 — Нагрузочная и скоростная диаграммы электропривода

3.5 Проверка двигателя по нагреву и перегрузочной способности

Упрощенная нагрузочная диаграмма электропривода используется для проверки двигателя по нагреву и перегрузочной способности. Электропривод работает в циклическом режиме с переменной нагрузкой. Для проверки двигателя по нагреву используем метод эквивалентного момента. Условием правильного выбора двигателя по нагреву будет:

M_э M_ном.

В повторно-кратковременном режиме эквивалентный момент определяется только для рабочих участков.

Гдемомент на i-м интервале,

— продолжительность работы на i-м интервале

n-число рабочих интервалов в цикле,

m-количество интервалов спуска и торможения,

N-количество интервалов установившегося движения,

— продолжительность пуска (торможения) на i-м интервале,

— коэффициент, учитывающий ухудшение охлаждения при пуске (торможении),

— продолжительность установившегося движения на i-м интервале.

где в_о — коэффициент ухудшения условий охлаждения самовентилируемого двигателя при отключении

Этот эквивалентный момент найден при ПВ=40%, пересчитаем его на ПВ=100%:

Номинальный момент двигателя:

М_эМ_ном

577 880 — двигатель будет удовлетворять условиям нагрева.

Окончательную проверку мы проведем согласно заданию в седьмом пункте

По приближенной нагрузочной диаграмме также проверяется двигатель по перегрузочной способности, т.к. максимальный момент в нагрузочной диаграмме равен 1752, то:

Следовательно, двигатель по перегрузочной способности подходит.

4. Проектирование силовой схемы автоматизированного электропривода и выборкомплектного преобразователя электрической энергии

4.1 Определение возможных вариантов и обоснование выбора типа комплектного преобразователя

В качестве комплектного преобразователя можно использовать преобразователь частоты со скалярным управлением, либо с векторным управлением. Так как у нас преобразователь должен обеспечивать небольшой диапазон регулирования, то для наших целей подходит частотный преобразователь со скалярным управлением.

Силовая часть преобразователя должна иметь в своем составе следующие компоненты: выпрямитель, инвертор, фильтр, резистор торможения, узлы защит.

Так как амплитуда напряжения и частота регулируется преобразователем в инверторе, то выпрямитель может быть выполнен на диодах, а при неуправляемом выпрямителе схема должна иметь тормозной резистор.

Исходя из тока и мощности выбранного нами двигателя, выбираем преобразователь.

В настоящее время существует много преобразователей, которые отвечают нашим требованиям, например Hitachi, Siemens, ABB и многие другие.

Принципиальных различий между ними нет, единственное их отличие это их цена и качество.

Выбираем комплектный преобразователь фирмы ABB типа ACS 601−0070−3. Технические данные выбранного преобразователя:

номинальная мощность, 55кВт;

номинальный выходной ток преобразователя, 115А;

ток кратковременной перегрузки, 123A;

трехфазное напряжение питания, 380, 50Гц

масса преобразователя, 50 кг;

fk= 1 кГц.

4.2 Расчет параметров и выбор элементов силовой цепи

Силовая цепь, выбранного нами преобразователя частоты имеет следующий состав:

выпрямитель — в качестве элементов выпрямителя используются диоды;

инвертор — в качестве ключей инвертора используется комплект IGBT транзисторов с возвратными диодами, регулирование частоты на выходе инвертора осуществляется путем изменения частоты переключения ключей инвертора, а регулирование величины напряжения на выходе инвертора осуществляется за счет широтно-импульсной модуляции;

блок торможения — используется для резистивного частотного торможения;

LC-фильтр — для фильтрации напряжения;

анодные реакторы — используются для фильтрации коммутационных помех и ограничения скорости нарастания тока короткого замыкания.

цепи защиты от перенапряжений;

токоограничивающее сопротивление;

Исходя из выше cказанного, силовая схема электропривода имеет вид, показанный на рисунке 4.1.

Схема силовой части электропривода представлена на рисунке 4.1 и включает в себя следующие силовые элементы:

L1…L3 — токоограничивающие реакторы, предназначенные для ограничения скорости нарастания тока;

R-тормозное сопротивление;

C-емкость выпрямителя;

VT1…VT6 — транзисторы силового блока инвертора;

R-токоограничивающее сопротивление;

VD1…VD6 — диоды выпрямителя.

VD7…VD12-обратные диоды инвертора;

ДТ-датчик тока;

ЦЗП — цепи защиты от перенапряжений;

L-cглаживающий дроссель.

Рисунок 4.1 — Принципиальная схема силовой цепи электропривода

В качестве силовых ключей рекомендуется использовать модули IGBT, в состав которого входят биполярные транзисторы с изолированными затворами и обратные диоды. Предварительный выбор:

Номинальный фазный ток статора:

. (4.1)

Средний ток через силовой ключ:

I_{н. ср.}? k_з^. I_max, (4.2)

где k_з — коэффициент запаса, учитывающий перегрузку по току при коммутации ключа, k_з =2;

I_max — амплитудное значение тока в плече силовой цепи инвертора:

(4.3)

где I_ном — номинальный ток двигателя, А.

Выражение (4.2) примет вид:

I_{н. ср.}? 2^.164.2 = 322.4 А. (4.4)

Рабочее напряжение на силовом ключе:

U_раб.? U_max + U_{п. н.,} (4.5)

где U_max — амплитудное значение напряжения в силовой цепи инвертора, В;

U_{п. н. -} коммутационное перенапряжение на ключе, В.

В,

где U_л = 380 В — линейное напряжение сети.

С учетом рекомендаций принимается значения перенапряжения U_{п. н.} =600 В.

Выражение (4.5) принимает вид:

U_раб.? 537,4 + 600 = 1137,4 В. (4.6)

На основании выражений (4.4) и (4.6) по каталогу выбираются силовые модули IRGPH50KD2 в виде полумоста с обратными диодами.

Максимально допустимое напряжение, прикладываемое к вентилю, не должно превышать допустимого значения повторяющегося импульсного напряжения:

(4.7)

где :

— коэффициент запаса по напряжению,

— коэффициент, учитывающий возможное повышение напряжения в сети;

— максимальное обратное напряжение на вентиле;

где U_{ф -} значение напряжения питающей сети, U_ф = 220 В;

.

Произведем выбор конденсаторов силового фильтра:

Суммарная емкость конденсаторов силового фильтра:

(4.8)

где U_{d -} среднее значение выпрямленного напряжения, В:

Т_{н =0,001} — постоянная времени нагрузки (частота коммутации транзисторов), с;

R_{н=0,069 Ом -} активное сопротивление нагрузки, Ом;

U_{с -} допустимое повышение напряжения на конденсаторе.

Среднее значение выпрямленного напряжения:

U_d = k_сх. U_ф = 2,34^.220 = 514,8 В,

где U_ф =220 В — фазное напряжение сети;

k_сх = 2,34 — коэффициент схемы для трехфазного выпрямителя.

Допустимое повышение напряжения на конденсаторе:

U_с = 0,1^. U_d = 0,1^.514,8= 51,5 В.

Активное сопротивление нагрузки:

R_н=3R₁/2=3^.0, 069/2=0,1 Ом.

Выражение (4.13) примет вид:

Ф.

Определяется максимальное допустимое напряжение на конденсаторе:

; (4.9), В.

На основе результатов полученных из выражений (4.8) и (4.9) выбираются конденсаторы силового фильтра.

4.3 Выбор датчиков регулируемых координат электропривода

Датчик тока для частотного управления асинхронным двигателем с IR-компенсацией надо выбрать на основе измерения мгновенных значений токов в фазах АД, затем сформировать сигнал действующего значения тока фазы.

Выбираем 3 датчика тока производства фирмы «LEM» на основе элементов Холла серии HAS по номинальному току статора (I_Н=114 А).

Основные технические данные датчика тока типа HAS 120 S/SP1:

Номинальный первичный ток, I_PN=120 А;

Диапазон преобразования, А;

Напряжение питания, +5 В.

Рисунок 4.2 — Характеристика датчиков тока серии HAS

5. Проектирование системы автоматического регулирования

5.1 Разработка математической модели автоматизированного электропривода

В настоящее время сформировался новый подход к построению систем асинхронного электропривода с преобразователем частоты, основанный на полных дифференциальных уравнениях асинхронного двигателя, записанных на базе теории обобщенной электрической машины. Такой подход позволяет построить структуру системы управления частотным электроприводом, называемую системой частотного управления, и осуществить анализ и синтез асинхронного электродвигателя более простыми методами. Для этой цели управляемые координаты электропривода, измененные в неподвижной системе координат, преобразуются к вращающейся системе координат, в которой координаты электропривода рассматриваются как векторные величины. Из этих величин, расположенных в виде проекций на вращающиеся оси координат, путем координатных преобразований выделяются пропорциональные или постоянные величины координат электропривода, которые используются в качестве сигналов управления в системе электропривода. Дифференциальные уравнения для обобщенной машины записываются в различных системах координат. Приняты оси координат, неподвижные относительно статора и оси , — неподвижные относительно ротора. Запись уравнений в этих осях является частным случаем математического описания процессов машины. В общем случае уравнения записываются относительно произвольных координатных осей, например, , вращающихся со скоростью, из которых можно получить любые частные случаи работы электрической машины. Если принять ось за действительную, а ось — за мнимую, то дифференциальные уравнения могут быть записаны в векторной форме.

Характеристики должны соответствовать заданным условиям погрузки и разгрузки. Поскольку операции чередуются, характеристики должны изменяться либо искусственным путем ручного или автоматического управления параметрами, либо благодаря свойству самоуправления. Все агрегаты в необходимой мере свойствами самоуправления не обладают, поэтому характеристики необходимо изменять искусственно при помощи систем автоматического управления, так как при ручном управлении его необходимое качество не обеспечивается. Системы управления должны непрерывно обеспечивать такие характеристики агрегатов, при которых производительность крана максимальна.

Математическая модель двухфазного асинхронного двигателя в осях uвид:

_{к -} скорость системы координат;

i, i_u — составляющие тока;

_u — потокосцепления;

R₁ — сопротивление статора;

M — электромагнитный момент двигателя;

L₁, L_{2 -} индуктивности фаз статора и ротора;

L₁₂ — индуктивность взаимоиндукции;

U₁ — напряжение на статоре.

Все переменные этой модели меняются с частотой тока статора.

Имитационная модель двухфазного асинхронного двигателя в осях — имеет вид:

Динамические свойства системы ПЧ-АД как объекта управления менее благоприятны, чем динамические свойства регулируемых электроприводов постоянного тока, в связи с отсутствием независимого канала регулирования потока, аналогичного обмотке возбуждения двигателя с независимым возбуждением.

Так, при питании от источника напряжения потокосцепления _1,2,м сложно зависят от напряжения U₁, частоты f₁ и абсолютного скольжения s_а.

5.2 Расчёт параметров объекта управления

Определим коэффициенты К₁, К_{2, К3, К4, К5}, К₆, для двухфазной модели АД для этого рассчитаем необходимые параметры:

индуктивность статора

— индуктивность ротора

— взаимная индукция

эквивалентная индуктивность цепи статора

.

5.3 Определение структуры и параметров управляющего устройства

При регулировании напряжения АД по закону обеспечивается постоянство модуля жесткости механических характеристик в.

Структурная схема автоматизированного электропривода представлена на рисунке 5.2.

Рисунок 5.2 — Структурная схема автоматизированного электропривода

В такой системе САУ должна обеспечить амплитуду выходного напряжения ПЧ:

где К_у — коэффициент усиления системы управления;

— относительная частота;

е_{sном -} сигнал номинальной ЭДС статора

;

— действующее номинальное значение ЭДС статора;

i_{1 -} сигнал тока статора

;

I_{1 -} действующее значение тока статора.

6. Анализ динамических и статических характеристик электропривода

6.1 Разработка программного обеспечения для компьютерного моделирования автоматизированного электропривода

Компьютерное моделирование проектируемой установки производим в среде математического моделирования MATLAB 6.0, с использованием библиотеки Simulink. Модель построена на основе уравнений 5.1.

Рисунок 6.1 — Имитационная модель электропривода

На рисунке 6.1 показана схема моделирования, электропривода, состоящего из асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором и преобразователя частоты.

Реализация задатчика интенсивности

Рисунок 6.2 — -Схема реализации задатчика интенсивности

Блок Saturation обеспечивает линейное нарастание сигнала, релейный блок выполняет функцию ограничения сигнала, коэффициент — К — служит для регулировки интенсивности нарастания, то есть достижения необходимой скорости двигателя с определённым ускорением. На вход задатчика интенсивности подаётся ступенчатый сигнал U управления, который суммируется с выходным сигналом интегратора. На выходе задатчика получаем сигнал управления, который поступает на регулятор частоты и функциональный преобразователь.

6.2 Расчет и определение показателей качества переходных процессов

Скорость при пуске отрабатывается с перерегулированием, равным:

.

Время регулирования t.

Произведем моделирование переходных процессов для механизма подъема крана. В результате моделирования были получены следующие графики переходных процессов:

Рисунок 6.3 — Подъем груза

Рисунок 6.4 — Опускание груза

Рисунок 6.5 — Подъем крюка