Модернизация электропривода ленточного конвейера углеподготовительного цеха №1

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Общая часть

1.1 Описание технологического процесса ленточного конвейера К22 углеподготовительного цеха №1

1.2 Технологические требования к электроприводу ленточного конвейера К22 углеподготовительного цеха №1

1.3 Характеристика работающего электрооборудования. Кинематическая схема электропривода ленточного конвейера и ее описание. Обоснование темы дипломного проекта

2. Специальная часть

2.1 Расчет мощности электродвигателя

2.2 Обоснование рода тока, выбор типа электродвигателя и системы управления

2.3 Обоснование и выбор преобразователя частоты и дополнительного оборудования

2.4 Обоснование и выбор программируемого логического контроллера

2.5 Расчет и выбор коммутационной аппаратуры

2.6 Расчет и выбор силовых и контрольных кабелей

2.7 Описание принципиальной схемы управления

2.8 Описание схемы внешних проводок электропривода

2.9 Расчет освещения

2.10 Расчет контура заземления

2.11 Спецификация электрооборудования электропривода ленточного конвейера К22 углеподготовительного цеха №1

3. Организация производства и труда

3.1 Разделение обязанностей персонала цеха при эксплуатации оборудования ленточного конвейера К22 углеподготовительного цеха №1

3.2 Структура электрослужбы участка, взаимодействие ее подразделений

3.3 График ППР электрооборудования электропривода ленточного конвейера К22 углеподготовительного цеха

4. Экономика производства

4.1 Экономическое обоснование модернизации электропривода ленточного конвейера К22 углеподготовительного цеха №1

4.2 Определение срока окупаемости затрат на модернизацию.

5. Безопасность жизнедеятельности

5.1 Обеспечение безопасной эксплуатации электропривода ленточного конвейера К22 углеподготовительного цеха №1

5.2 Технические и организационные мероприятия при ремонтах электрооборудования электропривода ленточного конвейера К22 углеподготовительного цеха №1

5.3 Защитные средства, применяемые при эксплуатации электропривода ленточного конвейера К22 углеподготовительного цеха №1

5.4 Средства пожарной безопасности на электроприводе ленточного конвейера К22 углеподготовительного цеха №1

5.5 Мероприятия по экологической безопасности на механизме ленточного конвейера К22 углеподготовительного цеха №1

Заключение

Литература

Введение

История Развития металлургии

На рубеже III-II тысячелетий до н.э. на территории Восточной Европы поселились предки славян, примерно тогда же начался бронзовый век. В те времена у племён стали появляться металлические орудия труда и оружие, что обусловило быстрое развитие племён и их разделение. Позже (с 400г.) славяне научились делать железо, что резко повысило эффективность земледелия, появились железные топоры, плуги и серпы.

Тульский металл, его прошлое и настоящее - стержневой сюжет истории Тулы, а во многом и Тульского края. Недалеко от Тулы голландский купец Андрей Виниус в 30-х гг. 17 в. построил Городищенские (Тульские) доменные и железоделательные вододействующие заводы, ставшие колыбелью отечественной доменной металлургии, школой первых русских металлургов-доменщиков, распространивших со временем свое мастерство по всей России. В Туле центром металлопромышленности была казенная Кузнецкая слобода (позднее называвшаяся также Оружейной), основание которой обычно связывают с указом царя Федора Иоанновича 1595 года.

Главным занятием для большинства ее жителей было изготовление оружия для казны. Впрочем, далеко не для всех. По неполным данным, в середине 40-х гг. 18 века 89 тульских оружейников числились в так называемых "промышленниках". Те из них, которых называли "железного дела промышленниками", владели "ручными железными заводами": мастерскими с сыродутными горнами для получения железных криц - сырья для переработки в "дельное" железо и уклад (дешевые сорта стали). При археологических исследованиях Кузнецкой слободы неоднократно выявляли следы их деятельности: продукцию (обычно отходы) производства, обломки сопел, через которые в горны вдувался воздух и т.д. Промышленники наиболее состоятельные и удачливые выбивались в настоящие "заводчики": становились владельцами вододействующих доменных, передельных железоделательных (так называемых "молотовых") и медеплавильных заводов-мануфактур в Тульском крае и за его пределами. Более всех из их числа известны Демидовы. Прибавим к ним Красильниковых, Ареховых, три ветви рода Баташевых, две - Мосоловых. По некоторым сведениям тульский оружейник Иван Тимофеевич Баташев начинал карьеру приказчиком Никиты Демидова (1656-1725). К постройке своего первого вододействующего завода на р. Тулице он приступил в 1716 г. и уже в 1717 закончил ее. За ним последовал Медынский (Грязненский) завод: в 1728 г. было пущено молотовое производство, в 1730 - домна. Особенно успешно хозяйство Баташевых развивалось во 2 половине 18 в. при внуках основателя Андрее (ок.1730-1799) и Иване (ок.1733-1821) Родионовичах.

На протяжении 18 в. Баташевы этой линии рода владели 18 заводами, из которых 14 построили сами. Они явились основателями Приокского горнометаллургического района, включавшего территории пяти губерний. На рубеже 18 и 19 вв. каждый девятый пуд российского чугуна был баташевским. Основными районами производства железа в Московском государстве в 16-17 вв. были Северо-Западная и Центральная Россия. В центральной зоне выделялись три района: расположенный к югу от Москвы Серпуховско-Тульский, к юго-востоку - Нижегородский и к северо-востоку - Ярославский. Район Серпуховско-Тульский включал территорию уездов Серпуховского, Тульского, Каширского, Алексинского, Дедиловского и Крапивенского. За исключением Серпуховского, все они входили позднее в состав Тульской губернии.

Связи большинства из них с железоделательной промышленностью прослеживаются уже с 16 в. Как правило, вовлеченные в металлургическое производство территории совпадали с местами рудодобычи. Так, в Дедиловском уезде в 5 верстах от города на р. Олень (Оленье) существовала гора, тянувшаяся вдоль реки на полверсты (около 500 м), поперек на 200 саж. (около 430 м), известная как место добычи руды. Другой район рудодобычи, обеспечивавший домников Тульского уезда, находился в 10-15 верстах от Тулы в Малиновой засеке. Особенно интенсивно его месторождения эксплуатировались в 18 в.

История развития электропривода в России.

Развитие электропривода связывается с разработкой российским академиком Б.С. Якоби первого двигателя постоянного тока вращательного движения. Использование данного мотора на небольшом судне, которое в 1838 году произвело пробные поездки на Неве, считается первым образцом практического построения электропривода. В последующем поступили и иные идеи использования электропривода, как например, для наведения артиллерийской установки, привода швейной машины и т.д. Всё-таки ввиду недостатка экономичных источников электроэнергии постоянного тока электропривод длительные годы не получал широкого использования. Важным импульсом развитию электропривода явились создание в 1889 году системы трехфазного тока и разработка трехфазного асинхронного электродвигателя, что способствовало широкому использованию электропривода. Основным научным произведением по теории электропривода стала статья российского инженера Д.А. Лачинова «Электромеханическая работа», опубликованная в 1880 году в журнале «Электричество». В ней содержались научно-обоснованные доводы в пользу электрического распределения механической энергии. Электрификация нашей державы и широкое использование в народном хозяйстве электроприводов стали возможны после принятия и реализации госплана электрификации РФ. Он предусматривал строительство новых и реконструкцию старых электростанций, развитие электротехнической промышленности. Были построены тепло и гидроэлектростанции, проложены тысячи километров кабельных линий, множество фабрик по производству электроприводов, электрических машин, сформированы учебно-экспериментальные и проектно-конструкторские институты, решавшие задачи введения электроприводов в народное хозяйство.

Тем временем впервые теория электропривода была упомянута как самостоятельная дисциплина в книжке С.А. Ринкевича «Электрическое распределение механической энергии. Особое внимание уделялось подготовке инженерно-технических и научных работников, призванных закладывать основы эксплуатировать электрические приводы.

Сильно вырастает роль важность использования техническими процессами электроприводов.

Будущее развитие электрификации и автоматизации технологических процессов, создание высокопроизводительных машин, механизмов и технологических комплексов во многом определяется развитием электропривода.

К ключевым направлениям развития современного электропривода относятся:

1) переход от нерегулируемого электропривода к регулируемому;

2) все более широкое использование регулируемых электроприводов с асинхронными и синхронными двигателями, в том числе и в высоковольтном исполнении ;

3) разработка и выпуск комплектных регулируемых электроприводов с использованием современных полупроводниковых преобразователей и микропроцессорных средств управления ;

4) повышение эксплуатационной надежности, унификации и улучшение энергетических показателей электропривода;

5) развитие научно-исследовательских работ по созданию математических моделей и алгоритмов технологических процессов, компьютерных средств проектирования электропривода.

Решение данных и прочих проблем даст возможность кардинально улучшить технико-экономические данные электропривода и создать тем самым базу для того последующего промышленного прогресса во всех отраслях экономики.

1. Общая часть

1.1 Описание технологического процесса углеподготовительного цеха №1

Углеподготовительный цех -- важнейший цех коксохимического завода. От ритмичности его работы зависит нормальный режим работы всего предприятия. Цех располагается параллельно блоку коксовых печей на расстоянии, обеспечивающем транспортировку угля конвейерной лентой или автоматизированным железнодорожным транспортом.

Усреднение состава угольной шихты ставит целью выравнивание качества углей внутри каждой группы их и проводится на складе в процессе разгрузки и укладки штабелей. Усредненными считаются угли, у которых все показатели качества разовых проб соответствуют среднему показателю за все время отбора проб.

Обогащение углей для понижения содержания в них минеральных примесей проводится методами отсадки, сепарации и Флотации. Отсадкой называется процесс разделения смеси компонентов по их плотности в турбулентном водном потоке, колеблющемся за счет пульсирующего тока воздуха в вертикальном направлении с определенной амплитудой и частотой. Этим методом обогащается до 50% углей.

Обогащение методом сепарации основано на разделении компонентов угля по плотности в тяжелых средах, в которых более легкий уголь всплывает. В качестве тяжелых сред используются стойкие минеральные суспензии пирита, барита и магнезита.

Методом флотации в настоящее время обогащается около 15% углей. В большинстве случаев для этого используются флотационные машины механического типа, в которых в качестве реагентов-собирателей применяются керосин, камфарное масло, флотореагент АФ-2.

Флотированный уголь подвергается затем обезвоживанию и сушке в барабанных сушилках или «КС».

Дозирование компонентов имеет большое значение для последующего составления угольной шихты заданного состава. Для этой цели угли шихты из бункеров с помощью дозаторов различной конструкции поступают на транспортер, которым подаются на окончательное измельчение. В качестве дозирующих устройств используются качающиеся, ленточные и тарельчатые питатели производительностью до 200 т в час.

Измельчение коксуемого сырья проводится для повышения однородности шихты, что способствует улучшению качества кокса. Так как насыпная масса шихты зависит от ее измельчения, что в свою очередь, определяет экономические показатели работы углеподготовительного и коксового цехов, то для шихт различного состава выбирают некоторую оптимальную степень измельчения. При этом, для обеспечения возможно более высокой плотности загрузки, выдерживают определенное соотношение частиц различного размера в шихте. Для измельчения углей используют дробилки различного типа: молотковые, роторные, ударного действия, инерционно-роторные и другие. Окончательное измельчение сырья для коксования может проводиться по двум схемам: по схеме ДШ, при которой измельчается вся масса шихты, и по более совершенной дифференцированной схеме ДК, учитывающей различную твердость измельчаемого материала, при которой каждый компонент шихты измельчается отдельно.

Шихтовка или смешение компонентов - это заключительная операция приготовления угольной шихты для коксования. Шихтовка осуществляется в смесительных машинах различной конструкции: дезинтеграторных, валковых, тарельчатых и в машинах барабанного типа производительностью до 1200 т. шихты в час.

Приём угля и подготовка шихты для коксования осуществляется в углеподготовительном цехе.

Подготовка шихты для коксования производится методом избирательного дробления углей с применением пневматической сепарации, что позволяет получать шихту лучшего качества, используя более дешёвые слабоспекающиеся марки.

Для разогрева смёрзшегося угля в вагонах в зимнее время в цехе имеется 3 гаража размораживания, которые позволяют вести разогрев 90 вагонов с углём одновременно.

Углеподготовительный цех полностью механизирован, все технологические прогрессы устойчиво и надёжно осуществляются машинами непрерывного действия. Это позволило эффективно внедрить комплексную автоматизацию производственного процесса с дистанционным управлением всеми механизмами.

Многолетнее сотрудничество с поставщиками - обогатительными фабриками даёт возможность прогнозировать и обеспечивать стабильное качество сырья.

Основная задача углеподготовительного цеха заключается в приготовлении угольной шихты заданного качества из углей, предназначенных для коксования. Производительность цеха составляет 5 млн. тонн шихты в год.

В зимний период при перевозках углей с повышенным содержанием влаги происходит их смерзание, в результате чего выгрузка угля затрудняется. Разгрузка смёрзшегося угля облегчается, если его размораживать в специальных теплогаражах. Размораживание осуществляется с помощью продуктов горения от сжигания коксового газа, которые подаются в распределительные газопроводы, уложенные в гараже вдоль железнодорожных путей. Температура в гараже 100-110 °С, продолжительность размораживания составляет в зависимости от толщины промёрзшего слоя 1,5-3,0 часа. На заводе имеется 2 гаража размораживания ёмкостью 60 вагонов.

Прибывшие угли при помощи двух роторных стационарных сдвоенных вагоноопрокидывателей. При повороте роторов на 15^о платформы с вагоном под действием собственной тяжести перемещаются до полного прилегания вагона к привалочным стенкам роторов. При повороте на 170 - 175 оборотов привод отключается конечными выключателями. При обратном вращении роторов вагон возвращается в исходное положение. Уголь из вагонов попадает в два железобетонных бункера. Под бункерами установлены высокопроизводительные ленточные конвейеры. Цель предварительного дробления - измельчить крупные куски угля, сделать его транспортабельным и более равномерным по крупности. Предварительное дробление производиться барабанными дробилками. Затем уголь проходит отделение железоотделителей. После дробления угли поступают в закрытый склад емкостью 140 тысяч тонн.

1.2 Технологические требования к электроприводу ленточного конвейера К22 углеподготовительного цеха №1

Требования к электроприводам, исходя из условий эксплуатации, следующие:

· Электроприводы должны обязательно соответствовать требованиям ГОСТ 14691-69, ГОСТ 7192-89, ГОСТ 12997-84.

· Все электрические приводы и комплектующие необходимо изготавливать с определенной степенью защиты, а по требованию заказчиков можно изготавливать электроприводы с повышенной степенью защиты.

· Предъявляемые требования по взрывобезопасности приводят к необходимости изготовления электроприводов не только в обычном, но и во взрывозащищенном исполнении.

· Все электрические приводы должны быть стойкими к различным видам ударных или вибрационных нагрузок во избежание их разрушения.

· Оборудование должно оставаться работоспособным и сохранять все параметры и характеристики, несмотря на воздействие постоянного магнитного поля и переменных полей с различной сетевой частотой.

Требования к электроприводу в отношении видов и функций управления заключаются в том, что электрические приводы должны обеспечивать такие виды управления как:

· ручное по месту с использованием ручного дублера,

· дистанционное управление с постоянных пультов

· автоматическое управление с помощью специальных технических средств по типовым алгоритмам.

· Плавный разгон

· Плавное торможение

· Диапазон регулирования частоты вращения 1/20

Говоря о требованиях к электроприводу, стоит отметить и предъявляемые требования к конструкции. Электрические приводы изготавливают и разрабатывают под конкретные виды энергетической арматуры в качестве инструмента управления ею. Они делятся на однооборотные, многооборотные и прямоходные. Исходя из конструкции и выполняемых функций, электроприводы подразделяются на два вида: для регулирующей и для запорной арматуры, а в зависимости от типа сочленения с арматурой электроприводы бывают встроенные и выносные.

Еще одно из требований, предъявляемых к электроприводу, является то, что в его состав должны входить такие конструктивные элементы:

· Электродвигатель, который обеспечивает перемещение у арматуры рабочего органа;

· Редуктор, который обеспечивает необходимую скорость перемещения у выходного вала электрического привода;

· Устройство ограничения крутящего момента. Этот элемент обеспечивает необходимый уровень уплотнения электродвигателя при полном открытии или закрытии запорной арматуры;

· Устройство для отключения электрического привода при крайних положениях запорного органа.

1.3 Характеристика работающего электрооборудования. Кинематическая схема электропривода ленточного конвейера и ее описание. Обоснование темы дипломного проекта

Таблица 1 - Название и значение параметра

Q - производительность конвейера m/ч	450
b - ширина ленты мм	1100
L - длина конвейера м	110
Н - высота подъема конвейера м	10
V - скорость движения ленты м./сек	2
К1 - коэффициент длинны ленты.	1,00
К2 - коэффициент характера работы.	1,00
К3 - коэффициент конфигурации конвейера.	1,03
К - коэффициент холостого хода.	77
Dб - диаметр ведущего барабана. мм	925
i - передаточное число редуктора.	17,5

Модернизация электропривода ленточного конвейера необходима в связи с тем, что в результате долгого использования в тяжелых условиях электрооборудование механизма ленточного конвейера углеподготовительного цеха №1 ЧерМК ОАО «Северсталь» физически и “морально” износилось и требует замены. Модернизация данного электропривода заключается в установке:

· частотного преобразователя, с устройствами электромагнитной совместимости;

· Программируемого логического контроллера

· автоматического выключателя;

· кабеля Profibus;

· разъема для CPU;

· термисторной защиты двигателей;

· контактора;

· вентилятора с решеткой и фильтром;

· выходного фильтра, нагревателя;

· термостата;

· светильников с соединительными кабелями;

· шины заземления;

· клеммника.

Внедрение проекта имеет следующие преимущества:

· постоянная перегрузочная способность на всем диапазоне регулирования;

· плавный пуск;

· плавное торможение;

· широкий диапазон регулирования скорости;

· экономия расхода электроэнергии;

· простота обслуживания;

· ускоренные темпы устранения поломок, а следовательно и уменьшение простоя оборудования.

Новый электропривод позволит снизить затраты на электроэнергию, затраты на ремонт и обслуживание.

2. Специальная часть

2.1 Расчет мощности электродвигателя

Q = 450 m/ч-производительность конвейера

b = 1100 мм-ширина ленты

L = 110 м-длина конвейера

Н = 10 м-высота подъема конвейера

V = 2 м./сек-скорость движения ленты

К1 = 1,00 - коэффициент длинны ленты

К2 = 1,00 - коэффициент характера работы

К3 = 1,03 - коэффициент конфигурации конвейера

К = 77 - коэффициент холостого хода

Dб = 925 мм,- диаметр ведущего барабана

i = 17,5 - передаточное число редуктора

По формуле находим мощность электродвигателя

где К - коэффициент холостого хода.

К1 - коэффициент длинны ленты.

К2 - коэффициент характера работы.

К3 - коэффициент конфигурации конвейера.

Q - производительность конвейера

b - ширина ленты

L - длина конвейера

Н - высота подъема конвейера

V - скорость движения ленты

P

Скорость приводного барабана конвейера.

, (2)

где Dб - диаметр ведущего барабана

V - скорость движения ленты

Скорость приводного барабана конвейера равна

=

Скорость вращения электродвигателя.

(3)

где - скорость приводного барабана конвейера

i - передаточное число редуктора

Скорость вращения электродвигателя равна

=

Выбираем электродвигатель мощностью более 29,6 кВт, то есть установленный электродвигатель ВА225М8 со следующими характеристиками был выбран правильно (Литература 5):

· Мощность 30 кВт

· Частота вращения синхронная 750 Об/мин

· Частота вращения номинальная 735 Об/мин

· S скольжение =4%

· сosф = 0,8

· I_п/I_н= 5,4

· ?ном = 91 %

· I_ном⁼ 62,6 А

· Мп/Мн = 2,1

· Мmax/Мн = 2,2

· Мн= 390 Н*М

· J - динамический момент инерции ротора 0,7 кг*м²

2.2 Обоснование рода тока, выбор типа электродвигателя и системы управления

Главные критерии выбора:

1) Совокупная стоимость закупки регулируемого привода и требуемого дополнительного оборудования;

2) Текущие эксплуатационные расходы:

· обслуживание;

· производственные издержки, КПД, и т.д;

· требуемая площадь размещения.

3) Технологические и инновационные аспекты:

· динамический отклик, время разгона; 4-х квадрантные операции; аварийный стоп, и т.д.

· массо-габаритные характеристики.

4) Эксплуатационная надежность, пригодность приводов:

· соответствие международным требованиям и стандартам IEC, ГОСТ Р, EN, CE-EMC; CSA, UL, и т.д.;

· условия окружающей среды; степень защиты корпуса; ремонт "по-месту".

5) Воздействие на внешнюю среду:

· искажение сетевого напряжения;

· ЭМС.

6) Требуемое пространство для преобразователя и двигателя;

7) Отвод тепла.

В первом приближении существенных отличий между этими приводами не так и много, однако, при более детальном рассмотрении, выявляются характерные особенности приводов и различие физических принципов функционирования.

Рассмотрим отличия приводов по следующим пунктам:

· Различия между двигателями постоянного и переменного тока

Обычно используемая независимая вентиляция гарантирует хороший отвод тепла от ротора двигателя постоянного тока во всем диапазоне скоростей.

Обычно используемая самовентиляция в стандартных асинхронных двигателях не является эффективной во всем диапазоне скоростей. На низких скоростях отвод тепла фактически не возможен и для его отвода применяют дополнительную вентиляцию.

· Характеристики отношения мощности и скорости в режиме S1 двигателей постоянного и переменного тока:

1) В отличии от стандартного асинхронного двигателя с фиксированной базовой (номинальной) частотой вращения, двигатель постоянного тока может быть спроектирован с базовой частотой вращения в диапазоне примерно от 300 до 4000 об/мин для каждой рабочей точки.

2) В зависимости от типоразмера двигатели постоянного тока могут иметь область работы с ослаблением поля 1:3 или 1:5.

Сравнение рабочих характеристик двигателей показывает, что двигатель постоянного тока выгоднее асинхронного при продолжительной работе на низких скоростях и для широкого диапазона скоростей при постоянной мощности.

Перегрузочная способность в кратковременном режиме зависит не только от параметров двигателя, но в большой степени от характеристик преобразователя частоты. Чем шире диапазон скоростей, в котором двигатель может выдать максимальную мощность, тем он лучше может быть адаптирован к процессам, требующим обеспечения постоянного момента во всем диапазоне скоростей.

· Типоразмеры, моменты инерции и время разгона:

Основные технические различия двигателей постоянного и переменного тока это методы формирования магнитного потока и рассеивание потерь мощности и различные размеры и моменты инерции ротора, при одном и том же номинальном моменте вращения двигателя.

Двигатели постоянного тока имеют значительно меньшую высоту оси вращения и массу ротора, чем асинхронные двигатели, и следовательно обладают более низким моментом инерции ротора, что является существенным преимуществом в высоко динамичных применениях, так как это влияет на время разгона и динамический отклик двигателя в двигательных и тормозных режимах.

· Широкий диапазон скоростей при постоянной мощности:

Двигатель постоянного тока обеспечивает широкий диапазон скоростей, при котором двигатель может выдавать максимальную мощность и требуется меньший запас по мощности двигателя Pmax(двиг.) / Pmax(нагруз.).

· Различия между тиристорными преобразователями постоянного тока и преобразователями частоты:

Переход тока от одного тиристора к другому начинается с пускового импульса, и после этого продолжается в линейно взаимосвязанном режиме. Это значит, что напряжение между коммутируемыми фазами сети поляризуется таким образом, что ток вновь открываемого тиристора увеличивается, и запирает предшествующий тиристор, снижая его ток до ноля. Коммутация тиристоров производится естественным путем (напряжением сети), при переходе тока через ноль запирание тиристоров происходит без каких-либо проблем даже при значительной перегрузке. Поэтому тиристоры могут выбираться не по пиковому току, а по среднедействующему номинальному току нагрузки.

Хотя входной выпрямительный мост преобразователя частоты работает подобно приводу постоянного тока, однако выпрямленный им ток должен быть преобразован обратно в 3-х фазный переменный с помощью инвертора. Так как у постоянного тока нет никаких переходов через ноль, то переключающие элементы должны прерывать полный ток нагрузки. Когда транзистор закрывается, ток проходит через обратный диод на противоположный полюс напряжения постоянного тока. Переключение происходит без контроля напряжения, но оно возможно в любое время независимо от формы сетевого напряжения.

Результат: Коммутация в преобразователях частоты происходит с большой частотой и в выходном напряжении появляется высокочастотная составляющая, и могут возникнуть проблемы с электромагнитной совместимостью.

В преобразователях постоянного тока есть только один контур преобразования энергии (AC > DC). В преобразователях частоты два контура преобразования энергии (AC > DC и DC > AC), т.е. потери мощности удваиваются по сравнению с приводами постоянного тока.

Потери мощности, полученные эмпирическим путем следующие: ППТ - 0.8 %... 1.5% от номинальной мощности; ЧРП - 2 %... 3.5% от номинальной мощности.

· Реактивная мощность:

Оба типа приводов потребляют реактивную мощность из сети. Её размер не значителен в частотно-регулируемых приводах, а в приводах постоянного тока более значителен и зависит от частоты вращения двигателя. Предпочтение в этом вопросе имеют частотные приводы.

Значения, полученные эмпирическим путем для приводов постоянного тока:

· 1-кварантные приложения - cos ? 0...0.9

· 4-квадрантные приложения - cos ? 0...0.85

Значения, полученные эмпирическим путем для частотно-регулируемых приводов:

· 1-кварантные приложения (с диодным входным мостом) - cos ? 0.99

· 4-квадрантные приложения (с тиристорным входным мостом и рекуперацией в сеть) - cos ? 0.9

Вывод:

Исходя из выше перечисленного, можно сделать вывод о том, что в данном случае предпочтительнее двигатель переменного тока, чем двигатель постоянного, т.к. нет продолжительной работы на низких скоростях, не предполагаются частые динамичные разгоны и торможения, широкий диапазон регулирования скоростей при постоянной мощности не требуется.

2.3 Обоснование и выбор преобразователя частоты и дополнительного оборудования

По уровню напряжения питания существует три варианта преобразователей: 380-415, 500-525 и 600-690 В. По степени защиты оболочки они бывают IP 23 и IP 54. Существует два варианта системы охлаждения: с общим и с раздельным контуром охлаждения.

В последнем случае охлаждение силовых элементов происходит отдельным потоком воздуха, заключенным в специальные воздуховоды, что предотвращает перегрев управляющей части преобразователя, которая охлаждается отдельным вентилятором. При большой мощности силовая часть охлаждается жидкостным контуром.

По способу управления электродвигателем частотные преобразователи можно разделить на две группы: с векторным и скалярным управлением, и каждая модель имеет свои преимущества и недостатки.

Скалярный тип управления. При скалярном (частотном) управлении формируются гармонические токи фаз двигателя это означает, что управление чаще всего поддерживается постоянным отношение максимального момента двигателя к моменту сопротивления на валу. То есть при изменении частоты амплитуда напряжения изменяется таким образом, что отношение максимального момента двигателя к текущему моменту нагрузки остается неизменным. Это отношение называется перегрузочная способность двигателя. При постоянстве перегрузочной способности номинальные коэффициент мощности и к.п.д. двигателя на всем диапазоне регулирования частоты вращения практически не изменяются. Важным достоинством скалярного метода является возможность одновременного управления группой электродвигателей. Скалярный способ управления позволяет осуществлять легкую регулировку, даже при использовании заводских настроек.

Векторный тип управления. Векторное управление -- метод управления синхронными и асинхронными двигателями, не только формирующим гармонические токи (напряжения) фаз, но и обеспечивающим управление магнитным потоком ротора (моментом на валу двигателя).

Векторное управление применяется в случае, когда в процессе эксплуатации нагрузка может меняться на одной и той же частоте, т.е. нет четкой зависимости между моментом нагрузки и скоростью вращения, а также в случаях, когда необходимо получить расширенный диапазон регулирования частоты при номинальных моментах, например, 0…50 Гц для момента 100% или даже кратковременно 150-200% от Мном, это позволяет существенно увеличить диапазон управления, точность регулирования, повысить быстродействие электропривода. Этот метод обеспечивает непосредственное управление вращающим моментом двигателя. Вращающий момент определяется током статора, который создает возбуждающее магнитное поле. При непосредственном управлении моментом необходимо изменять кроме амплитуды и фазу статорного тока, то есть вектор тока. Этим и обусловлен термин «векторное управление». Векторный способ управления преобразователем частоты позволяет осуществлять гораздо более качественное управление электродвигателем, нежели скалярный. Зато настройка такого преобразователя требует глубоких познаний в области устройства электропривода и электрических машин.

Метод векторного управления с обратной связью по скорости- используется для прецизионного регулирования (необходимо использовать инкрементальный энкодер) скорости, когда в процессе эксплуатации нагрузка может меняться на одной и той же частоте, т.е. нет четкой зависимости между моментом нагрузки и скоростью вращения, а также в случаях, когда необходим максимальный диапазон регулирования частоты при моментах близких к номинальному.

Векторный метод работает нормально, если введены правильно паспортные величины двигателя и успешно прошло его автотестирование. Векторный метод реализуется путем сложных расчетов в реальном времени, производимых процессором преобразователя на основе информации о выходном токе, частоте и напряжении.

Процессором используется так же информация о паспортных характеристиках двигателя, которые вводит пользователь. Время реакции преобразователя на изменение выходного тока (момента нагрузки) составляет 50…200 мсек. Векторный метод позволяет минимизировать реактивный ток двигателя при уменьшении нагрузки путем адекватного снижения напряжения на двигателе. Если нагрузка на валу двигателя увеличивается, то преобразователь адекватно увеличивает напряжение на двигателе. Кроме того, для непосредственного управления моментом при малых, близких к нулевым скоростям вращения работа частотно регулируемого электропривода без обратной связи по скорости невозможна. Векторное управление с датчиком обратной связи скорости обеспечивает диапазон регулирования до 1:1000 и выше, точность регулирования по скорости - сотые доли процента, точность по моменту - единицы процентов.

Расчет номинального и динамического момента на валу двигателя:

Мn=9554·Рn\n,

где Pn - номинальная мощность двигателя, указанная на шильдике (кВт);

n - частота вращения (об/мин), до которой нужно разогнать двигатель за время t;

Мn=9554*30/735=390 Н*м

Мd=(J·n)\(9.55·t),

где J - приведенный к валу двигателя момент инерции нагрузки (Нм²). Если вал двигателя не связан с инерционными механизмами или двигатель работает на холостом ходу, то приведенный момент инерции равен моменту инерции ротора двигателя;

n - частота вращения (об/мин), до которой нужно разогнать двигатель за время t;

t - время (сек) в течение которого требуется разогнать двигатель до частоты вращения n;

Мd=(0,7*735)/(9,55*2)=26,93 Нм

Расчет пусковой мощности двигателя:

Рр=[(k·n)\(9550·з·соsц)]( Мn+ Мd)

N - частота вращения (об/мин), до которой нужно разогнать двигатель за время t;

T - время (сек) в течение которого требуется разогнать двигатель до частоты вращения n;

K - коэффициент искажения тока, на выходе ПЧ. k = 0,95 - 1,05; При расчете предельных параметров лучше использовать максимальное значение коэффициента;

З - коэффициент полезного действия (КПД) двигателя;

Cosц - берется из спецификации на двигатель, примерно равен 0,8 - 0,85.

Рр==[(1,05·735)\(9550·0,91·0,8)]( 390+ 26,93)=45,86

На основании этой величины выбирается рабочая мощность преобразователя частоты, которая должна соответствовать условию:

Рпч=Рр\1.5,

Рабочая мощность преобразователя

Рпч=45,86/1,5=30 (кВт)

При этом ток, который потребляет электродвигатель при линейном разгоне - Id, не должен превышать пусковой ток преобразователя частоты.

Йd=[k·n\(9.55·з· соsц·Un·?3)]·( Мn+ Мd),

Ток, который потребляет электродвигатель при линейном разгоне

Йd=[1,05·735\(9.55·0,91·0,8·380·?3)]·( 390+ 26,93)=70 А

Для установленного электродвигателя выбираю частотный преобразователь следующего типа ATV71HD30N4 со следующими характеристиками:

· Номинальная мощность двигателя - 30 кВт

· Напряжение сети - 380 В

Кроме применения с низковольтными двигателями (380-690 В), преобразователи Altivar 71 идеально подходит для построения высоковольтных приводов с применением двух трансформаторной схемы: понижающий трансформатор - преобразователь - моторный фильтр - повышающий трансформатор - двигатель. Основными преимуществами такого решения по сравнению с преобразователями, имеющими высоковольтный инвертор, являются: ценовое преимущество, простота установки и обслуживания хорошо известной модели, практическое отсутствие высокочастотных токов утечки в двигателе и отсутствие риска выхода двигателя из строя из-за большого du/dt или перенапряжения (синусоидальное напряжение питания двигателя переменной частоты), практически не ограниченная длина кабеля двигателя. В связи с тенденцией повышения мощности низковольтных двигателей с дальнейшей заменой высоковольтных двигателей на низковольтные, преобразователь может использоваться без замены.

Для выбранного частотного преобразователя выбираем дополнительное оборудование:

1) Дроссель постоянного тока типа VW3 A4510

Дросселем называется статическое электромагнитное устройство, предназначенное для использования в качестве регулируемого и нерегулируемого индуктивного сопротивления.

Предназначены для подключения к входу или выходу инверторов и других устройств преобразования частоты для уменьшения электромагнитных помех.

· Значение индуктивности - 0,52 мГн

· Номинальный ток -84,5 А

2) Сетевой дроссель типа VW3 A4556:

· Сетевой ток короткого замыкания - 22 кА

· Значение индуктивности - 0,3 мГн

· Номинальный ток - 100 А

Дроссель сетевой ослабляет броски напряжения в сети при включении или выключении крупных потребителей. Это не редкость, так как в России качество подводимой электроэнергии оставляет желать лучшего. Использование этого устройства существенно влияет на форму потребляемого тока и значительно приближает его к синусоидальной. При использовании дросселя сетевого в диапазоне от 10 кГц до 300 кГц достигается уменьшение нагрузочных помех вплоть до 30 Db, а также продлевается срок службы конденсаторов промежуточного контура. При использовании устройства ограничивается скорость нарастания тока, если преобразователь, по каким-либо причинам вышел из строя. При этом успевает сработать входной автомат отключения питания, и повреждения оказываются минимальными, и, как следствие, более дешевый ремонт. Коэффициент, характеризующий не синусоидальность формы, в случае без сетевого дросселя равен 66%, при его использовании равен 89%. Надежность преобразователя увеличивается в 5 - 7 раз.

3) Входной фильтр типа VW3 A4 407:

· Номинальный ток - 92 А

Входные фильтры применяются для сглаживания фронта и уменьшения амплитуды выброса всплесков силового переменного питающего напряжения. Дополнительно они уменьшают амплитуду пульсаций тока, потребляемого частотным преобразователем от сети. При отсутствии всплесков напряжения в питающей сети установка фильтров не требуется.

4) Синусный фильтр типа VW3 A5 204

· Номинальный ток - 66 А

Синусные фильтры рекомендованы для применения в следующих случаях:

· Когда требуется устранить акустический шум от двигателя при коммутации;

· При запуске старых двигателей с изношенной изоляцией;

· В случае эксплуатации с частым рекуперативным торможением и с двигателями, не соответствующими требованиям стандарта IEC 60034-17;

· Когда двигатель установлен в агрессивной внешней среде или работает при высоких температурах;

· При подключении двигателей экранированными или неэкранированными кабелями длиной от 150 до 300 метров. Использование кабелей двигателя длиной более 300 метров зависит от конкретного применения.

· При необходимости увеличить интервал техобслуживания двигателя;

· При пошаговом увеличении напряжения или в других случаях, когда преобразователь частоты питается от трансформатора;

· С двигателями общего назначения, использующими напряжение 690 В.

Синусные фильтры могут использоваться с частотой коммутации выше номинального значения, но их нельзя использовать при частоте коммутации ниже номинального значения (для данной модели фильтра) более чем на 20 %. Поэтому в настройках частотного преобразователя следует ограничить минимально возможную частоту коммутации в соответствии с паспортными данными фильтра. Кроме того, в случае применения синусного фильтра не рекомендуется повышать частоту выходного напряжения ПЧ выше 70 Гц. В некотором случае необходимо ввести в ПЧ значения емкости и индуктивности синус-фильтра.

5) Тормозное сопротивление VW3 A7 704

· Сопротивление - 15 Ом

Тормозные резисторы используются для обеспечения работы электропривода в механизмах с большими инерционными массами в тех случаях, когда необходимо производить быстрое торможение двигателя.

При торможении электропривода тормозной резистор подключается к шине постоянного тока внутри преобразователя частоты, и на нем рассеивается энергия от электродвигателя.

Тормозной резистор подключается к специальным клеммам преобразователя частоты или к внешнему тормозному прерывателю.

Общее сопротивление тормозных резисторов определяется мощностью преобразователя и режимом торможения.

6) Дроссель двигателя VW3A5103

· Номинальный ток - 90 А

Трехфазные линейные дроссели для преобразователей частоты устанавливаются в питающем кабеле со стороны линии. Переменный ток промышленной частоты является основной составляющей тока, проходящей через дроссель.

Дроссели ограничивают влияние искажений напряжения в виде высших гармонических составляющих источника питания на устройство. Они также снижают переменные токи с частотами, определяемыми коммутацией управляемого выпрямителя на входе конденсаторов звена постоянного тока.

2.4 Обоснование и выбор программируемого логического контроллера

Для управления электроприводом механизма ленточного конвейера и всем технологическим процессом выбираю контроллер фирмы SIEMENS S7 - 300.

Контроллеры - это многофункциональные устройства, представляющие собой приборы на базе микропроцессора, оснащенные различными функциональными возможностями и предназначенные для управления технологическими процессами в промышленности. Принцип работы контроллеров заключается во взаимной передаче данных от специальных датчиков, расположенных на рабочих узлах оборудования, к процессору контроллера, и обратно.

Первое поколение контроллеров выпускалось с заранее определенным набором функций управления, так как каждый из них был предназначен на какой-то определенный тип оборудования. А вот современные программируемые логические контроллеры - это по-настоящему универсальные устройства, позволяющие успешно решать любые задачи по автоматизации.

Для того, чтобы выбрать для своего производства оптимальный тип контроллера, необходимо обладать полным представлением об объекте автоматизации. Ведь от конкретных функций, которое выполняет то или иное оборудование, от типов производственных процессов, будут зависеть и тип контроллера, и набор датчиков, которым он должен быть оснащен.

Области применения контроллеров:

· автоматизация машин специального назначения;

· автоматизацию текстильных и упаковочных машин;

· автоматизацию машиностроительного оборудования;

· автоматизацию оборудования для производства технических средств управления и электротехнической аппаратуры;

· построение систем автоматического регулирования и позиционирован;

· автоматизированные измерительные установки;

· в автомобильной промышленности, машино- и станкостроении;

· для управления конвейерами;

· в обрабатывающей промышленности;

· в системах управления пассажирским транспортом;

· в системах материально-технического обеспечения.

Программируемые контроллеры Siemens S7-300 выпускаются в трех вариантах:

· Контроллеры Siemens SIMATIC S7-300 стандартного исполнения для эксплуатации в нормальных промышленных условиях.

· Контроллеры Siemens SIMATIC S7-300F с встроенными функциями автоматики безопасности для эксплуатации в нормальных промышленных условиях.

· Контроллеры Siemens SIPLUS S7-300 для наружной установки и эксплуатации в тяжелых промышленных условиях.

Модульный программируемый контроллер Siemens Simatic S7-300

Siemens SIMATIC S7-300 - это модульный программируемый контроллер универсального назначения.

Модульная конструкция, работа с естественным охлаждением, возможность применения структур распределенного ввода-вывода, удобство обслуживания обеспечивают экономичность применения SIMATIC S7-300 при решении широкого круга задач автоматизации.

Области применения SIMATIC S7-300 охватывают автоматизацию:

· Машин специального назначения.

· Текстильных машин.

· Упаковочных машин.

· Систем общего машиностроения.

· Производства средств автоматизации.

· Производства инструмента.

· Электротехнических и электронных производств и т.д.

Несколько типов центральных процессоров различной производительности и широкий спектр модулей различного назначения с множеством встроенных функций позволяют выполнять максимальную адаптацию оборудования к требованиям решаемой задачи. При модернизации и развитии производства контроллер может быть легко дополнен необходимым набором модулей.

SIMATIC S7-300 является универсальным контроллером:

· Он является идеальным изделием для работы в промышленных условиях благодаря высокой степени электромагнитной совместимости, высокой стойкости к вибрационным и ударным нагрузкам.

· Модульный программируемый контроллер универсального назначения для решения задач автоматизации низкой и средней степени сложности.

· Широкий спектр модулей для максимальной адаптации аппаратуры к решению любой задачи.

· Высокая гибкость, возможность использования систем распределенного ввода-вывода, мощные коммуникационные возможности.

· Удобная конструкция, простота монтажа, работа с естественным охлаждением.

· Простота расширения системы в ходе модернизации объекта.

· Высокая производительность благодаря наличию большого количества встроенных функций.

· Функции программируемого контроллера Siemens SIMATIC S7-300

Программируемые контроллеры Siemens SIMATIC S7-300 поддерживают широкий набор функций, позволяющих в максимальной степени упростить процесс разработки программы, ее отладки, снизить затраты на выполнение монтажных и пуско-наладочных работ, а также на обслуживание контроллера в процессе его эксплуатации:

Быстрое выполнение команд:

· Времена выполнения команд около 0.1 мкс позволяет использовать контроллер для решения широкого спектра задач автоматизации в различных областях промышленного производства.

· Поддержка математики с плавающей запятой:

· Позволяет поддерживать сложные комплексные алгоритмы цифровой обработки информации.

Удобный интерфейс настройки параметров:

· Для настройки параметров всех модулей используются простые инструментальные средства с единым интерфейсом пользователя. Это существенно снижает затраты на обучение персонала.

Человеко-машинный интерфейс (HMI):

· Функции обслуживания человеко-машинного интерфейса встроены в операционную систему контроллера S7-300. Эти функции позволяют существенно упростить программирование: система или устройство человеко-машинного интерфейса SIMATIC HMI запрашивает необходимые данные у контроллера SIMATIC S7-300, контроллер передает запрашиваемые данные с заданной периодичностью. Все операции по обмену данными выполняются автоматически под управлением операционной системы контроллера. Все задачи выполняются с использованием одинаковых символьных имен и общей базы данных.

· Диагностические функции:

· Центральные процессоры оснащены интеллектуальной системой диагностирования, обеспечивающей постоянный контроль и регистрацию отказов и специфичных событий (ошибки таймеров, отказы модулей и т.д.). Сообщения об этих событиях накапливаются в кольцевом буфере и снабжаются метками даты и времени, что позволяет производить дальнейшую обработку этой информации.

· Парольная защита:

· Парольная защита обеспечивает эффективную защиту программ пользователя от несанкционированного доступа, попыток копирования или модификации программы.

Основные характеристики Siemens SIMATIC S7-300

· S7-300 имеет модульную конструкцию и позволяет использовать в своем составе широкий спектр модулей самого разнообразного назначения. Все модули работают с естественным охлаждением. В зависимости от типа используемого центрального процессора система локального ввода-вывода программируемого контроллера S7-300 может включать в свой состав до 32 модулей. В этом случае все модули контроллера располагаются в одном базовом блоке и стойках расширения, которых может быть не более 3.

· Модули расширения для Siemens SIMATIC S7-300:

· Модули центральных процессоров Siemens CPU:

· для решения задач различного уровня сложности может использоваться несколько типов центральных процессоров различной производительности, включая модели с встроенными входами-выходами и набором встроенных технологических функций, а также модели с встроенным интерфейсом PROFIBUS DP, PROFIBUS DP/ DRIVE, Industrial Ethernet/ PPROFINET, PtP.

· CPU 312 для автоматизации небольших установок

· CPU 314 для решения задач автоматизации, требующих большего объема программ и более высокого быстродействия

· CPU 315-2 DP для решения задач автоматизации, требующих использования программ среднего и большого объема, а также систем распределенного ввода-вывода на основе PROFIBUS DP

2.5 Расчет и выбор коммутационной аппаратуры

Основными характеристиками автоматов являются:

· номинальный ток Iном

· напряжение Uном

· номинальный ток расцепителя Iнр

· Ток срабатывания(ток установки) расцепителя Iср

Номинальным током расцепителя называют наибольшее значение тока, длительнее прохождение которого не вызывает срабатывания расцепителя. Током уставки рацепителя называют наименьшее значение тока, при прохождении которого расцепитель срабатывает. Сочетание теплового расцепителя с максимальным электромагнитным расцепителем образует комбинированный расцепитель, который имеет две уставки срабатывания при перегрузках Iсп и уставку мгновенного срабатывания при коротких замыканиях Icк.

Выбор автоматических выключателей производится с соблюдением следующих условий:

1) Номинальное напряжение автомата не должно быть ниже напряжения сети, т.е

Uном > 380В

1. Номинальные токи автомата и его расцепителя не должны быть меньше максимального рабочего тока, т.е.

Iн ? Iраб

2. Автомат должен отключать максимальные токи КЗ, проходящие по защитной линии

Iоткл ? I кmax

Выбор производится по номинальному току.

Для защиты преобразователя частоты от токов короткого замыкания в автоматическом выключателе используется электромагнитный расцепитель. Ток уставки электромагнитного расцепителя определяется по формуле:

Iуст э.м=3*I ном пч (10)

Iуст э.м=3*110=330 А

Контакторы должны выбирается по следующим основным параметрам:

· По назначению и области применения,

· По категории применения

· По величине механической и коммутационной износостойкости

· По числу и исполнению главных и вспомогательных контактов

· По роду тока и величинам номинального напряжения и тока главной цепи

· По номинальному и потребляемой мощности выключающих катушек

· По режиму работы

· По климатическому исполнению и категории размещения

2.6 Расчет и выбор силовых и контрольных кабелей

Выбор сечения проводников по экономической плотности тока:

Выбирается четырехжильный кабель кабеля типа ВВГнг с медными жилами 4*35, допустимым током 120 А, активное сопротивление 0,099 Ом/км, реактивное 0.073 Ом/км.

Проверяется по допустимому току:

I_доп I_ном,120 >88,52 А

Проверяется по потери напряжения :

Активное сопротивление r₀=0,099 Ом/км, реактивное сопротивление x₀= 0,073Ом/км

где I_н - номинальный ток станка, А

l - длинна кабеля, км

r₀ - активное сопротивление, Ом/км

х₀ - реактивное сопротивление, Ом/км

Находится потеря напряжения U%, в процентах от номинального по формуле:

где - потеря напряжения

U - напряжение сети, В

Так как 0,10%<5%, то кабель подходит по потере напряжения.

Выбранный кабель удовлетворяет всем условиям.

Выбор кабеля для преобразователя частоты

Выбираю трехжильный кабеля типа ВВГ с медными жилами 3*50, допустимым током 145 А.

2.7 Описание принципиальной схемы управления