Разработка электропривода переменного тока для механизма передвижения крана штабелера

Размещено на http://www.allbest.ru/

Курсовой проект

Разработка электропривода переменного тока для механизма передвижения крана штабелера

Москва 2014г.

Введение

В курсовом проекте выполним разработку системы управления механизма крана-штабелёра, который широко применяется во всех отраслях хозяйственной деятельности. Краны-штабелёры с автоматическим электроприводом, управляемые АВМ или оператором, обеспечивают автоматизацию грузоподъёмных и транспортных работ на складах и различных базах. К электроприводу крана-штабелёра предъявляются жёсткие требования: заданная точность остановки, высокая скорость, диапазон регулирования.

В настоящем курсовом проекте разработаем электропривод механизма передвижения тележки крана-штабелёра. В качестве электродвигателя применим систему преобразователь частоты с асинхронным короткозамкнутым электродвигателем (ПЧ-АД) со скалярным управлением.

Задание на курсовой проект

1. По техническим данным крана штабелёра, при Z циклов в час выбрать предварительный короткозамкнутый электродвигатель серии MTKF.

2. Построить нагрузочную диаграмму и тахограмму электропривода за цикл, а также естественные и искусственные механические характеристики в разомкнутом и замкнутом режиме работы на номинальной и минимальной скорости.

3. Произвести проверочный расчёт мощности электродвигателя на нагрев.

4. Определить передаточное число редуктора.

5. Выбрать тип ПЧ по техническим данным электродвигателя с учётом пускового тока.

6. Начертить принципиальную и функциональную электрическую схему силовой цепи и структурную схему электропривода.

Дать описание схемы. Начертить принципиальную и структурную схему аналогового задатчика интенсивности и дать его характеристику.

7. Рассчитать параметры передаточной функции структурной схемы.

8. Смоделировать работу электропривода за полуцикл его работы по приведённым программам и построить зависимость щ=f(t),M=f(t),s=f(t).

9. Сделать выводы, о соответствии расчётных данных с требуемыми.

Исходные данные

Все технические данные механизма передвижения тележки крана-штабелёра возьмём из контрольной работы 2.1. и запишем в таблицу 1. В таблицу запишем и расчётные: статические и динамические моменты с грузом и без груза, минимальную скорость, номинальную скорость, диапазон регулирования.

Для получения необходимого диапазона регулирования скорости и ограничения тока при пуске и торможении применить автоматическую систему регулирования с обратной связью по скорости с задатчиком интенсивности и отрицательной обратной связью по току с отсечкой для скалярного управления.

За базовые ПЧ взять схемы МУ, там же дано краткое описание схем ПЧ.

Значение количества циклов взять из таблицы 2 в соответствии с последней цифрой шрифта.

Ускорение(замедление) крана принять 0,3 м/с 2 .Пройдённый путь 10 м.

Таблица 1.

Наименование параметров	Цифры шифра
	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
Последняя цифра шифра
Масса поднимаемого груза mг, т	5	8	10	12,5	15	18	20	25	30	32
Масса тележки mт, т	2,5	3	3,5	4,4	5,2	6,2	7,5	8,4	10	11
Диаметр колеса, Dк, мм	200	250	300	400	400	500	600	600	600	700
Диаметр цапфы, dЦ, мм	50	50	60	60	70	70	70	75	80	80
Предпоследняя цифра шифра
Скорость передвижения тележки v, м/с	0,7	0,75	0,8	0,85	0,9	1	1	1,05	1,1	1,15
Относительное отклонение скорости (заданное) ?щ/щмин.с	0,04	0,05	0,04	0,05	0,06	0,07	0,05	0,06	0,07	0,08
Ускорение силы тяжести, g	9,81м/с 2
КПД передачи зпер	0,85
Линейное ускорение а м/сек 2	0,3
Частота вращения двигателя об/мин	900
Продолжительность включения ПВ %	40
Заданная точность остановки ?S мм	8
Номинальная скорость двигателя щн рад/сек	94,2
Напряжение фазное U1ф В	220

Выполнение работы.

Предварительный выбор короткозамкнутого электродвигателя серии MTKF.

Для расчёта мощности двигателя определим статическое сопротивление движению тележки с грузом по формуле:

Fcт=(mг+ mт)*g*((2*f+dц*м)/Дк)*Кр,

где mг - масса груза, кг;

mт - масса тележки, кг;

Дк - диаметр колеса, м;

dц - диаметр вала цапфы, м;

g - ускорение силы тяжести, м/с 2 ;

м - коэффициент трения подшипников; м =0,02

f - коэффициент трения качения, м. f =110*10-3

Кр = 2,5 - коэффициент, учитывающий сопротивление от трения реборд ходовых колёс и головки рельсов и сопротивление от троллей.

Определим статическое сопротивление движению тележки с грузом:

Fcт.г=(25000 + 8400)*9,81*((2*10*10-3 +0,075*0,02)/0,6)*2,5 =

327654*((0,020 +0,0015)/0,6)*2,5=327654*0,03583*2,5 = 29350 Н.

Определим статическое сопротивление движению тележки без груза, при mг =0:

Fcт.б.г= 8400 *9,81*((2*10*10-3 +0,075*0,02)/0,6)*2,5 =

82404*((0,020 +0,0015)/0,6)*2,5=82404*0,03583*2,5 = 7381 Н.

Номинальную статическую мощность двигателя с грузом определим по формуле:

Рдв.г =(Fcт *Vн)/зпер

где зпер =0,85, КПД передачи.

Рдв.г =(29350*0,85)/0,85 =29 кВт.

Номинальная статическая мощность двигателя без груза:

Рдв.б.г =(7381*0,85)/0,85 = 7 кВт.

По расчётным данным выбираем двигатель типа MTKF из таблицы 3.

Тип электро-двигателя	Рн кВт	nн об/мин	Iстн А	Cosц	Ммак Нм	J,кг*м 2
MTKF412-6	30	935	70	0,78	981	0,64
	r1Ом	x1Ом	r2Ом	x2Ом	rстОм	хм	К*104 привед.сопрот
MTKF412-6	0,124	0,197	0,236	0,251	0,1691	4,04	0,173

Мст = Рст/щн

Мст.г =29000/94,2=307,856 Н.м

Мст.бг = 7000/94,2=74,30 Н.м

J У = Jдв + 0,5 *Jдв + ((mг+ mт)* Vн 2)/щн 2)

Приведённый суммарный момент инерции J У для тележки с грузом равно:

J У = (0,64 + 0,5*0,64) + ((25000 + 8400)* 0,7225)/8873,64) = 0,96 +2,719 =3,679 кг*м 2

Приведённый суммарный момент инерции J У тележки без груза, при mг =0 равно:

J У =(0,64 + (0,5*0,64) + ((8400 * 0,7225)/8873,64) = 0,96 +0,684 =1,644 кг*м 2

Произведём проверочный расчёт двигателя по перегрузочной способности:

Мдин =(J У * щн * а)/Vн),

где а линейное ускорение.

Мдин.г =(3,697 * 94,2 * 0,3)/ 0,85)= 122,914Н.м

Мдин.бг =(1,644 * 94,2 * 0,3)/ 0,85)= 54,658Н.м

Мп.г =Мст.г +Мдин.г

Мп.г =307,856 +122,914 =430,77 Н.м

Мп.бг =74,30 +54,658=128,958 Н.м

Мтор.бг = - Мст.бг*з2 + Мдин.бг

Мтор.бг = - 74,30*0,852 + 54,658= 0,976 Н.м

Мтор.г = - 307,856 *0,852 + 122,914= - 99,512 Н.м

Ммак.дв. ? 1,2* (Мст + Мдин.)

Ммак.дв. ? 1,2* (307,856+ 122,914)=537 Н.м

981 ? 516

Вывод: Таким образом, максимальный момент предварительно выбранного двигателя MTKF412-6 больше расчётного. Следовательно, двигатель выбран правильно.

Построение тахограммы и нагрузочной диаграммы за цикл.

Время цикла tц определяется временем движения тележки с грузом tсг и без груза tбг, а также паузами между работой электродвигателя.

Тц = tр.г +tр.бг + t0 =3600/z,

где z=80;

tр -время рабочее.

Тц =3600/80 = 45 сек

tр = (Тц *ПВ%)/100)

tр = (45 *40%)/100)=18 сек

Время работы с грузом и без груза равны между собой и определяются по формуле: tсг = tрбг = tр /2 электродвигатель сопротивление перегрузочный

tсг = tрбг = 18 /2 = 9сек

tпус =tтор = V/а,

где V - скорость передвижения тележки в м/с,

а- ускорение (замедление) при пуске в м/с 2 ;

tпус,tтор - время разгона и торможения

tпус = tтор = 0,85/0,3 = 2,83 сек.

Для построения тахограммы необходимо определить время движения установившейся скоростью при номинальной и минимальной скорости.

Время движения с минимальной скоростью за половину цикла принимается равным tmin =0,1 tр.

tmin =0,1*18 =1,8 сек

Тогда время движения с установившейся номинальной скоростью за половину цикла определим по формуле:

Tуст = tр - tпус - tтор - tmin

tуст = 18 - 2,83 - 2,83 - 1,8 = 10,54 сек.

Минимальную скорость двигателя определим из уравнения:

щmin=щн/D,

где D -диапозон регулирования скорости,

D= щн / щmin

D = 7 : 10

щmin=94,2/8 = 11,77 рад/сек

Расчёт механической характеристики двигателя при номинальной и минимальной скорости.

Механическую характеристику двигателя построим по формуле Клосса

М=(2*Мк*(1+а*sк))/(s/sк+sк/s+2asк)

Мк=(3*U1ф 2)/(2*щ0 *xк)

где хк=х 1+х 2 = 0,197+0,251= 0,448 Ом

- индуктивные сопротивления обмоток статора и ротора Ом

щ0 = ((2*р*f) /рп) = (2*3,14*50)/3= 104,67с-1

- скорость идеального холостого хода с-1

а= r1 / r2 а= 0,124 / 0,236=0,525 Ом

-- отношение активного сопротивления фазы статора к сопротивлению фазы ротора приведённому к статору Ом

sк= r2/vr12+xк 2 = 0,236/v0,1242 +0,4482 = 0,236/v0,21608= 0,236/0,465=0,507

. - относительная величина скольжения, когда ротор двигателя неподвижен s=1.

Мк=(3*48400)/(2*104,67 *(0,124+ 0,1242 +0,0482)= 1118,6Н.м

М=(2*1118,6*(1+0,525*0,507))/((0,099/0,507)+(0,507/0,099)+(2*0,525*0,507)) =3920,73/3,011=1302,14Н.м

Мн =30000/ 94,2=318,47Н.м

Проверка двигателя на нагрев.

На основании нагрузочной диаграммы определяется эквивалентный момент двигателя за цикл:

Мэкв. =v((Мпг 2+Мторг 2+Мпбг 2+Мторбг 2)*tп + (Мсг 2+Мсбг 2)*tуст)/ (2tуст+4tп*в1+t пауза* в2)

где в1 =0,5; в2 =0,3

Мэкв. ? Мн

Мэкв. =v((430,772+(- 99,512) 2+128,958 2+0,976 2)* 2,83 + (307,856 2+74,30 2)* 10,54)/(2*10,54+4*2,83*0,5+1,8*0,3)=v(600233,23+1075117,80)/27,28= 47,446 НмВывод: Момент эквивалентный меньше момента номинального, следовательно двигатель выбран правильно.

44,446 ? 318,47

Определение передаточного числа редуктора.

Для повышения точности остановки, при различных нагрузках систему управления и регулирования скорости электропривода настраивают на симметричный оптимум. Выбор передаточного числа редуктора произведём по формуле:

i= (щн * Dк)/ 2*Vн

i= (92,4 * 0,6)/ 2*0,85 =32,611

где Dк -диаметр колеса, м

Выбор типа преобразователя частоты.

Преобразователь частоты (ПЧ) выбирается по номинальной мощности электродвигателя по таблице 4 МУ с проверкой на пусковой ток. Пусковой ток определяется из уравнения:

iп = iн *(Мпг /Мдвн)

iп = 70 *(430,77 /318,47)=94,68 А

Технические характеристики преобразователя частоты.

Мощность двигателя, кВт	Номинальный ток, А
30	57

Описание электрической схемы электропривода с ПЧ.

В крановых электроприводах в основном применяются ПЧ со звеном постоянного тока на базе инвертора напряжения. Схема состоит из силовой схемы и схемы цепей управления и автоматического регулирования. Силовая схема не изменяется от изменения способов управления. Силовая электрическая схема электропривода с ПЧ представлена на рис.2

Линейный задатчик интенсивности (ЗИ) включает в себя пропорциональное звено, с ограничением входного сигнала с помощью стабилитрона и отрицательной обратной связи по напряжению ЗИ.

Описание структурной схемы при скалярном управлении.

Структурная схема при скалярном управлении (рис 3) построена по принципу раздельного управления регуляторов тока и скорости.

Структурная схема представлена электродвигателем со следующими звеньями: апериодическим, отражающим зависимость тока от абсолютного скольжения и электромагнитные процессы в цепи статора; пропорциональным, преобразующим электрическую энергию в механическую; интегральное звено, отражающее инерционность механических масс и внутренняя обратная связь по скорости; ПЧ - представлен апериодическим звеном, отражающим запаздывание включения транзисторов и электрические процессы в цепях управления и регулирования из-за наличия ёмкостей. В систему управления и регулирования входят: задатчик интенсивности З.И. ПИ - регуляторы скорости и тока с отсечкой с отрицательными обратными связями и пропорциональное звено с положительной обратной связью для компенсации потерь в обмотке статора.

Расчёт параметров звеньев структурной схемы.

Номинальные параметры:

Момент Мн = Рн/?н = 30000/ 94,2=318,47;

Скорость ?н=94,2;

Суммарное потокосцепление С= Мн /Iн =318,47/70=4,550

Сопротивление передвижению Мс =1,2

Динамический момент Мдин.г = (J У * щн * а)/Vн) = (3,697 * 94,2 * 0,3)/ 0,85)= 122,914

Приведённый суммарный момент инерции JУ =3,679

Пусковой момент Мп = Мст.г +Мдин.г =430,77

Жёсткость механической характеристики в= Мн /(?0 - ?н) в =318,47/(104,67-92,4)= 306,2

Коэффициент передаточной функции Кi = в/C =306,2/4,550=67,297

Отношение пускового момента к номинальному

л = Мп / Мн 430,77/318,47=1,35,

тогда скорость при номинальном напряжении и пусковом моменте определится из выражения

??пус =??н * л, откуда следует ?пус = ?0 *(1- л)+ ?н * л =104,67*(1-1,35)+(94,2*1,35) = 90,53

Это означает, что при симметричном оптимуме скорость передвижения крана будет равна:

V= (?пус *RК)/iр =(90,53* 0,3)/ 32,61 = 0,833

где RК - радиус колеса

iр - передаточное число редуктора

Необходимая частота питающего напряжения при идеальном холостом ходе

f =(?пус *рн)/2*р =(90,53*3)/(2*3,14)=43,247

Падение скорости при пусковом моменте и частоте напряжения питающей сети 50 Гц - ?пус = 104,67-90,53=14,14. Принимается напряжение задания скорости при частоте 50Гц 8 В. Передаточный коэффициент преобразователя напряжения в частоту равен Кf =(f/ uЗ.С) =50/8=6,25, тогда при частоте 43,247 Гц напряжение задания скорости равно: uЗ.С =8*43,247/50=6,9195

Постоянная времени задатчика интенсивности принимается равной времени разгона крана до скорости идеального холостого хода с заданным ускорением и динамическим моментом, так как движение крана начнётся при превышении моментом двигателя моментом сопротивления.

ТЗИ = (JУ* ?0)/ Мдин =(3,697* 104,67)/ 122,914=3,1483

Тормозной путь определяется по формуле:

SТ = (V* ТЗИ)/2 =0,833*3,1483/2=1,31

Коэффициент усиления положительной обратной связи по потере активного напряжения:

Ку = ? uЗ.С/? uПС

Ку = 1,0805 /12,91=0,083695

где ? uЗ.С= ? uЗ.С 50Гц +? uЗ.С 43 =8- 6,9195=1,0805

добавочное напряжение задания скорости (увеличение ?0) за счёт положительной обратной связи по току;

? uПС =Iдпс *r1 -активное падение напряжения в цепи статора;

Iдпс = Iп * 1,1 пусковой ток при пуске с ЗИ

Iдпс = Iп * 1,1=94,68*1,1 =104,148А

? uПС =104,148 *0,124=12,91

Для определения параметров регулятора скорости и тока необходимо определить значение электромагнитной постоянной времени:

Тэ = (1/ ?0эл *SКР) = (1/ 314 * 0,507) =0,001615

где ?0эл =314 -круговая частота питающей сети;

Коэффициент обратной связи по скорости

КОС = uЗ.С / ?пус =6,9195/90,53=0,076433?0,076

Коэффициент обратной связи по току с отсечкой

КОТО = uЗ.С 50 / Iпус =8/94,68=0,084

Коэффициент передачи преобразователя частоты определяется из уравнения:

КПЧ =(Кf *2*р)/рп =6,25*2*3,14/3=13,083

Расчёт регулятора скорости.

Передаточная функция регулятора скорости имеет вид:

W(р)РС = (4Тэ р+1)/(ТИ р),

где ТИ = (8 Тэ 2 * КПЧ*Кi * С*КОС)/ JУ

ТИ = (8*0,001615*13,083*4,550*0,076)/ 3,697 =0,1581

Расчёт регулятора тока

W(р)ЖТ = (Тэ р+1/ ТИ р),

где ТИ =2* Тм * КПЧ * Кi * КОТ = 2*0,0025*13,083*7*0,084=0,038

Тм принимается в пределах от 1*10-3 до значения Тэ.

№ п/п	Наименование параметров	Ед.изм	Обозначение в структурной схеме	Машинные обозначения	Значения параметров
1	Напряжение задатчика скорости	В	uЗ.С	UZS	8
2	Коэффициент усиления ЗИ	-	КЕ	KU	0,083695
3	Постоянная времени ЗИ	сек	ТЗИ	TZI	3,1483
4	Коэффициент обратной связи по скорости	В сек	К 1g	KOW	0,076
5	Интегральная постоянная времени РС	сек	ТРС	TIC	0,1581
6	Электромагнитная постоянная времени	сек	ТЭ	ТЕ	0,001615
7	Интегральная постоянная времени РТ	сек	ТИТ	TIT	0,038
8	Сопротивление движению	Нм	МС	МС	1,2
9	Коэффициент усиления ПЧ	-	КПЧ	КР	13,083
10	Потокосцепление		С	С	4,550
11	Активное сопротивление обмоток статора	Ом	1/RЭ	RS КСУД	0,124
12	Тормозной путь	м	-	ST	1,31
13	Задание пути	м	-	SZ	10
14	Передаточное число редуктора	-	-	IR	32,61
15	Зависимость i=f(??)	АС	Кi	KI Iн/??н	7
16	Положительная обратная связь по току	В/А	КОТ 1	KYPT	0,084
17	Момент инерции	Кг.м 2	J	J	3,679
18	Максимальное значение напряжения РС	В	-	URSM	8
19	Максимальное значение напряжения РТ	В	-	URTM	4
20	Радиус колеса	м	-	RK	0,3
21	Шаг расчёта	с	-	DELT	0,00008
22	Время расчёта	с	-	TPP/TPR	20
23	Шаг печати	-	-	N0	0,084

Размещено на Allbest.ru

...