Схема ЭП (с двухскоростным двигателем) механизма передвижения крана при управлении с пола

 

Введение

 

Крановое  электрооборудование является одним  из основных средств комплексной  механизации всех отраслей народного  хозяйства. Подавляющее большинство  грузоподъемных машин имеет электрический  привод основных рабочих механизмов, поэтому эффективность действий этих машин в значительной степени  зависит от качественных показателей  используемого кранового электрооборудования.

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

В крановом электрооборудовании прежних лет  широко применялись различные системы  тиристорного управления двигателями постоянного тока. В их составе была сложная система релейно-контакторного управления.

В настоящее  время широкое распространение  получили бесконтактные логические устройства. Основными их преимуществами являются: малое энергопотребление, малые габаритные показатели, малая  стоимость, а также высокая скорость срабатывания, высокая надежность, простота монтажа. Но такие элементы невозможно установить в силовых  цепях т.к. они не рассчитаны на протекания большого тока и высокое напряжение, поэтому там до сих пор находит  качественное применение релейно-контактная аппаратура.

Таким образом, целью данной курсовой работы является модернизация электропривода механизма подъема крана с нереверсивным тиристорным преобразователем путем применения в СУ бесконтактных логических элементов.   

 

  1. Технологическая часть и режимы работы установки.

 

В машиностроении  при транспортно-складских  работах  невысокой интенсивности, в машинных залах и лабораторных помещениях используется большое число  мостовых кранов, работающих либо эпизодично, либо с числом грузоподъёмных  циклов 6-10 в час. Для таких кранов использовать штатных машинистов экономически не целесообразно. Поэтому всё большее  количество кранов имеют управление е с пола.

Особенностью  кранов,  управляемых с пола, является возможность доступа на кран для  ремонта и контроля только в специально отведенных местах, снабженных соответствующими площадками для осмотра оборудования. Поэтому вся система защиты электрооборудования  крана должна быть построена таким  образом, чтобы кран в аварийных  условиях мог быть доведен до аварийной  зоны при управлении с пола и при  отсутствии в схеме крана коротких замыканий и замыканий на землю. В связи с этим на кранах, управляемых  с пола, автоматические выключатели  не устанавливаются. Защита главных  цепей осуществляется автоматическим выключателем главных троллеев, а  защита цепей управления – плавкими предохранителями на токи 15 А, 380 В при сечении проводов цепей управления 2,5 мм2 . Защита от перегрузок  электроприводов механизмов осуществляется тепловыми реле в главных цепях двигателей. Для возможности движения кранов после срабатывания тепловой защиты  контакты реле шунтируются кнопкой на пульте управления. На кране устанавливаются сигнальные лампы наличия напряжения на входе, напряжения после линейного контактора  защиты и сигнальная лампа срабатывания тепловой защиты.

Таким образом, в курсовой работе будет рассматриваться  схема электропривода механизма  передвижения крана при управлении с пола. Обратимся к схеме электропривода (Рисунок 1.1).Электродвигатель имеет  две отдельные обмотки с соотношением числа пар полюсов 2р=4/12, 2p=4/16, 2р=6/12. Кнопкой SB1 и SB2 включаются контакторы направления КМ1и КМ2, а также контактор малой скорости КМ4. После подачи питания к тихоходной обмотке двигателя через контактор КМ3 получает питание привод тормоза YB1, YB2. Для перехода на большую скорость двухходовыми кнопками SB замыкаются контакторы SB11, SB12(второе положение) и включается контактор КМ6. Обмотка большей скорости подключается к сети через резистор одновременно с тихоходной обмоткой. Затем тихоходная обмотка отключается. По истечению выдержки времени реле КТ включает контактор КМ5 и двигатель выходит на свою естественную характеристику быстроходного режима.

При отключение от сети двигателя привод тормоза продолжает получать питании и имеет место свободный выбег. Для отключения тормоза достаточно нажать кнопку SB3.

 

 

 

 

 


Рисунок 1. Схема электропривода (с двухскоростным короткозамкнутым

двигателем) механизма передвижения крана при  управлении с пола.

 

 

Таблица обозначений элементов  на рисунке 1.1

Обозначение

Описание элемента

M1,M2

Двигатели

YB1,YB2

Приводы тормозов

КМ1, КМ2

Контакторы направления движения

КМ3

Контактор тормоза

КМ4

Контактор малой скорости

КМ5

Контактор большой скорости

КМ6

Контактор резисторов в цепи статора

FR1, FR2, FR3, FR4

Тепловые реле

КТ

Реле времени контактора пуска с выдержкой 3,5с 

SQ1, SQ2

Конечные выключатели

SB1, SB2

Кнопки направления движения (двухходовые)

SB11, SB21

Кнопки большой скорости (второе положение кнопок SB1, SB2)

SB3

Кнопка прекращения свободного выбега

SB4

Кнопка шунтирования тепловой защиты

ХА1- ХА11

Контакторы токопереходных троллеев


 

 

2. Датчики, устройства защиты и сигнализации установки

 

     В схеме электропривода предусматриваются следующие виды защиты:

- конечная защита (выключатель SQ1, SQ2).

При срабатывании конечных выключателей происходит отключение обмоток двигателя и тормоза.

- тепловые реле FR1-FR4.

     Защита двигателя и цепи управления от перегрева и перегрузок. Также осуществляется защита от потери фазы, так как при потере фазы двигатель начинает перегреваться.

     Для обеспечения надежного тормоза электропривод оборудован электромагнитным тормозом(YB1,YB2).

 

3. Анализ исходной релейно-контактной схемы и выделение входных, выходных и промежуточных сигналов

Релейно-контактные принципиальные электрические  схемы управления содержат контакты и катушки электрических аппаратов, обмотки электрических машин, магнитных усилителей и т. п. На схемах можно выделить входные элементы А, В, С, D с контактами а, b, с, d, выходные исполнительные элементы Z, Y, X с контактами z, у, х и промежуточные элементы P1, P2, с контактами р1, p2. Через входные элементы в функциональную часть схемы управления подаются входные сигналы. Выходные сигналы поступают в исполнительные элементы непосредственно от выходных элементов или через промежуточные аппараты. Входные, промежуточные и выходные сигналы обозначаются так же, как контакты соответствующих элементов. Сигналы замыкающих контактов обозначаются в структурных формулах буквами без черточек над ними, а размыкающие – буквами с черточками. Работа по составлению структурных формул производится в два этапа.

 

Производя анализ исходной релейно-контактной схемы (Рисунок 1.1) выделим следующие сигналы:

 

Входные сигналы:

Таблица 3.1: Выделение входных сигналов исходной схемы.

Обозначение

сигнала

Обозначение

элемента

Примечание

a

SB1

Сигнал нажатия кнопки “ Напраления движения ”

b

SB2

Сигнал нажатия кнопки “ Напраления движения ”

c

SB3

Сигнал нажатия кнопки “Прекращения свободного выбега ”

d

SB4

Сигнал нажатия кнопки “Шунтирования тепловой защиты ”

e

SB11

Сигнал нажатия кнопки “Большей скорости”

f

SB21

Сигнал нажатия кнопки “Большей скорости”

g

SQ1

Сигнал контакта конечного выключателя

h

SQ2

Сигнал контакта конечного выключателя

i

FR1

Сигнал срабатывания теплового реле

j

FR2

Сигнал срабатывания теплового реле

k

FR3

Сигнал срабатывания теплового реле

l

FR4

Сигнал срабатывания теплового реле


 

Выходные сигналы:

Таблица 3.2: Выделение выходных сигналов исходной схемы.

Обозначение

сигнала

Обозначение

элемента

Примечание

Z

КМ1

Сигнал на срабатывание контактора движения

X

КМ2

Сигнал на срабатывание контактора движения

Y

КМ3

Сигнал на срабатывание контактора тормоза

V

КМ4

Сигнал на срабатывание контактора малой скорости

W

КМ5

Сигнал на срабатывание контактора большой скорости

T

КМ6

Сигнал на срабатывание контактора резистора в цепи ротора


Промежуточные сигналы:

 

Таблица 3.3: Выделение промежуточных сигналов исходной схемы.

Обозначение

сигнала

Обозначение

элемента

Примечание

P1

КТ

Сигнал от реле выдержки времени


 

Таким образом, исходная релейно-контактная схема  с учетом введенных обозначений  будет иметь вид, представленный на Рисунке 3.1:

 

 

 

 

 

 

Рисунок 3.1 –  Релейно-контактная схема с принятыми  обозначениями  
4. Синтез структурных формул

Для записи структурных  формул используем релейно-контактную схему изображенную на рисунке 3.1.

 

Структурные формулы для выходных сигналов:

 

                              (4.1)

Обозначим:                               (4.2)

                                                                                             (4.3)

                                                                                             (4.4)

                                                        (4.5)

                                         (4.6)

                                                              (4.7)

Структурные формулы для промежуточных  сигналов:

 

                                                                                                   (4.8)

 

5. Синтез промежуточной функциональной  схемы

Для упрощения  синтеза полной промежуточной функциональной схемы, выполним его сначала по частям для каждой структурной формулы. Заметим, что нумерация цифровых элементов вводится согласно полной промежуточной функциональной схеме (рис.5.9).

 

Согласно (4.1 ) , тогда:

Рисунок. 5.1. Схема на бесконтактных элементах  для сигнала Y;

   Согласно  (4.2) , тогда:

Рисунок. 5.2. Схема на бесконтактных элементах  для сигнала Ф;

 

Согласно  (4.3) , тогда:

Рисунок. 5.3. Схема на бесконтактных элементах для сигнала Z;

 

Согласно  (4.4) , тогда:

 

Рисунок. 5.4. Схема на бесконтактных элементах  для сигнала X;

 

Согласно  (4.5) , тогда:

Рисунок. 5.5. Схема на бесконтактных элементах  для сигнала V;

 

Согласно  (4.6) , тогда:

 

Рисунок. 5.6. Схема на бесконтактных элементах для сигнала W;

 

Согласно  (4.7) , тогда:

 

Рисунок. 5.7. Схема на бесконтактных элементах для сигнала T;

 

Согласно  (4.8) , тогда:

 Рисунок. 5.8. Схема на бесконтактных элементах для сигнала P1;

 

 

6. Выбор релейно-контактной аппаратуры

 

Выбор релейно-контактной аппаратуры будем производить на основании схемы электропривода (с двухскоростным короткозамкнутым

двигателем) механизма передвижения крана при  управлении с пола (Рисунок 1.1) и промежуточной функциональной схемы на бесконтактных элементах (Рисунок 5.9). Двигатель используемый в данной схеме – АИР180М6/8 с номинальной мощностью Pном = 11/15 кВт. Напряжения питания сети – 380В, 50Гц [2].

  • Номинальная мощность Pном = 11/15 кВт;
  • Номинальная скорость вращения nном = 750/1000 об/мин;
  • Напряжение питания Uпит = 380/220В;
  • Номинальный КПД – ηном = 0,86/0,88;
  • Номинальный ток статора – I1ном = 26,3/30,1 А;
  • Максимальный момент – Мmax = 144/148 Н∙м;
  • Номинальный момент инерции – Jдв = 0,25кг∙м2.

 

Выбор контакторов направления движения КМ1,КМ2: 

    Как уже было написано ранее двигатель типа АИР180М6/8 имеет номинальное напряжение питания 380В и номинальный ток статора 26,3/30,1 А. Поэтому согласно данным параметрам и количеству нормально разомкнутых контактов 5 выбираем магнитный пускатель [3] типа ПАЕ 341 с номинальными параметрами:

  • Номинальный ток пускателя – 40А;
  • Номинальное напряжение – 380В;
  • Количество контактов – 4 замыкающих и 2 размыкающих;
  • Напряжение питания катушки – 380В;
  • Максимальный ток потребляемый катушкой в притянутом состоянии – 0,087А (пусковой ток не превышает более чем в 10 раз максимальное значение установившегося тока катушки);
  • Наибольшее число включений в час – 1200;
  • Коммутационная способность – 2000000 включений.

 

Выбор реле линейного  контактора КМ3:

Для двигателя АИР180М6/8, имеющего номинальный ток статора 26,3/30,1 А и напряжение питания 380В, выбираем магнитный пускатель [3] типа ПАЕ 341 с номинальными параметрами:

  • Номинальный ток пускателя – 40А;
  • Номинальное напряжение – 380В;
  • Количество контактов –3 замыкающих и 3 размыкающих;
  • Напряжение питания катушки – 380В;
  • Максимальный ток потребляемый катушкой в притянутом состоянии – 0,087А (пусковой ток не превышает более чем в 10 раз максимальное значение установившегося тока катушки);
  • Наибольшее число включений в час – 1200;
  • Коммутационная способность – 2000000 включений.

 

Выбор реле и контактора переключения скоростей КМ4, КМ5 и КМ6:

     Так как после этих реле стоят тепловые реле, то будем выбирать магнитные пускатели с тепловым реле. В таком случае выбираем магнитные пускатели [3] типа ПАЕ 342 с встроенным тепловым реле типа ТРН 40 рассчитанного на токи 12,5, 16, 20, 25, 32 и 40А. Номинальные параметры магнитного пускателя типа ПАЕ 342:

  • Номинальный ток пускателя – 40А;
  • Номинальное напряжение – 380В;
  • Количество контактов – 3 замыкающих и 3 размыкающих;
  • Напряжение питания катушки – 380В;
  • Максимальный ток потребляемый катушкой в притянутом состоянии – 0,087А (пусковой ток не превышает более чем в 10 раз максимальное значение установившегося тока катушки);
  • Наибольшее число включений в час – 1200;
  • Коммутационная способность – 2000000 включений.

 

Реле времени  КТ:

Реле времени обеспечивает выход двигателя на естественную скорость. По технологическим параметрам принимаем это время tз = 3,5с.

На основании схемы (Рисунок 1.1) составим таблицу, отражающую наглядное  представление о составе контактов реле времени:

Таблица 6.1: Состав контактов реле КТ.

Реле

Блок-контакты

Нормально открытый

(НО)

Нормально замкнутый

(НЗ)

КТ

-

1


Из [4] выбираем для КТ РВ 225 с ВУ 200с характеристиками:

Номинальное напряжение цепи контактов:

220 В

Исполнение  по количеству контактов:

1з, 1р

Пределы регулирования времени:

0,25…3,5


Выбор троллеев:

      Выбираем крановые троллеи серии POWERLINE 14 (Cariboni) [9], рассчитанные на силу тока до 100 А.

 

Выбор кнопки направления движения SB1,SB2(двухходовые, второе положение SB11,SB21):

Выбираем  управляющую головку переключателя Moeller IP66 c поворотной ручкой в количестве 2 штуки [11].

 

Рисунок 6.1 –  Внешний вид управляющей головки переключателя Moeller IP66.

Выбор кнопки шунтирования тепловой защиты SB4, кнопок прекращения свободного выбега SB3:

    Выбираем кнопку переключения A22-QDDL-11/10 [9]:

Рисунок 6.2 – Внешний вид кнопки переключения A22-QDDL-11/10.

 

Выбор концевых выключателей SQ1, SQ2 :

 

    В качестве концевых выключателей SQ1, SQ2 будем использовать конечный выключатель типа КУ-132, которые применяются в грузоподъемных и крановых механизмах. Они ограничивают передвижение мостового крана вдоль цеха или подход одного крана к другому. Выключатели КУ-132 приводятся в действие при помощи рычагов или путем непосредственного нажима на шток и после снятия нагрузки автоматически возвращаются в исходное положение внешним усилием. Нажимом на шток производится разрыв электрической цепи.

 

 

Выбор оптоэлектронной развязки для катушек реле:

     Чтобы сделать гальваническую развязку, а также усилить сигнал с выхода бесконтактной схемы на цифровых элементах при поступлении его на катушку магнитного пускателя будем использовать оптосимистор, так как катушка магнитного пускателя питается переменным напряжением.

Рисунок 6.3 – Структурная схема гальванической развязки на основе оптосимистора.

    Посчитаем максимальный пусковой ток катушки магнитных пускателей типа ПАЕ 341 :

     Согласно этому току выбираем оптосимистор [4] ТСО115-5 с номинальными параметрами:

  • Максимальный выходной ток – ImaxOUT = 5А;
  • Входной ток  – IF = 50мА;
  • Максимальное выходное напряжение – UmaxOUT = 600В;
  • Входное напряжение – UF = (0…6)В;
  • Максимальное напряжение изоляции – UISO = 5000В;
  • Диапазон рабочих температур – от - 40 до 100 OC.

 

 

 

7. Обоснование выбора серии микросхем  и разработка принципиальной  схемы на бесконтактных логических  элементах

 

Проанализировав полную функциональную схему на бесконтактных  элементах (Рис 5.9), выделяем из нее следующие используемые цифровые элементы:

Элемент 2И  – 4 шт,

Элемент 3И  – 3 шт,

Элемент 4И  – 7 шт,

Элемент 6И  – 2 шт,

Элемент 2ИЛИ  – 3 шт,

Элемент 3ИЛИ  – 2 шт,

Элемент ИНВЕРТОР – 14 шт.

Обратившись к [6] выбираем микросхемы 155-ой серии исходя из того, что они обладают необходимо элементной базой логических функций, также являются легкодоступными и выпускаемыми в настоящее время. Выбираем:

микросхема  типа 155ЛА3 – 11 элемента 2И-НЕ;

микросхема  типа 155ЛА1 – 6 элемента 4И-НЕ;

микросхема  типа 155ЛА2 – 2 элемента 8И-НЕ;

микросхема  типа 155ЛЕ1 – 2 элемента 2ИЛИ-НЕ;

Согласно [7] современным отечественным производителем данных микросхем является АО «Микрон», а зарубежным – компания Texas Instruments.

Микросхемы 155ЛА1, 155ЛА2,155ЛА3, 155ЛE1 обладают следующим параметрами:

U1вых = 2,4В (не менее);

Iвых = 16мА.

Таким образом, видим, что выходы микросхем не требуют согласовании по уровню сигнала с входами оптоэлектронных модулей.

 

Так как  проектируемое оборудование используется в промышленной области, то оно может  быть сильно подвержено воздействию  помех, что в свою очередь способно вызвать ложное появление сигнала  типа «1» или «0» в цепи управления на бесконтактных элементах.

Согласно [8] источниками помех могут быть вентильные преобразователи энергии, процессы коммутации силовых аппаратов, возникновение электрической дуги и прочее. А пути проникновения  помех это:

1) гальванический (из-за наличия гальванической  связи между элементами цепи), способ борьбы с которым –  введение гальванической развязки  между силовой цепью и цепью  управления с помощью трансформаторов,  оптопар и т.д.;

2) электростатический (обусловлен электрической составляющей электромагнитного поля под действием которой помеха проникает через паразитные емкости), способ борьбы – уменьшение паразитных емкостей, исключение их асимметрии;

3) магнитостатический (помеха поникает за счет магнитной  составляющей электромагнитного  поля через взаимные индуктивности  различных цепей) – способ  борьбы – уменьшение коэффициента  взаимной индуктивности, исключение  асимметрии индуктивности. 

Все методы уменьшения помех делятся на группы:

1 – экранирование  (для устранения электростатического  пути проникновения помехи)

2 – схемные  и конструктивные решения (силовые  провода и провода цепей управления  должны располагаться на значительном  расстоянии друг от друга и  не должны лежать в одном  кожухе, скрутка проводов, увеличение  напряжения сигнала управления  и прочее).

В нашем  случае я предлагаю следующие  мероприятия для исключения воздействия  помех на схему управления:

– расположить  кабели силовых цепей и цепи управления на значительном расстоянии друг от друга;

– использовать экранирование проводов и кабелей (а где возможно – скрутку);

– использовать отдельные блоки питания аналоговых и цифровых устройств;

– применить  фильтры в месте подвода питающего  напряжения.

Способы реализации логических функций разработанной  схемы на имеющихся микросхемах 155-ой серии показан на рисунке 7.1.

Так как  в разрабатываемой схеме необходимо создать выдержку времени, то мы ее реализовываем на таймере КР1006ВИ1 изображенный на рисунке 7.2.

Таймер имеет  следующие входы и выходы:

Напряжение  питание Uп (вывод 8) таймера: 5-15В; 

Вход E (вывод 4) – является входом сигнала разрешения работы таймера.

На вход S (вывод 2) – подается входная величина (установка таймера);

Вход R (вывод 6) – сброс таймера;

Вывода 5 рекомендуется  соединять с конденсатором емкостью С = 0,01мкФ для снижения влияния помех на длительность формируемого импульса;

Выход Q (вывод 3) – является выходом таймера.


 

 

 

 

               “6И” на эл-ах 8И-НЕ,2И-НЕ

Рисунок 7.1: Реализация требуемых логических функций

на микросхемах 155-ой серии.

 

 

 

     Так как в разрабатываемой схеме необходимо создать выдержки времени, то мы их реализовываем на таймере КР1006ВИ1 изображенным на рисунке 7.2:

Рисунок 7.2 – Структурная схема одновибратора на основе таймера КР1006ВИ1.

     Запуск одновибратора осуществляется перепадом 1/0, воздействующим на вход дифференцирующей цепи С1, R1, VD1, или дискретным сигналом “нуль”, непосредственно подаваемым на вход . Для снижения влияния помех на длительность формируемых импульсов к выводу 5 подключаем конденсатор емкостью 0,01 мкФ. Для входного конденсатора С1 принимаем емкость 0,27 мкФ.

     Длительность положительного импульса, снимаемого с выхода таймера Q (вывод 3), равна:

     В схеме необходимо обеспечить заданные выдержки времени для реле КТ – 3,5 с.

Принимаем  конденсатор С1=2,2 мкФ, тогда:

Из стандартного ряда значений сопротивлений  Е24 выбираем резистор R1=1,5 МОм.

Принимаем резисторы [с.62, 10]:

R1=R2: МЛТ-0,125-1,5 МОм±5%.

Принимаем конденсаторы [с. 56,11]:

С1: К73-9-100В-2,2мкФ±10%;

C2: K73-20-100B-0,27мкФ±10%;

C3: К73-9-100В-0,01мкФ±10%.

Принимаем диод VD1[с. 88,9]: Д132-50.

     В данной схеме необходимо реализовать одну выдержку времени на размыкание.

Составим  полную принципиальную схему (Рис 7.4)

 

 

8. Таблица перечня элементов  разработанной схемы

Таблица 8.1: Перечень элементов разработанной  схемы.

Поз.

обозначение

 

Наименование

Кол.

Примечание

       
       
 

Двигатели

    
       

М

АИР 180 M6/8

1

  
       
 

Диоды

    
       

VD1

Д132-50

1

  
       
 

Кнопки 

    
       

SB1, SB2

Moeller IP 66

2

  

SB3, SB4

A22-QDDL-11/10

2

  
       
 

Конденсаторы

    
       

С1

К73-9-100В-2,2мкФ±10%

1

  

С2

K73-20-100B-0,27мкФ±10%

1

  

С3

К73-9-100В-0,01мкФ±10%

1

  
       
 

Конечные выключатели

    
       

SQ1, SQ2

КУ-132

2

  
       
 

Магнитные пускатели

    
       

КМ1 – КМ6

ПАЕ 341

6

  
       
 

Микросхемы

    
       

DD1…DD4,

DD7, DD11, DD14, DD16, DD17, DD19, DD21

К155ЛА3

11

4 элемента 2И-НЕ

DD5, DD6, DD8, DD12, DD18, DD20

К155ЛА1

6

2 элемента 4И-НЕ

DD9, DD10

К155ЛА2

2

1 элемента 8И-НЕ

DD13, DD15

К155ЛЕ1

2

4 элемента 2ИЛИ-НЕ

 

Одновибраторы

    
       

DS1

КР1006ВИ1

1

  
       
 

Оптосимисторы

    
       

VS1 – VS6

ТСО115-5

6

  
       
 

Резисторы

    
       

R1, R2

МЛТ-0,125-1,1 МОм±5%

2

  
       
 

Тепловые реле

    
       

FR1-FR4

РВ 225С ВУ200

4

  
       
 

Токопереходные троллеи

    
       

XA1-XA10

Cariboni POWERLINE 14

10

  
       
 

Электромагнитный  тормоз

    
       

YB1, YB2

ТКГ-300

2