Грейферный кран

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Анализ и описание системы ЭП рабочая машина

1.1 Тахограмма требуемого процесса движения

По условию задано допустимое ускорение а=0,09 м/с². Согласно циклу работы сначала происходит опускание грейфера на высоту 20 м со скоростью 0,32 м/с. Время разгона и торможения можно рассчитать в виде:

c (1.1)

За время разгона и торможения грейфер проходит расстояние:

м. (1.2)

Тогда время работы на скорости V₂ :

с. (1.3)

Далее по циклу после паузы грейфер поднимается на высоту Hm=15 м со скоростью V₁=0.2 м/с, при этом время разгона и торможения:

с. (1.4)

За время разгона и торможения грейфер проходит расстояние:

м, (1.5)

Тогда время работы на скорости V₁ :

с. (1.6)

Затем происходит опускание груза на высоту 15 м со скоростью 0,2 м/с с переходом в конце на пониженную скорость 0,05 м/с. Время разгона t₈=t₅=t₇=2.2 c. Время перехода на пониженную скорость

с (1.7)

Время торможения можно вычислить по выражению:

с (1.8)

Пусть переход на пониженную скорость осуществляется за один метр до окончания движения, тогда время движения со скоростью V₁:

с. (1.9)

Время движения со скоростью V₃ можно найти из выражения:

15,64 с. (1.10)

Суммарное время работы:

298,2 с. (1.11)

Время пауз одинаково и равно 50% от времени работы, тогда время паузы:

с. (1.12)

Время цикла:

с. (1.13)

Двигатель работает в режиме S1, так как время цикла больше 10 мин и за время паузы двигатель не успевает полностью охладиться. От линейной скорости грейфера необходимо перейти к угловой скорости вала двигателя по формуле:

=V*129,33 рад/с. (1.14)

где i - передаточное отношение полиспаста и редуктора,

D_б - диаметр барабана.

По формуле угловые скорости: ₁ =25.867 рад/с, ₂ =41,387 рад/с, ₃ =6,467 рад/с.

По найденным параметрам строится тахограмма процесса движения. Её вид представлен на рис.1.1.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 1.1 - Тахограмма процесса движения

1.2 Количественная оценка моментов и сил сопротивлений

Момент, действующий на валу двигателя при подъеме пустого грейфера, может быть определен по формуле:

Н*м. (1.15)

Аналогично, момент на валу двигателя при подъеме груза:

Н^. м, (1.16)

где G вес грейфера и груза;

КПД механических передач.

1.3 Построение нагрузочной диаграммы и МХ рабочей машины

Все параметры, требуемые для построения нагрузочной диаграммы, рассчитаны выше. Нагрузочная диаграмма представлена на рис. 1.5.



Так как известны моменты нагрузки, то можно построить механические характеристики рабочей машины. Характеристики представлены на рисунке 1.3.

2. Анализ и описание системы “ЭП сеть” и “ЭП оператор”

Электропривод грейферного подъемника питается стандартным трехфазным напряжением 380/220 В частотой 50 Гц. В промышленной сети возможны значительные броски напряжения, а также могут возникать аварийные ситуации, поэтому необходимо обеспечить работоспособность установки при возможных колебаниях напряжения в сети и обеспечить защиту от токов короткого замыкания.

Крановые электроприводы весь цикл работы непосредственно управляются оператором, поэтому необходимо обеспечить возможность переключения на фиксированные рабочие скорости.

3. Выбор принципиальных решений

3.1 Построение МЧЭП

Кинематическая схема электропривода грейферного подъемника изображена на рис. 3.1.

Вал электрической машины через муфту соединен с валом двухступенчатого редуктора, который понижает скорость вращения и, одновременно, увеличивает момент. Выходной вал редуктора соединен через муфту с канатным барабаном. На двух канатах через полиспаст крепится грейфер. Полиспаст предназначен для уменьшения линейной скорости. Канатный барабан также соединен с ременной передачей, от которой приводится кабельный барабан, предназначенный для подачи питающего кабеля к электроприводу открытия и закрытия ковша.

3.2 Выбор типа привода и способа регулирования координат

При выборе типа привода и способа регулирования координат для электропривода грейферного подъемника учитываются следующие условия:

продолжительный режим работы;

обеспечение работы в первом и четвертом квадрантах;

обеспечение необходимого диапазона регулирования.

Ниже приведены возможные решения с учетом предъявляемых к приводу требований.

1. Управляемый выпрямитель двигатель постоянного тока;

2. Непосредственный преобразователь частоты асинхронный двигатель;

3. Генератор двигатель;

4. Автономный инвертор - асинхронный двигатель;

5. Тиристорный регулятор напряжения - асинхронный двигатель с фазным ротором;

6. Асинхронный двигатель с фазным ротором регулированием сопротивлениями в цепи ротора.

3.3 Оценка и сравнение выбранных вариантов

Из перечисленных выше возможных вариантов выберем наиболее подходящий, используя метод экспертных оценок. Оценка и коэффициенты значимости сведены в таблицу 3.1.

Таблица 3.1 - Экспертная оценка

Возможные решения	Коэффициенты значимости
	3	4	5	5	5
	масса	цена	потребление	обслуживание	потери за цикл
тп-дпнв	3	3	4	3	3
г-д	2	4	3	4	2
кд-адф	5	5	1	5	1
трн-адф	3	3	3	3	3
нпч-адк	2	2	4	2	4
пч-ад	2	1	5	1	5

Суммарные результаты (сумма взвешенных показателей) можно увидеть на оценочной диаграмме, которая приведена на рис.3.1.



Рисунок 3.1 Оценочная диаграмма

Исходя из результатов расчета, выбираем вариант N1, т.е. управляемый выпрямитель двигатель постоянного тока.

4. Расчет силового ЭП

4.1 Расчет параметров и выбор двигателя

Для расчета мощности двигателя в данном случае применяется метод эквивалентного момента, так как потери пропорциональны квадрату току (сопротивление принимается постоянным), а момент пропорционален току (возбуждение за цикл работы не изменяется).

Используя нагрузочную диаграмму на рис.1.5, эквивалентный момент может быть рассчитан по формуле:

(4.1)

При расчете эквивалентного момента не учитывался коэффициент , который учитывает ухудшение вентиляции, так как в двигателях данного типа используется независимая вентиляция типа “наездник”. За расчетную скорость принимается n=450 об/мин, тогда расчетная мощность двигателя:

(4.2)

По найденному эквивалентному моменту, расчетной мощности и расчетной скорости выбирается двигатель постоянного тока с независимым возбуждением 4ПФ225МКО4, рассчитанный на длительный режим работы S1. Его паспортные данные: n_н = 450 Р_н = 36 кВт, I_н = 112 А, М_н = 764 , 2р = 8, J = 1.65 , U_н = 400 В, U_вн = 220 В, М_MAX=2^. Мн=1527,88 . Выбранный двигатель проходит по нагреву и перегрузочной способности: М_Н> М_ЭКВ (764>748,5) и М_MAX> М_{C MAX} (1528>1497).

Для дальнейших расчетов необходимо найти сопротивление якорной цепи используя приближенное выражение (4.3):

R_я =*(1-_Н)*U_Н/ I_яН =0,5*(1-0,78)*400/112=0,3929 Ом (4.3)

где коэффициент (для независимого возбуждения =0.5);

_Н Номинальный кпд двигателя.

Индуктивность цепи якоря рассчитывается по 4.5

(4.5)

где = 0.25 для двигателей с компенсационной обмоткой,

р_П число пар полюсов.

Значение (кФ)_Н можно найти из ЭМХ двигателя:

(4.6)

Момент электромагнитный номинальный:

(4.7)

Поскольку М_ЭН превышает М_Н двигателя более чем на 5%, то необходимо учитывать механические потери М_В =М_ЭН- М_Н=846,11-764=82,11 Н*м_.

4.2 Расчет параметров и выбор силового преобразователя

Управляемый выпрямитель выбираем исходя из номинальных рабочих напряжения и тока. Но так как двигатель в данном случае не работает на естественной характеристике, то примем U_ПР = 345 В. Выбираем преобразователь типа: ТЕ3-200/345-РВ-УХЛ4 со следующими номинальными параметрами: U_{d ном} = 345 В, I_{d ном} = 200 A. Схема выпрямления реверсивная, мостовая, m = 6. Питание преобразователя осуществляется через токоограничивающие реакторы типа РТСТ-165-0,25У3 со следующими параметрами: U_Л = 400 В, I_Н, =165 А, L = 0.25 мГн, R=0.013 Ом. Максимальное выпрямленное напряжение:

(4.8)

Рассчитаем индуктивность, необходимую для обеспечения пульсаций 15% по (4.14)

(4.9)

где для мостовой схемы;

номинальный ток двигателя;

(4.10)

Очевидно, что необходимости в сглаживающем дросселе нет. Необходимо определить коммутационное сопротивление в преобразователе:

 (4.11)

Определим суммарное сопротивление цепи якоря:

(4.12)

4.3 Составление расчетной схемы МЧЭП

На рис. 4.1 представлена кинематическая схема.

Рис. 4.1 Кинематическая схема электропривода

На рис. 1.2 введены следующие обозначения:

1 двигатель;

2,5 муфты;

3 редуктор;

4 - канатный барабан;

6 - ременная передача;

7 - кабельный барабан;

8 - полиспаст;

9 крюковая подвеска;

10 грейфер.

Для составления расчетной схемы все параметры удобно привести к валу двигателя. В качестве приведенных параметров выступают следующие величины:

J_{пр i} момент инерции для вращающихся тел;

J_{пр j} момент инерции тел, выполняющих поступательное движение;

с _i жесткость;

i передаточное число.

Приведение параметров к расчетной скорости выполняется по следующим формулам:

(4.13)

(4.14)

(4.15)

где _j радиус приведения.

Радиус приведения можно рассчитать по формуле:

; (4.16)

Момент инерции канатного барабана, приведенный к валу двигателя, рассчитывается по формуле:

, (4.17)

Где - плотность стали;

l длина барабана;

D диаметр барабана;

i_p передаточное отношение редуктора.

Момент инерции нагруженного грейфера, приведенный к валу двигателя, можно определить по формуле:

(4.18)

Момент инерции двигателя J_ДВ=1,65 , а приведенный момент инерции редуктора по условию равен 35% от момента инерции двигателя:

, (4.19)

Момент инерции муфты, приведенный к валу двигателя:

, (4.20)

Приведенная жесткость муфты:

Приведенная жесткость каната:

где N - число несущих канатов;

H - максимальная высота подъема.

Полученная четырехмассовая расчетная схема представлена на рис. 1.3.

(4.21)

(4.22)

(4.23)

(4.24)

Используя метод последовательных упрощений можно перейти к эквивалентной трехмассовой расчетной схеме, изображенной на рис.1.4.

Расчет параметров эквивалентной схемы производится по формулам:

(4.25)

, Н*м. (4.26)



Эквивалентная жёсткость рассчитывается следующим образом:

Н*м (4.27)

Переход к двухмассовой схеме:

(4.28)

, Н*м. (4.29)

, Н*м. (4.30)

Расчет статических МХ и ЭМХ двигателя и ЭП

Статические МХ и ЭМХ двигателя рассчитываются по следующей формуле:

(5.1)

(5.2)

Предварительно необходимо вычислить необходимое напряжение по формуле:

(5.3)

Полученные значения напряжений и результаты расчета сведены в таблицу 5.1:

Таблица 5.1 Расчет статических МХ и ЭМХ двигателя

U	341,753688	279,117557	34,85362	-111,7047	-283,56198
Iя	Мс	w1	w2	w3	w4	w5
10,876	0	44,6724964	36,3813218
249,143	1800	32,2819794	23,9908049
-10,876	0				-14,22081	-36,969632
227,390	1800				-26,61132	-49,360149
10,876	0			4,047988
88,718	588,061			0
88,718	752,3937			0
227,390	1800			-7,21132

Запишем выражение механической характеристики электропривода разомкнутой системы:

(5.4)

где U_В = 1 В падение напряжения на вентиле.

По выражению 5.3 можно определить углы открывания вентилей для заданных режимов работы. Определим граничные токи для всех случаев по формуле:

(5.5)

где

a =2 для мостовых схем.

Линейную часть МХ и ЭМХ строим по формулам:

(5.6)

Значения сведены в таблицу 5.2:

Таблица 5.2 Углы открывания вентилей

w	Mc	Угол	Iгр	Mгр	wгр
41,3866667	477,3403	46,8095138	18,5206567	139,9153	45,01753
25,8666667	1527,489	53,862164	20,5152343	154,9835	38,45443
-6,467	1527,489	83,4685216	25,2930427	191,0777	4,386738
-25,8666667	1527,489	99,8947811	24,9262282	188,3066	-14,98928
-41,3866667	477,3403	122,281853	21,1309317	159,6348	-39,34847

Рассчитаем характеристики электропривода в зоне гранично-непрерывных и прерывистых токов по следующим формулам:

(5.7)

(5.8)

Результаты расчета сведены в таблицу 5.3 для

Таблица 5.3 Расчет зоны прерывистых токов

	=84,7	23,7	=
	IЯ, А		М,	IЯ, А		М,	IЯ, А		М,
1,047	25,293	4,387	191,078	21,131	-39,348	159,635	24,926	-14,989	188,307
0,628	5,331	20,224	40,275	5,188	-26,489	39,196	5,584	0,451	42,184
0,449	1,890	26,571	14,277	1,960	-20,509	14,808	2,034	7,010	15,364
0,349	0,871	29,953	6,584	0,937	-17,103	7,076	0,953	10,605	7,196
0,286	0,470	32,048	3,554	0,517	-14,910	3,908	0,519	12,868	3,924
0,242	0,282	33,471	2,129	0,315	-13,382	2,379	0,313	14,423	2,368
0,209	0,182	34,500	1,374	0,206	-12,257	1,554	0,203	15,556	1,537
0,185	0,124	35,278	0,938	0,142	-11,394	1,070	0,139	16,419	1,053
0,165	0,088	35,887	0,668	0,102	-10,711	0,768	0,100	17,097	0,752
0,150	0,065	36,377	0,492	0,075	-10,158	0,569	0,074	17,644	0,556
0,137	0,049	36,779	0,373	0,057	-9,700	0,434	0,056	18,095	0,423
0,126	0,038	37,115	0,290	0,045	-9,315	0,338	0,044	18,473	0,329
0,116	0,030	37,400	0,229	0,036	-8,987	0,268	0,034	18,795	0,261
0,108	0,024	37,645	0,185	0,029	-8,704	0,217	0,028	19,071	0,210
0,105	0,022	37,755	0,167	0,026	-8,577	0,196	0,025	19,196	0,190

	=46,8	=53,9
	IЯ, А		М	IЯ, А		М
1,047	18,521	45,018	139,916	20,515	38,454	154,984
0,628	3,188	56,977	24,084	3,727	51,603	28,155
0,449	1,012	60,963	7,647	1,223	56,199	9,237
0,349	0,435	62,875	3,285	0,537	58,471	4,058
0,286	0,223	63,977	1,687	0,280	59,810	2,119
0,242	0,129	64,689	0,974	0,164	60,688	1,239
0,209	0,081	65,183	0,611	0,104	61,307	0,785
0,185	0,054	65,546	0,408	0,070	61,765	0,528
0,165	0,038	65,823	0,285	0,049	62,118	0,371
0,150	0,027	66,040	0,207	0,036	62,397	0,271
0,137	0,020	66,216	0,155	0,027	62,625	0,204
0,126	0,016	66,361	0,119	0,021	62,812	0,157
0,116	0,012	66,482	0,093	0,016	62,971	0,124
0,108	0,010	66,585	0,074	0,013	63,105	0,099
0,105	0,009	66,631	0,067	0,012	63,166	0,089

6. Расчет переходных процессов в ЭП за цикл работы

грейферный подъемник ток сопротивление

Так как эквивалентная жесткость невелика, то в данном случае для перехода к одномассовой расчетной схеме необходимо выполнение неравенства:

(6.1)

где - частота собственных колебаний. 3,56<122.9.

Очевидно, что необходимо рассматривать двухмассовую систему, которая описывается системой уравнений:

(6.2)

Необходимо обеспечить ускорение на заданном уровне при разгоне и торможении:

;

(6.3)

Настройку контура тока и контура скорости необходимо произвести на технический оптимум, так как необходимо снизить перерегулирование и уменьшить потери в переходных процессах. Управляемый выпрямитель описывается апериодическим звеном первого порядка с постоянной времени 0,001 с и коэффициентом передачи 34,5. Контур тока:

; (6.4)

(6.5)

(6.6)

Контур скорости:

; (6.7)

(6.8)

(6.9)

Модель приведена в приложении. Графики переходных процессов приведены в графической части проекта.

7. Проверка правильности расчета мощности

После расчета переходных процессов можно уточнить выбор двигателя по нагреву по более точному методу - методу эквивалентного тока. Необходимо, чтобы выполнялось неравенство:

или (7.1)

При моделировании переходных процессов был вычислен интеграл тока за цикл работы и время цикла, можно проверить правильность выбора двигателя по нагреву.

63468/730=87 < 112.

Коэффициент загрузки по нагреву 87/112 = 0,776. Двигатель проходит по нагреву.

8. Разработка схемы электрической принципиальной

Необходимо обеспечить защиты электропривода от токов короткого замыкания, тепловую защиту, а также электропривод должен быть оборудован электромагнитным тормозом для фиксации рабочего органа в период паузы. Принимается, что суммарный номинальный ток всех приводов крана не превышает 250 А, тогда выбирается защитная панель П3КБ250 на номинальный ток 250 А, напряжение 380 В, 50 Гц. Защитная панель обеспечивает защиту от токов короткого замыкания всего крана, нулевую защиту, имеющимся в схеме контактором, который обеспечивает отключение при потере напряжения срабатывании тепловой защиты. В панели имеется блок тепловой позисторной защиты. Для удобства управления электроприводом выбирается крановый пульт управления DVP15. Пульт содержит контроллеры управления механизмами подъема и передвижения, амперметр, вольтметр, сигнальные лампы, выключатель цепей управления, кнопка аварийной остановки, два трансформатора для питания цепей управления и сигнализации. Контроллеры, установленные в пульте способны коммутировать ток до 70 А.

Тормоз выбирается по необходимому моменту с учетом запаса:

где Кз - коэффициент запаса,

Qн - масса груза, кг;

Vн - скорость груза;

nн - номинальная скорость двигателя.

Выбирается тормоз электрогидравлический ТКГ500 с электрогидравлическим толкателем ТГМ80.

Потребляемый двигателем ток 0,7 А, напряжение 380 В, развивает тормозной момент 2500 Н*м. Для защиты от токов к.з. выбирается автоматический выключатель АЕ2063-100 на ток 160 А, напряжение до 660 В. Для коммутации тормоза выбирается контактор КТ6000/01 ХЛ3 на напряжение 380 В и ток 16 А.

Заключение

Спроектированный электропривод удовлетворяет поставленным в задании требованиям. Выбран не оптимальный вариант с точки зрения цены и обслуживания, но в данном электроприводе этот вариант обладает лучшими энергетическими показателями.

Список литературы

1. Ключев В.И., Терехов В.М. Электропривод и автоматизация общепромышленных механизмов: Учебник для вузов. М.: Энергия,1980. -360 с., ил.

2. Чиликин М.Г. и др. Теория автоматизированного электропривода: Учеб. Пособие для вузов/ Чиликин М.Г., Ключев В.И., Сандлер А.С. - М.: Энергия, 1979.- 616 с., ил.

Размещено на Allbest.ru