Проектирование электропривода механизма подъема мостового крана
Министерство образования и науки РФ
Государственное
образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Сибирский государственный индустриальный университет»
Кафедра автоматизированного электропривода
и промышленной электроники
КУРСОВОЙ ПРОЕКТ
по курсу «Теория электропривода»
«Проектирование электропривода механизма подъема мостового крана»
Выполнил:
студент гр. АЭП-09
Высоцкий А.А.
Принял:
к.т.н., профессор
Рыбаков А. И.
Новокузнецк, 2012 г.
Содержание
Стр.
Введение…………………………………………………………
- Технические и технологические характеристики механизма…………4
- Требования к электроприводу, выбор стандартной схемы
управления двигателем………………………………………………….
3. Расчёт и построение нагрузочных диаграмм, определение ПВ% и предварительный выбор мощности электродвигателя……………………8
3.1 Расчёт продолжительности включения……………………………..8
3.2 Статические нагрузки электродвигателя механизма подъема и предварительный выбор двигателя……………………………………...9
4. Проверка двигателя по скорости, выбор редуктора, приведение
маховых моментов к оси двигателя………………………………………
4.1 Выбор редуктора………………………………………
4.2 Расчет статических моментов……………………………………….14
4.3 Проверка двигателя по скорости……………………………………15
4.4 Приведение моментов инерции, моментов сопротивления и жесткости каната к валу двигателя……………………………………...15
5. Определение возможности неучета упругих связей……………………17
6. Расчет сопротивлений и механических характеристик………………...20
6.1 Расчет статических характеристик подъема………………………..22
6.2 Расчет статических характеристик спуска………………………….24
7. Построение переходных процессов, определение времени пуска и торможения, времени движения с установившейся скоростью………….28
7.1 Построение переходных процессов при пуске……………………..28
7.2 Построение переходных процессов при спуске……………………32
8. Проверка правильности выбора электродвигателя……………………..37
9. Выбор троллеев и резисторов…………………………………………….39
9.1 Выбор пускорегулирующих резисторов…………………………….39
9.2 Выбор троллеев……………………………………………………….
10. Техника безопасности…………………………
Заключение……………………………………………………
Библиографический список…………………………………………………43
Введение
Важнейшими задачами в развитии металлургической промышленности является широкая механизация трудоёмких работ и автоматизация производственных процессов. В решении их значительная роль принадлежит подъемно-транспортному оборудованию и, в первую очередь, кранам, как основному средству внутрицехового транспорта.
Производительность основных цехов металлургических предприятий, например сталеплавильных, конверторных, прокатных, в значительной мере зависит от надёжности работы и производительности кранов. В то же время эффективность работы кранов существенно зависит от качественных показателей кранового электрооборудования.
Работа крана в условиях того или иного металлургического предприятия и цеха специфична и зависит от характера конкретного производственного процесса. Особые условия использования кранов металлургических цехов должны учитываться при проектировании и эксплуатации кранового электрооборудования.
На металлургических предприятиях работают мостовые краны общего назначения (крюковые, грейферные, магнитные, магнитно-грейферные) и металлургические (литейные, для раздевания слитков - стрипперные, колодцевые, посадочные и др.). Наиболее широко применяются крюковые мостовые краны общего назначения при технологических, погрузочно-разгрузочных, монтажных, ремонтных, складских и других видах работ. У этих кранов большая номенклатура типоразмеров и исполнений, их грузоподъёмность достигает 800 т., однако наиболее широко используются краны грузоподъёмностью о 5 до 320 т., имеющие от 3 до 5 двигателей.
Мостовой кран включает две основные части: мост и грузовую тележку. Кран перемещается над землёй (полом), он почти не занимает полезного объёма цеха или склада, обеспечивая в тоже время обслуживание практически любой точки помещения.
Конструктивный вид установленного крана в основном определяется спецификой цеха и его технологией. Однако многие узлы кранового оборудования, например механизма подъема и передвижения, выполняются однотипными для многих конструкций кранов. Поэтому в вопросах выбора и эксплуатации электрооборудования металлургических кранов различного назначения много общего.
1. Технические и технологические характеристики механизма
На металлургических предприятиях работают мостовые краны общего назначения (крюковые, грейферные, магнитные, магнитно-грейферные) и металлургические (литейные, для раздевания слитков, колодцевые, посадочные и др.). Конструкция кранов в основном определяется их назначением и спецификой технологического процесса.
Электрооборудование кранов металлургических цехов работает, как правило, в тяжелых условиях: повышенная запыленность и загазованность, повышенная температура или резкие колебания температуры окружающей среды, высокая влажность, влияние химических реагентов.
К электрооборудованию кранов предъявляют следующие общие требования: обеспечение высокой производительности, надежность работы, безопасность обслуживания, простота эксплуатации и ремонта и др.
Режимы работы крановых механизмов разнообразны и в основном определяются особенностью технологических процессов. При этом в ряде случаев даже однотипные краны работают в разных режимах. Неверный выбор режима при проектировании электропривода кранов ухудшает технико-экономические показатели всей установки. Так, например, выбор более тяжелого режима работы по сравнению с реальным приводит к завышению габаритов, массы и стоимости кранового электрооборудования. Выбор же более легкого режима обуславливает повышенный износ электрооборудования, частые поломки и простои. По условию, указанному в задании, механизм подъёма работает в закрытых помещениях (внутри цеха) в одну - две смены.
В цехах металлургических предприятий применяются крановые электродвигатели трёхфазного переменного тока (асинхронные) и постоянного тока (последовательного или параллельного возбуждения). Они работают, как правило, в повторно-кратковременном режиме при широком регулировании частоты вращения, причём работа их сопровождается значительными перегрузками, частыми пусками, реверсами и торможениями. Кроме того, электродвигатели крановых механизмов работают в условиях повышенной тряски и вибраций. В ряде металлургических цехов они, помимо всего этого, подвергаются воздействию высокой температуры (до 60-70 °С), паров и газов.
Основные особенности крановых электродвигателей:
- исполнение обычно закрытое, изоляционные материалы имеют класс нагревостойкости F и H;
- момент инерции ротора по возможности минимальный, а номинальные частоты вращения относительно небольшие – для снижения потерь энергии при переходных процессах;
- магнитный поток относительно велик – для обеспечения большой перегрузочной способности по моменту;
- значение кратковременной перегрузки поп моменту для крановых электродвигателей переменного тока составляет 2,3 – 3,5;
- для крановых электродвигателей переменного тока за номинальный принят режим с ПВ = 40%, а для электродвигателей постоянного тока наряду с этим режимом – режим 60 минут (часовой);
- отношение максимально допустимой рабочей частоты вращения к номинальной составляет для электродвигателей постоянного тока 3,5- 4,9 , для электродвигателей переменного тока –2,5.
2. Требования к электроприводу, выбор стандартной схемы управления двигателем.
Основными критериями оценки при выборе той или иной схемы электропривода крановых механизмов являются: надежность и устойчивость работы, стоимость электрооборудования, эксплуатационные расходы, масса и габариты элементов системы, удобство её управления.
Основные механизмы
таких установок, как правило, имеют
реверсивный электропривод, рассчитанный
для работы в интенсивном повторно-
Дополнительными критериями оценки, свойственными крановым механизмам, являются диапазон регулирования, плавность регулирования, жесткость характеристик, допустимая нагрузка, удобство и простота обслуживания.
С точки зрения специфичности работы различаются системы управления механизмами подъёма, передвижения и поворота.
Системы управления электроприводами механизмов подъема должна обеспечивать широкий диапазон регулирования скорости. При этом спуск и подъем пустого грузозахватного устройства целесообразно осуществлять с максимальной скоростью для повышения производительности крана.
Кинематическая схема механизма подъема мостового крана приведена на рисунке 1. Буквенные обозначения: Д – электродвигатель; Т -механический тормоз; Р – редуктор; М – муфта; Б – барабан; К – канат; ГЗУ – грузозахватное устройство; Г – груз.
Рисунок 1. Кинематическая
схема механизма подъема
Для электродвигателей
постоянного тока последовательного
возбуждения применяются силовы
В соответствии с заданием необходимо выбрать схему управления с магнитными контроллерами. Наиболее подходящим вариантом для управления электроприводом будет схема с магнитным контроллером типа ПС с командоконтроллером на 4 позиции [1, с. 125, рис 33]. Схема данной системы управления приведена на рисунке 2.
Рисунок 2. Схема магнитного контроллера серии ПС
Подъем порожнего крюка осуществляется с большой скоростью, спуск – с малой. Пуск двигателя производится в функции времени. Схема предусматривает реверсирование и электрическое торможение электродвигателя. При первом положении подъема рукоятки командоконтроллера происходит выбирание слабины канатов и подъем легких грузов на малой скорости. При переводе рукоятки в последующие положения подъема осуществляется последующий пуск электродвигателя или регулирование его скорости. Контроль ускорения в схеме осуществляется с помощью реле времени КТ2 и КТ4. При переводе рукоятки в нулевое положение двигатель отключается от сети и происходит его динамическое торможение.
При неисправности механического тормоза схема предусматривает опускание груза на пониженной скорости с применением электрического торможения двигателя. При переводе рукоятки командоконтроллера из нулевого положения в первое и последующие положения спуска сопротивление постепенно выводится из цепи якоря и одновременно вводится в цепь последовательной обмотки возбуждения. Уменьшение сопротивления цепи якоря уменьшает наклон механических характеристик, а увеличение сопротивления обмотки возбуждения приводит к уменьшению потока возбуждения и увеличению скорости спуска.
Схема магнитного контроллера серии ПС имеет три защиты:
- Максимальная токовая защита мгновенного действия, осуществляемая реле КА1 и КА2;
- Нулевая защита, осуществляемая реле KV, предупреждает самозапуск двигателя при восстановлении внезапно исчезнувшего напряжения, если рукоятка командоконтроллера не находилась в нулевом положении;
- Конечная защита кранового механизма, осуществляющаяся с помощью конечных выключателей SQ1 и SQ2.
3. Расчёт и построение нагрузочных диаграмм, определение ПВ% и предварительный выбор мощности электродвигателя
3.1 Расчёт продолжительности включения
Построим циклограмму работы кранового механизма в пространстве:
Рисунок 3. Циклограмма работы кранового механизма
Для определения ПВ% необходимо рассчитать время включения и время ожидания. Общий цикл работы состоит из нескольких частей: спуск крюка, строповка, подъем крюка с грузом, движение тележки и самого моста крана, спуск крюка с грузом, снятие груза с крюка, подъём крюка.
Время для захвата или снятия груза с крюка:
с (принимаем с);
Время подъёма или спуска:
,
где H – высота подъёма, H=12 м (здесь и далее высоты, скорости и расстояния берутся из технологического задания, если не указано иное)
– скорость подъёма (22м/мин=0.37 м/с).
;
Время движения моста:
,
где L – длина перемещения моста, равная длине цеха (60 м),
– скорость перемещения моста (22 м/мин = 0,37 м/с).
Время движения тележки:
,
где W – расстояние передвижения тележки, равное ширине цеха (20 м),
– скорость перемещения тележки (24 м/мин = 0,4 м/с).
Время работы определится:
Длительность цикла:
Определим ПВ%:
Ближайшее стандартное значение ПВ: 25%, что соответствует режиму работы двигателя S3 (повторно-кратковременный).
3.2 Статические нагрузки электродвигателя механизма подъема и предварительный выбор двигателя
а) Подъем груза
Рассчитываем статическую
,
где G – сила тяжести полезного груза, Н;
- сила тяжести грузозахватного устройства, Н;
v – скорость подъема, м/с;
- КПД подъемного механизма, учитывающий потери на трение в редукторе, барабане, подшипниках, блоках и т.д., определяется по [1, с. 21, рис.1] в соответствии со значением .
Произведем расчет. Значения массы грузозахватывающего устройства и грузоподъемности крана m возьмем из технологического задания:
Для механизма подъема
. В соответствии с [1, с. 21, рис.1] .
Таким образом, .
б) Подъем пустого грузозахватного устройства
Мощность, необходимая
для подъема пустого
, где - КПД ЭП при подъеме пустого грузозахватного устройства, в соответствии с [1, с. 21, рис.1]
в) Спуск груза
Момент сил трения при спуске груза определим по формуле [1, с. 22, ф.1.14]:
, где - диаметр барабана (см. технологическое задание), i – полное передаточное число промежуточных передач от вала ЭД до грузозахватного устройства.
Статический момент при силовом спуске груза [1, с. 22, ф.1.12]:
. Т.к. расчет предварительный и i нам не неизвестно, рассчитаем символически:
Т.к. <0, то спуск не силовой, а тормозной. При тормозном спуске мощность определяется по формуле [1, с. 22, ф.1.15] (КПД кранового механизма при спуске принимают приближенно равным КПД при подъеме , скорость спуска равна скорости подъема):
г) Спуск пустого грузозахватного устройства
Для определения статического момента при спуске пустого грузозахватного устройства воспользуемся формулами [1, с. 22, ф.1.14] и [1, с. 22, ф.1.12], в которых примем G=0.
КПД спуска равен КПД подъема пустого груза :
Т.к. расчет предварительный и i нам не неизвестно, рассчитаем символически:
Так как >0, то спуск силовой.
Для расчета нам потребуется значение мощности : [1, с. 22, ф.1.13]:
Мощность при силовом спуске грузозахватного устройства:
Мощности, приведенные к стандартному значению ПВ:
;
Расчетная эквивалентная мощность:
, где - время подъема.
Номинальная мощность двигателя должна удовлетворять условию:
РН ³ 1,15×РЭКВ = 1,15×35,3 = 40,595 кВт
Исходя из условий мощности предварительно выбираем двигатель Д810 с последовательным возбуждением [3, с.102-103, табл. 3.4, 3.10, 3.12]:
номинальная мощность РН (при ПВ% = 25%) …..…………………….....49 кВт;
номинальное напряжение UН ……………………………………………....220 В;
номинальный ток якоря IН ………………………………….……………...255 А;
номинальная частота вращения nН ………………………………....520 об/мин;
максимальный вращающий момент……………………………………4210 Н×м;
момент инерции якоря JЯ ………………………………………………..3,6 кг×м2;
сопротивление обмотки якоря при 20 0С …………………………….0,0232 Ом;
сопротивление обмотки возбуждения при 20 0С …….……………...0,0160 Ом;
сопротивление обмотки добавочных полюсов при 20 0С…………...0,0122 Ом.
Универсальные характеристики двигателя Д-810 приведены на рисунке 5.
Рисунок 4. Универсальные характеристики двигателя типа Д810 с последовательным возбуждением.
На основании универсальных характеристик построим ЭМХ и МХ двигателя.
кВт; об/мин; А.
; ;
Характеристики двигателя типа Д810 с последовательным возбуждением.
Составим таблицу:
I* |
0,375 |
0,5 |
0,75 |
1 |
1,25 |
1,5 |
1,75 |
2 |
2,25 |
2,5 |
2,75 |
3 |
n* |
1,5 |
1,3 |
1,15 |
1 |
0,95 |
0,9 |
0,8 |
0,75 |
0,7 |
0,65 |
0,6 |
0,55 |
M* |
0,25 |
0,4 |
0,6 |
1 |
1,2 |
1,6 |
2 |
2,3 |
2,6 |
2,9 |
3,25 |
|
I, A |
95,63 |
128 |
191,3 |
255 |
318,8 |
383 |
446,3 |
510 |
573,8 |
638 |
701,3 |
765 |
n, об/мин |
780 |
676 |
598 |
520 |
494 |
468 |
416 |
390 |
364 |
338 |
312 |
286 |
M, Н*м |
225 |
360 |
539,9 |
900 |
1080 |
1440 |
1800 |
2070 |
2340 |
2610 |
2925 |
0 |
Рисунок 5. Естественная ЭМХ двигателя Д-810
Рисунок 6. Естественная МХ двигателя Д-810
По полученным значениям мощностей и величинам времени рабочих операций строим нагрузочную диаграмму мощности:
Рисунок 7. Нагрузочная диаграмма электродвигателя
4. Проверка двигателя по скорости, выбор редуктора, приведение маховых моментов к оси двигателя.
4.1 Выбор редуктора
Определим требуемое передаточное число редуктора:
. Так как относительно к редукторам режим ПВ=25% считается легким, то мощность редуктора должна удовлетворять условию [9, с.62] . Из [9, с. 66, табл. III.56] выберем редуктор типа Ц2-650.
Параметры редуктора Ц2-650:
скорость вращения быстроходного вала……………………………..600 об/мин
передаточное число редуктора………………………………………………19.
мощность при тяжелом режиме работы………………………………..103,5 кВт
При данном значении передаточного числа редуктора применение полиспаста не требуется.
4.2 Расчет статических моментов
а) Статический момент при подъеме номинального груза [1, с. 20, ф.1.6]:
б) Статический момент
при подъеме пустого
в) Статический момент при тормозном спуске номинального груза [1, с. 22, ф.1.16]:
г) Статический момент при силовом спуске грузозахватного устройства. Используем формулу [1, с. 21, ф.1.12], принимая G = 0:
д) Номинальный момент электродвигателя:
Статические моменты в долях:
4.3 Проверка двигателя по скорости
Согласно естественной МХ двигателя Д810 (рисунок 5) значению соответствует значение скорости 490 об/мин. Скорость подъема будет составлять . Разница между фактической и требуемой скоростью подъема составляет 1,5%<10%, следовательно, двигатель по скорости проходит.
4.4 Приведение моментов инерции, моментов сопротивления и жесткости каната к валу двигателя
Общий момент инерции механизма и груза, приведенный к валу двигателя:
,
где - момент инерции якоря двигателя (см. технические данные двигателя Д-810 выше);
- момент инерции поступательно
движущихся груза и
- момент инерции тормозного шкива и муфты. Обычно меньше остальных слагаемых на порядок, поэтому он не рассчитывается, а учитывается в коэффициенте, равном 1.25.
Момент инерции поступательно движущейся массы грузозахватного устройства:
Общий момент инерции грузозахватного устройства с грузом:
Момент инерции грузозахватного устройства:
Найдем радиус приведения поступательно движущихся масс:
Найдем приведенное значение момента сопротивления:
Приведенный момент потерь:
Приведенная жесткость каната между грузом и барабаном:
, где - жесткость одного метра подъемного каната; - радиус приведения; - высота подъема груза. Отсюда:
5. Определение возможности неучета упругих связей
Составим расчетную схему механической части ЭП с учетом того, что имеется только одна упругая связь с конечной жесткостью (связь, представленная канатом между барабаном и грузозахватным устройством):
Рисунок 8. Расчетная схема механической части ЭП
В данной схеме ,
где - момент инерции якоря ЭД,
- момент инерции муфты,
- суммарный момент инерции колес редуктора,
- приведенный момент инерции барабана.
Примем
Для данной расчетной схемы на основании основного уравнения движения электропривода можно записать:
На основании данной системы составим структурную схему:
Рисунок 9. Структурная схема упругой двухмассовой системы
Исследуем данную схему как объект управления. Для этого примем возмущающие воздействия и равными 0 и преобразуем схему следующим образом:
Рисунок 10. Преобразованная структурная схема упругой двухмассовой системы
В соответствии с правилами преобразования структурных схем перенесем воздействие с входа звена на его выход:
Рисунок 11. Окончательная структурная схема упругой двухмассовой системы
Передаточная функция цепи ООС:
С учетом ПФ цепи ООС определим следующие передаточные функции:
ПФ по :
Введем следующие обозначения:
- соотношение моментов инерции маховых масс;
- резонансная частота
- резонансная частота второй маховой массы при (такое допущение оправдано, т.к. , , т.е. ).
С учетом введенных в рассмотрение величин ПФ по примет вид:
Для анализа свойств системы построим совместно ее асимптотическую ЛАХ и ЛФХ:
Рисунок 12. Асимптотическая ЛАХ и ЛФХ системы
Частоты сопряжения на асимптотической ЛАХ равны резонансным частотам для первой и второй маховых масс.
Найдем соотношение частот сопряжения:
. Видно, что частоты сопряжения отличаются гораздо меньше, чем на 2 октавы, следовательно, асимтотические ЛАХ можно складывать алгебраически.
С учетом , т.е с учетом , упругой связью можно пренебречь. При синтезе ЭП механическая часть ЭП может быть представлена абсолютно жестким звеном, а движение ЭП определяется 1й маховой массой.
Рисунок 13. Структурная схема механической части ЭП с абсолютно жесткими связями
В этой схеме: ;
ЛАХ и ЛФХ для такой системы выглядят следующим образом:
Рисунок 14. Асимптотическая ЛАХ и ЛФХ системы с абсолютно жесткими связями
6. Расчет сопротивлений и механических характеристик
На рисунке 16 показаны механические характеристики электропривода с магнитным контроллером серии ПС [4, с. 151, рис. 2-61]. Каждая характеристика соответствует одному положению рукоятки командоконтроллера. Развертки схемы контроллера ПС для различных положений рукояти командоконтроллера показаны на рисунке 15 [4, с. 153, рис. 2-62].
Рисунок 15. Развертка схемы магнитного контроллера серии ПС для различных положений рукоятки командоконтроллера
Рисунок 16. Механические характеристики электродвигателя при управлении магнитным контроллером серии ПС.
