Электропривод механизма подъёма мостового крана с асинхронным двигателем с фазным ротором

    Министерство  образования Республики Беларусь

    Белорусский Национальный Технический Университет 

    Факультет Информационных Технологий и Робототехники 

    Кафедра «ЭАПУ и ТК» 
 
 
 
 
 
 
 

    КУРСОВОЙ ПРОЕКТ 

    по  дисциплине: «Теория электропривода» 

    на  тему: «Электропривод механизма подъёма мостового крана

        с асинхронным  двигателем с фазным ротором» 
         
         
         
         
         
         
         

    Выполнил:  
     
     

    Руководитель:    Фираго Б.И. 
     
     
     
     
     
     

Минск 2010

 

СОДЕРЖАНИЕ 
 

 

  1. ОПИСАНИЕ  РАБОТЫ МЕХАНИЗМА

   В данном курсовом проекте рассматривается  методика выбора электродвигателя для электропривода механизма подъема мостового крана с асинхронным двигателем с фазным ротором.

   Кинематическая  схема привода механизма приведена  на рисунке 1.1.

     

      Рисунок 1.1 Кинематическая схема механизма

   Исходные  данные

     Наименование  параметра Значение
  Грузоподъемность 12500
  Масса крюка  250
  Высота  подъема  15
  Скорость  подъема  0,15
  Посадочная  скорость 0,03
  Диаметр барабана 0,4
  Номинальный КПД передачи 90
  Кратность полиспаста 2
  Продолжительность включения 25
 

    Цикл работы:

    1. опускание крюка с высоты 15м;
    2. загрузка;
    3. подъем номинального груза на высоту 15м;
    4. перемещение;
    5. опускание номинального груза;
    6. разгрузка;
    7. подъем крюка на высоту 15м;
    8. перемещение в исходное положение.
      9.  
  1. РАСЧЁТ И ПОСТРОЕНИЕ СКОРОСТНОЙ И НАГРУЗОЧНОЙ ДИГРАММ МЕХАНИЗМА

   Нагрузочную и скоростную диаграммы механизма построим для установившейся скорости механизма V и силы F.

     Расчет  будем выполнять в соответствии с предварительной диаграммой линейной скорости, изображенной на рисунке 2.1.

     Определим временные интервалы и пройденные расстояния.

, (2.1)

     где  – номинальная скорость крюка (без груза), ,

     a – ускорение крюка, примем a = 0,2 [1, табл.1];

      

.

     Определим расстояние, пройденное крюком за время  разгона  :

      ,      (2.2)

.

     Принимаем время движения крюка на посадочной скорости и пройденное за это время расстояние на посадочной скорости , тогда:

       , (2.3)

     Определяем  время торможения крюка от номинальной  скорости до посадочной:

       , (2.4)

     Определяем  расстояние, пройденное крюком за время  торможения:

       , (2.5)

     Определяем  время торможения крюка от посадочной скорости до нулевой:

       , (2.6)

      

     Расстояние, пройденное за время  :

       , (2.7)

     Расстояние, пройденное крюком на номинальной скорости:

        (2.8)

     Тогда время движения крюка на номинальной  скорости:

       , (2.9)

       – время разгона крюка с грузом от нулевой до посадочной скорости:

        (2.10)

     Расстояние, пройденное за время  :

       , (2.11)

     Принимаем время движения крюка с грузом на посадочной скорости и пройденное за это время расстояние на посадочной скорости , тогда:

,

     Определяем  время разгона крюка с грузом от посадочной скорости до номинальной:

,

     Определяем  расстояние, пройденное крюком с грузом за время разгона:

     Расстояние, пройденное крюком с грузом на номинальной скорости:

        

     Проанализировав предварительную скоростную диаграмму  механизма, можно записать, что скорость крюка равна номинальной скорости и временные интервалы, пройденные пути при разгоне и торможении равны между собой, т.е.

;  

;  

;  

;  

;  

     Рассчитаем  время работы, время цикла и  общее время пауз электропривода

     – время работы равно

     – время цикла равно

     

     – общее время пауз равно

     

     Результаты  расчетов сводим в таблицу 2.1 

Рисунок 2.1 Предварительная скоростная диаграмма  работы механизма

 

     Рассчитаем  статическую силу на каждом временном промежутке, т.е.

     – статическая сила при подъеме крюка равна:

,   (2.12)

где ,  (2.13)

     где – коэффициент постоянных потерь в передаче, примем [1, с.9],

 – коэффициент загрузки,  (2.14)

     – статическая сила при опускании крюка равна:

, (2.15)

     – статическая сила при подъеме груза равна:

      , (2.16)

     – статическая сила при опускании груза равна:

, (2.17)

     Динамическая  сила, действующая на крюк:

          ,     (2.18)

   

.

     Динамическая  сила, действующая на груз:

          ,    (2.19)

   

.

     Сила, действующая на механизм на каждом временном интервале, определяется выражением [1, 1]:

            .     (2.15) 
 

     Рассчитываем  силы, действующие на каждом из временных  участков:

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

   Результаты  вычислений приведем в виде таблицы 2.1.

 

Таблица 2.1 Результаты вычислений

  № Время Пройденное 

расстояние

 Результирующая

сила

 Выражение
Режим i ti ,c Hi , м Fi , Н (Fi)2ti , ∙106 Н2c
Опускание крюка 1 0,75 0,6 -9803 72,1
2 99,2 14,8 -9753 9,4∙103
3 0,6 0,05 -9703 56,5
4 0,33 0,01 -9753 31,4
5 0,15 0,0023 -9703 14,1
загрузка
Подъем  груза 6 0,15 0,0023 142387 3,0∙103
7 0,33 0,01 139837 6,5∙103
8 0,6 0,05 142387 12,2∙103
9 99,2 14,8 139837 1,9∙106
10 0,6 0,05 137287 11,3∙103
11 0,33 0,01 139837 6,5∙103
12 0,15 0,0023 137287 2,8∙103
перемещение
Опускание груза 13 0,75 0,6 109310 9,0∙103
14 99,2 14,8 111860 1,2∙106
15 0,6 0,05 114410 7,9∙103
16 0,33 0,01 111860 4,1∙103
17 0,15 0,0023 114410 2,0∙103
разгрузка
Подъем  крюка 18 0,75 0,6 14736 162,9
19 99,2 14,8 14686 21,4∙103
20 0,6 0,05 14636 128,5
21 0,33 0,01 14686 71,2
22 0,15 0,0023 14636 32,1
перемещение в исходное положение
 

   Скоростная  и нагрузочная диаграммы механизма  показаны на рисунке 2.1.

 

   

Рисунок 2.2 Скоростная V(t) и нагрузочная P(t) диаграммы механизма

 

  1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАСЧЁТНОЙ МОЩНОСТИ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ
 

     Эквивалентная статическая мощность за рабочее  время tp:

,   (3.1)

     где F,i − сила, на i-ом интервале;

     ti − время i-го интервала;

     Определяем  эквивалентную мощность [1, 17]:

          ,     (3.2)

     

.

     Так как время цикла больше 10 минут, двигатель следует выбирать на длительный режим работы, а также пересчитаем эквивалентную мощность на ПВ=40%, так как в справочнике двигатели на это значение ПВ.

      ,  (3.3)

     В связи с тем, что в нагрузочной диаграмме не учтена инерционность ещё не выбранных двигателей, расчетная мощность определяется с коэффициентом запаса:

  ,    (3.4)

     где кзап=(1,1−1,3) − коэффициент запаса по мощности. [1, c.13]

     Принимаем кзап=1,3

 

.

     В соответствии с расчетной мощностью  произведем выбор электродвигателя, исходя из условия:

Рном Ррасч ,     (3.5)

     Выберем электродвигатель на номинальную мощность для различных значений номинальной частоты вращения.  
 

      Таблица 3.1 Технические данные выбранных электродвигателей

Тип эл. двигателя Рном nном ωном Jд Jдω20
кВт об/мин рад/с кг м2  
4МТКН160LВ6 15 930 97,3 0,28 2655,7
4МТН200L8 710 74,4 0,6 3316,8
4МТКН200L8 695 72,8 0,62 3284,1
 

     Из  таблицы 3.1 выбираем двигатель 4МТКН160LВ6, т.к. у этого двигателя

   Jдω2ном Jдω20 =min.

     Технические данные выбранного электродвигателя приведены в таблице 3.2.

 Таблица 3.2 Технические данные электродвигателя 4МТКН160LВ6

Тип 2р Рном,

кВт

 nном,

об/мин

 I1ном,

А

 cos jном I2ном,

А

 U2ном,

В

 Мmax,

Нм
,

кгм2

 R1

при t=20°С,

Ом

 hном,

%

 R2

при t=20°С,

Ом

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
4МТН160LВ6 6 15 930 39 0,77 48 213 460 0,28 0,236 81 0,073
 

 Таблица 3.3 Расчетные данные электродвигателя 4МТКН160LВ6

Тип I0,

А

 cos j0 х1,

Ом

 s1

Ом
4МТКН160LВ6 25,6 0,1 0,42 1,051 0,67 2,89
 

     Рассчитаем  параметры асинхронного двигателя с фазным ротором, которые необходимы для дальнейших расчетов.

     Приведенное активное сопротивление фазы обмотки  ротора с учетом рабочей температуры 75°С:

     Активное  сопротивление короткого замыкания с учетом рабочей температуры 75°С:

 

  1. ВЫБОР ПЕРЕДАТОЧНОГО  ЧИСЛА
 

     Расчетное передаточное число редуктора определим  по формуле:

       (4.1)

     где Vном − номинальная скорость движения крана. Vном =0,15 м/с,

     Dб − диаметр барабана. Dб=0,04 м,

     i − кратность полиспаста. i =2,

     ωном − номинальная угловая скорость вращения вала двигателя.

          (4.2)

 

     Из  таблицы 15 [1, c.114] выбираем трёхступенчатый горизонтальный цилиндрический редуктор ЦЗУ с передаточным числом  j=65 и

     Радиус  приведения поступательного движения со скоростью Vном к вращательному движению с угловой скоростью ωном, соответствующий передаточному числу редуктора:

      (4.3)

  

 

  1. РАСЧЕТ И ПОСТРОЕНИЕ УПРОЩЕННЫХ СКОРОСТНОЙ И НАГРУЗОЧНОЙ ДИАГРАММ ЭЛЕКТРОПРИВОДА
 

     Расчет  проводим исходя из уравнения [1, 27]:

       , (5.1)

     где –   - статический момент электропривода, рассчитываемый на каждом участке движения, вычислимый по формуле [1, 33]:

       , (5.2)

       – динамический момент  электропривода, вычисляемый на  каждом интервале движения по  формуле [1, 28]:

        (5.3)

     где – суммарный момент инерции электропривода, приведенный к валу электродвигателя, кгм2, вычисляемый по формуле [1, 29]:

        (5.4)

     где – момент инерции электродвигателя, из таблицы 3.2,

       – радиус приведения поступательного движения со скоростью к вращательному движению с угловой скоростью ,

       – коэффициент, учитывающий  момент инерции соединительной  муфты и редуктора, = 1,1.

Подставляя  полученные результаты в формулу (5.4), для случая движения без груза, получим  формулу для расчета:

      

.

     Для случая движения крюка с грузом:

      

.

     Находим динамические моменты, по формуле (5.3):

      

     где – угловое ускорения, определяемое по формуле:

      

     Подставляя  полученные значения, получим значения динамических моментов:

,

     Рассчитываем  статические моменты, из формулы (5.2):

      

      

      

      

     Полные моменты на каждом интервале движения рассчитываются аналогично результирующим силам каждом интервале движения, поэтому сведем результаты расчетов таблицу 5.1:

 

      Таблица 5.1 Результаты вычислений

  № Время Результирующий

момент

 Выражение
Режим i ti ,c Мi , Нм (Мi)2ti , (Нм)2c
Опускание крюка 1 0,75 -55,3 2295,2
2 99,2 -15,0 22378,4
3 0,6 25,3 383,5
4 0,33 -15,0 74,4
5 0,15 25,3 95,9
загрузка
Подъем  груза 6 0,15 259,5 10104,9
7 0,33 215,4 15303,8
8 0,6 259,5 40419,4
9 99,2 215,4 4600418,2
10 0,6 171,1 17575,2
11 0,33 215,4 15303,8
12 0,15 171,1 4393,8
перемещение
Опускание груза 13 0,75 128,1 12300,4
14 99,2 172,3 2943762,3
15 0,6 216,5 28114,1
16 0,33 172,3 9792,8
17 0,15 216,5 7028,5
разгрузка
Подъем  крюка 18 0,75 62,9 2968,9
19 99,2 22,6 50741,1
20 0,6 -17,7 187,6
21 0,33 22,6 168,8
22 0,15 -17,8 47,3
перемещение в исходное положение

     Скоростная и нагрузочная диаграммы механизма показаны на рисунке 5.1.

 

Строим  упрощенные скоростную и нагрузочную диаграммы электропривода. 

Рисунок 5.1 Упрощенные скоростная и нагрузочная диаграммы электропривода 
 

 

  1. ПРЕДВАРИТЕЛЬНАЯ ПРОВЕРКА ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ ПО НАГРЕВУ И ПЕРЕГРУЗОЧНОЙ СПОСОБНОСТИ

      Построенная выше нагрузочная диаграмма электропривода позволяет провести предварительную  проверку двигателя по нагреву, принимая во внимание следующие соображения:

     Если  выбранный электродвигатель в системе  электропривода работает при примерно постоянном магнитном потоке, то среднеквадратичный (эквивалентный) момент двигателя отражает его среднюю температуру нагрева.

Также учтем ухудшение условий при пуске и торможении :

     (6.1)

     

     Номинальный момент:

,    (6.2)

     Условие проверки по нагреву:

,      (6.3)

     Условие по нагреву выполняется.

     Проверка  двигателя по перегрузочной способности.

Т.е. двигатель по перегрузочной способности подходит. 

 

  1. РАСЧЕТ  И ПОСТРОЕНИЕ ЕСТЕСТВЕННЫХ МЕХАНИЧЕСКИХ И ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ  ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ

     Естественная  механическая характеристика выражается уточненной формулой Клосса:

          (7.1)

     Определим параметры, которые необходимы для  построения естественной механической характеристики

     Синхронная  частота вращения:

     Синхронная  угловая скорость:

,

     Номинальное скольжение двигателя:

,

     Критическое скольжение: