Упрощенный вариант проектирование электропривода тележки мостового крана

 

 

Оглавление

 

 

Введение

Данный курсовой проект содержит проектирование электропривода механизмов повторно-кратковременного циключеского режима работы. Электропривод телеки мостового крана.

Тележка совершает возвратно-поступательное движение по рельсовому пути на всю длину моста от одного крайнего положения до другого. За исходное состояние тележки принимается нахождение ее в одном из крайних положений на мосте при поднятом грузе. Из этого положения тележка разгоняется с грузом, движется до противоположного конца моста и там затормаживается. Мост крана вместе с тележкой перемещается на требуемое расстояние и останавливается. Груз с помощью механизма подъема, находящегося на тележке, опускается и отцепляется. Затем поднимается пустой крюк и мост с тележкой, но уже без груза, перемещается в исходное положение и там затормаживается.

Опускается пустой крюк, зацепляется груз и осуществляется его подъем. На этом цикл работы механизма передвижения тележки заканчивается. При дальнейшей работе тележки этот цикл повторяется. Следует иметь в виду, что паузой для электропривода механизма передвижения тележки является время работы механизмов подъема крана и перемещение моста.

 

 

1. Описание рабочей машины и её технологического процесса; исходные данные для проектирования электропривода

Тележка мостового крана выполняет операцию перемещения поднятого груза с площадки загрузки на площадку выгрузки. На площадки загрузки груз зацепляется, механизмом подъема (строп) обеспечивает подъем груза. Включается двигатель тележки, осуществляется перемещения тележки с грузом с усттновившейся рабочей скоростью VP по прибытии к площадке выгрузки двигатель затормаживается, тележка останавливается в задоном месте, переместившись на длину L. Затем происходит опускание груза, его отцепляют, пустой крюк поднимается. Включаеться двигатель для движения в обратную сторону с установившейся скоростью VB , ntktörf возражаеться на площадку загрузки, пройся снова расстояние L. Таким оброзом тележка совершает возвратно-посмтупательное движение на длину L от одного положения до другого. В цикл работы тележка входит время пауз, когда тележка стоит, производятся зацепления груза, его подъем, опускание, расцепление, подъем и опускание пустого крюка.

Кинематическая схема механизма передвижной тележки представлена на рисунки 1. Исходные данные в таблице 1.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 1 – Кинематическая схема механизма передвижной тележки.

1- Ходовые колеса;  2 – электродвигатель; 3- тормозной шкив; 4- редуктор

 

 

Таблица 1- Исходные данные

Обозночение	Наименование показателя	Размерность
m	Масса тележки	т	3
mг	Масса груза	т	10
D	Диаметр колеса	м	0,25
dc	Диаметр ступицы	мм	60
µ	Коэффициент трения скольжения	-	0,025
f	Коэффициент трения качения	м	0,0005
Ck	Крутильная жесткость		5
L	Длина перемещения тележки	м	5
VP	Скорость движения с грузом	м\с	0,45
VB	Скорость движения без груза	м\с	0,6
a	Предельное ускорение	м\с2	0,5
z	Число циклов в час	-	70
tP	Суммарное время работы, не более	с	25

 

2. Расчёт мометов статических сопротивлений и предварительный расчёт мощности электродвигателя.

На базе исходных данных рабочей машины рассчитывают и строят зависимость скорости рабочей машины от времени V(t). Участки различаються значениями статических нагрузок и моментов инерции. На основе заданных путей перемещения L, установившейся скорости Vу и допустимого ускарения  a рассчитывают:

 

Время пуска tп до установившейся скорости с допустимым ускорением, торможения tт от установитвшейся скорости до остоновки

 

С грузом:                                                      Без груза:

                                                  

 

 

 

Путь, проходимый за время пуска ( торможения ) рабочей машины,

 

С грузом:                                                     Без груза:

                                        

 

Время установившегося режима движения со скоростью Vу

 

Сгрузом:                                                      Без груза:

                       

 

Полученные зависимости V(t) представлены на рисунки 2. При построении зависимостей V(t) учитываем напровление движения рабочей машины. При движений с грузом принимаем V > 0. При движений без груза  в возвратном режиме соотвественно V< 0.

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Расчет статических моментов рабочей машины

1. Момент сил трения в подшибниках

 

Сгрузом:

 

 

Без груза:

 

1. Момент сил трения качения

С грузом:

 

 

Без груза

 

где:

f- коэффециент трения качения

 

1. Момент сил трения, учитывающий трения реборд колес о рельсы

С грузом:

 

Без груза:

 

 

2. Для определения динамических моментов рабочей машины рассчитываются моменты инерции рабочей машины ( рабочего оргона):

С грузом:

 

 

Без :

 

 

3. При заданной величине допустимого ускорения, а для каждого режима рабочей машины определяются динамические моменты: 
   С грузом:

 

Без груза:

 

 

 

1. Полный момент рабочей машины

С грузом:

 

Без груза:

 

2. Среднеквадротичное значение момента

1622 Нм

 

Мощность двигателя может быть определена по соотношению

 

где:

 коэффициент, учитывающий динамические нагрузки, обусловленные вращающимися элементами электропривода ( двигателя, редуктора) , а также потери мощности в редукторе. коэффициент может быть взять от 1,3 до 1,5;

 – основная скрость движения м/с;

D - диаметр шестерни выходного вала редуктора, м;

ПВф – фактическое значение относительной продолжительности включения проектируемого электридвигателя;

ПВкат – ближайшее к ПВф каталожное значение относительной продолжительности включяения для электродвигателей выбранной серии.

 

 

где:

3. Мощность двигателя

 

Произведем выбор электродвигателя

Таблица 2 - Данные выбранного электродвигателя

Тип	Pн, кВт	nн, об/мин	I1н, А	cosφ,	I2н, А	E20, В	Mмакс, Нм	r1, Ом	r2, Ом	Iо, А	Cosφo	X1, Ом	X2, Ом	Кг	Jдв, Кг*м2
4MTF(H)132LB6	7,5	935	18,2	0,77	20,7	242	190	0,68	0,3	11,1	0,11	0,98	1,44	2,22	0,11

 

3. Определение передаточного числа и выбор редуктора

Предаточное число редуктора определяется по номинальной скороси вращения двигателя и основной скороси движения исполнительного органа.

 

 

Выберем редуктор из справочника Анурьев В.И. «Справочник конструктора-машиностроителя том 3». Выбираем редуктор цилиндрический двухступенчатый горизонтальный редуктор Ц2У-200 с передаточныйм числом равныйм 25 коэффициент полезного действия 0,98

 

4. Приведение статических моментов к валу двигавтеля

После выбора двигателя и редуктора, когда извесны передаточное число, коэффициент полезного действия редуктора, статический момент рабочей машины, приведенные к валу двигателя, рассчитываются по формеле:

 

С грузом:

 

 

Без груза:

 

С учетом потерь в редукторе статические моменты на валу рассчитывают в зависимости от режима работы электропривода.

Статический момент на валу в двигательном режиме

 

С грузом:

 

 

Без груза:

 

При работе электпривода в тормозных режимах потери в редукторе вызывают уменьшение нагрузки двигателя, при этом моменты на валу определают по формеле

С грузом:

 

Без груза:

 

Найдем моент холостого хода

=42,7-71,6=28,9

 

 

где: Мн= 42,7 Нм, кФн=2,35

Статический момент на валу в двигательном режиме

С грузом:

 

Без груза:

 

 

При работе электпривода в тормозных режимах

С грузом:

 

Без груза:

 

 

5. Приведение моментов инерции и коэффициентов жесткости к валу двигателя

Суммарный приведенный к валу двигателя момент инерции системы может быть рассчитан по соотношению

 

где:

- момент инерции двигателя;

- коэффициент, учитывающий момент  инерции остальных элементов  электропривода: муфт, тормозного шкива, редуктора и др. =1,3…1,5;

- приведенный к валу двигателя  суммарный момент  инерций движущихся  исполнительных органов рабочей  машины.С грузом , без груза

С грузом:

 

Без груза:

 

 

Приведенную к валу двигателя жесткость упругой механической связи Спр определяют через значение крутильной жесткости.

 

 

В таблицу 3 для каждого участка работы электропривода записать значения установившейся скорости двигателя

 

С грузом:

 

 

Без груза:

 

В таблицу, в строку необходимо включить также требуемые пусковые Мп и тормозные Мт моменты двигателя, при которых обеспечивается возможность разгона и торможения электропривода с заданным допустимым ускорением:

 

С грузом:

 

Статический момент на валу в двигательном режиме

 

 

 

При работе электпривода в тормозных режимах

 

 

 

 

Без груза:

 

Статический момент на валу в двигательном режиме

 

 

 

При работе электпривода в тормозных режимах

 

 

 

 

 

 

 

Для приближенного расчета премени переходного процесса оценивать средний момент двигателя Мср

При питании от преобразователя с задатчиком интенсивности средний момент двигателя можно принять равным моменту, допустимому по ускорению:

при пуске: Мср=Мп

при торможении: Мср=Мт

 

 

6. Предварительная проверка двигателя по производительности и нагреву

Целями предварительной проверки является:

- изучение приближенных  способов оценки времени переходных  процессов;

- уточнение нагрузочных диаграмм момента и скорости двигателя с учетом момента инерции предварительно выбранного двигателя;

- снижение затрат времени  на выполнение курсового проекта  для случая, когда предварительно  выбранный двигатель не подходит  по нагреву.

Используя выбранные выше значения пусковых и тормозных моментов, скоростей установившихся режимов и возможности выбранной схеме управления двигателем, рассчитывают:

Время переходных процессов

С грузом

 

Без груза:

 

 

Угол поворота вала двыигателя за время переходного процесса

С грузом:

 

Без груза:

 

 

Таблица 3

Участок движения	Движение с грузом			Движение без груза
	пуск	уст. режим	торможе-ние	пуск	уст. режим	тормо-жение
V, м/с	0-0,45	0,45	0,45-0	0-0,6	0,6	0,6-0
Мрост, кНм	0-87,4	87,4	87,4-0	0-20,1	20,1	20,1-0
Мродин, Нм	0-812,5	812,5	812,5-0	0-187,5	187,5	187,5-0
Мро, кНм	0-88	88	88-0	0-20	20	20-0
Мрс, Нм	0-84,3	84,3	84,3-0	0-12,4	12,4	12,4-0
Мвс, Нм	0-85,9	85,9	82,6	0-12,7	12,7	12,2
Мс, Нм	0-114,8	114,8	111,5	0-41,6	41,6	41,1
ωс, рад/с	0-90	90	90-0	0-120	120	120-0
Jпр, кгм2	0-0,31	0,31	0,31-0	0-0,07	0,07	0,07-0
J, кгм2	0-0,46	0,46	0,46-0	0-0,22	0,22	0,22-0
Мдин, Нм	0-46	46	46-0	0-22	22	22-0

 

 

7. Выбор типа (системы) электропривода и основных элементов

На основании требований, предъявляемых к электприводу, и анализа результатов предварительной проверки двигателя по производительности, нагруву и обеспечению технологических осуществляется выбор системы электропривода.

Выбираем систему, при которой электродвигатель получает питание от Силового тиристорного преобразователя .

Основным критерием в выборе было то, что данная система более надежность  и простота.

1. Выбор преобразователя (комплектного электропривода) 

Питание двигателя переменного тока можно выполнять от тиристорных и транзисторных преобразщователей частоты как с непосредственной связью НПЧ, состоящих из нескольких упровляемых выпрямителей, подключенных к сети переменного тока, так и двух звенных преобразователей частоты с автономными инверторами ПЧИ, осуществляющими преобразование напряжения питающей сети последовательно в напряжение постоянного тока, а затем в трехфазное напряжение регулируемой частоты.

Выбор типа преобразователя зависит от частоты питающей сети, требуемого диапозона изминения частоты на выходе преобразователя, определяемого диапазон изминения скорости вращения двигателя, от мощности двигателя, диапозона изменения нагрузки на валу двигателя, наличия или отсутвия реверса, режимов работы двигателя.

UНТП>=UН

IНТП>=IН

Выбираем преобразователь AT-007.

Питающая сеть: 3х220 В (+10%, -15% ); (50Гц 2%)

Выходное напряжение: 3х(0…220В2%)

Выходная частота: 0…400 Гц0,05%

Ток перегрузки: 1,5Iнв течение 60 с

КПД (без двигателя) 0,95

Коэффициент мощности (сети) 0,95

 

Электропривод АТО5 обеспечен защитой от аварийных и нештатных режи-

– от токов недопустимой перегрузки и короткого замыкания, в том числе от

замыкания на «землю»;

– от недопустимых перенапряжений на силовых элементах;

– от недопустимых отклонений и исчезновения напряжения питающей сети;

– от неполнофазного режима работы сети и электродвигателя;

– от недопустимых отклонений технологического параметра;

– от неисправности в узлах и блоках электропривода и др.

Таблица 4 – Данные выбранного преобразователя.

Тип	Мощность двигателя	Полная мощность	Номинальгный ток нагрузки
	кВт	кВа	А
АТ05-007	7,5	10	15

 

1. Выбор фильтров, автоматических выключателей, тормозного резистора.

 

Выполняется по рекомендациям изготовителя, который поставляет необхо-

димые комплектующие (за отдельную плату).

На Рисунке 2 приведена схема подключения коммутационной и защитной

аппаратуры преобразователя частоты. Коммутационная и защитная аппаратура,

дроссели и фильтры предназначены для устранения нежелательного влияния пре-

образователя частоты на двигатель и питающую сеть, защиты преобразователя и

питающих кабелей, аварийного отключения преобразователя и двигателя от сило-

вого питания.

Выбор аппаратов защиты для преобразователей частоты определяется их

номинальным входным током, указанным в каталоге.

Подключение преобразователя к сети осуществляется автоматическим вы-

ключателем QF, выбор которого определяется максимально возможной перегрузкой преобразователя (1,5• IН в течение 60 с).

 

Рисунок 2 -Схема подключения защитнойи коммутационной аппаратуры ПЧ

 

Рисунок 3 - Схема силовых цепей и функциональнаясхема управления электропривода АТО5.

2.   
   Расчет статических характеристик электропривода

Задачей расчета является обеспечение технологических задач, заложенных в требования к электроприводу:

- рабочие  скорости рабочего и обратного  хода должны быть обеспечены заданной степенью точности;

- ускорение  электропривода не должно превышать  допустимых значений.

Формирование ускорения при пуске осуществляется правильной пусковой дааграммой, а замедление при торможении чаще всего ограничивается одной ступенью тормозного резистора.

 Исходными данными для расчета статических характеристик являются каталожные данные электродвигателя и другого оборудования, установленного в его силовой цепи.

1. Расчет естественных характеристик асинхронного двигателя

С помощью естественной характеристики оценивают возможности двигателя при его работе в механической системе:

 Произвидем  и построем естествинные характеристики  с помощью приложения на ПК  haradfr.

Рисунок 4 – Естественая характеристика асинхронного электродвигателя 

 

 

 

3. Расчет переходных процессов электропривода

Расчѐт переходных режимов необходим:

–для определения времени и характера их протекания;

–для оценки их соответствия требованиям  технологического процесса рабочего органа;

–для оценки механических и электрических перегрузок;

–для правильного выбора мощности двигателей, преобразователей и аппаратуры управления.

Переходные процессы электропривода возникают при изменении управляющих и возмущающих воздействий.

 На характер переходного процесса оказывают существенное влияние механическая инерция электропривода жесткость механической передачи, электромагнитная инерция обмоток двигателя и элементов преобразователя.

Поставленные задачи решаются при выполнении:

–расчетов механических и электромеханических переходных процессо

момента M(t), скорости ω(t), скорости идеального холостого хода ωO(t), угла

поворота вала двигателя α(t) за время цикла;

–проверки на заданную производительность электропривода;

–проверки на перегрузочную способность двигателя и преобразователя;

–расчета среднеквадратичного значения тока (момента) за цикл и проверки

на нагрев двигателя, преобразователя и резисторов;

–расчетов энергетических показателй электропривода (механической

работы, активной и реактивной энергии из сети за цикл, циклового КПД и cos).

При современном

состоянии вычислительно  техники и разработанных численных методах –

непосредственное решение системы дифференциальных  уравнений с

подстановкой необходимых параметров. Остается научиться составлять

программы расчета переходных процессов для решения конкретных задач

исследования.

Представим структурную схему ПЧ-АД. На рисунке 5

Рисунок 5 - Структурная схема ПЧ-АД

4. Расчет параметров схем включения, обеспечивающих пуск и торможение двигателя

 В зависимости от требований, предъявляемых к электроприводу, различают режимы пуска:

- форсированный, при котором время пуска минимально, а максимальный момент двигателя при пуске принимают равным максимально допустнмому Ммакс,доп

- нормальный, при котором  время пуска не ограничивается, а величина момента двигателя на всех этапах пуска не должна быть ниже момента сопротивления движения – М2 ≥1,2Мс

- обеспечивающий заданное  допустимое ускорение  aдоп при пуске, при кото ограничивается динамический момент двигателя.

Из рассмотренных режимов будем использовать режим пуска с ограничением ускорения электропривода, так как два других режима являются граничными.

При питании двигателя от цеховой сети обычно применяют реостатный пуск с постепенным выводом ступеней сопротивлений из работы. В системах электропривода с питанием двигателя от преобразователя (ТП-Д, ПЧ-АД и др.) пусковые режимы обеспечиваются системой управления путем формирования выходного напряжения (тока) преобразователя.

 

5. Пуск и торможение в системе преобразователь – двигатель

 При питании двигателя от индивидуального преобразователя появляется Возможность плавного регулирования напряжения (частоты), поэтому переходные процессы пуска и торможения обеспечиваются формированием напряжения управления преобразователем. В разомкнутой системе преобразователь - двигатель чаще всего применяют линейное нарастание напряжения управления, что определяет линейное нарастание напряжения (частоты) питания двигателя. В этом случае величина динамического момента двигателя определяется темпом нарастания напряжения, и, в конечном иотоге, производной скорости идеального холостого хода двигателя во времени dω0/dt.

В установившемся режиме наростания скорости двигателя, когда затухают свободные состовляющие переходного процесса. 

 

а величина установившегося значения динамического момента двигателя

 

Для формирования линейною закона изменения напряжения управления на вход преобразователя подключают интегральный задаток интенсивности ЗИ, входное напряжение которого при подаче на его вход скачка задающего напряжение Uзад изменяется по линейному закону.

При достижении величины Uзад нарастание иапряження на выходе ЗИ прекращаеттся. Выходное напряжение ЗИ, таким образом, является управляющим напряжением преобразователя, а величина Uзад определяет установившуюся величину скорости ω0 двигателя. Темп карастання скорости определяется величиной базовой постоянной времени ЗИ ТЗИ (см рис 2), численно равной времени достижения выходного напряжения преобраювагеля от нуля до базового значения Uн (от нуля до базового значения скорости идеального холостого хода ωон )

Таким образом, базовая постоянная задатчика интенсивности определяется по формуле :

 

 

Где :

 – механическая постоянная времени, с;

- относительное значение  динамического значение двигателя.

Из полученных соотношений видно, что при различных моментах инерции J величина Тзи =const, а динамические моменты изменяются. Поэтому значение Тзи рссчитывают по любому сочетанию J и Мдин (грузовой режим или режим холостого хода), но обязательно проверяют величину момента двигателя

М=Мс +Мдин ≤ммакс.дин

  С целью снижения времени пуска и торможения возможно применение пропорционально интегрального (ПИ) задатчика интенсивности. ПИ задатчик подаче скачка Uзад обеспечивает за счет пропорционального канала скачок ряжения на выходе преобразователя (скачок ), затем выполняет линейное наростание напряжения с помощью итегрального канала с темпом, определяемым TЗИ, до величины, превыщающей заданное значение .

 

Рисунок 3 – К расчету параметров задатчика интенсивности

По достижению значения пропорционального канала снижает скачком входное значение напряжения (скосроти  ) до  величины соотвествующей напряжению задания Uзад .  '