Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

электропривод ленточный конвейер двигатель

Введение

1. Назначение и техническая характеристика установки

2. Описание конструкции и кинематической схемы ленточного конвейера

2.1 Основные технические данные ленточного конвейера В-1400

2.2 Конструкции и кинематическая схема ленточного конвейера В-1400

3. Расчет мощности электропривода ленточного конвейера

4. Требования к электроприводу конвейера

5. Выбор типа электропривода. Функциональная схема ИРБИ-8

6. Построение скоростных и механических характеристик асинхронного двигателя

6.1 Расчет механической характеристики двигателя

6.2 Расчет скоростных характеристик асинхронного двигателя

6.3 Анализ работы электропривода

7. Силовая схема транзисторного преобразователя

7.1 Выбор источника питания

7.2 Выбор и расчет транзисторных ключей

7.3 Расчет фильтра в звене постоянного тока

7.4 Расчет тормозного резистора

7.5 Выбор драйвера

8. Исследование динамических режимов электропривода

8.1 Исследование контуров регулирования фазных токов

8.1.1 Преобразователь частоты

8.1.2 Статор двигателя

8.2 Расчет параметров регулятора тока

8.3 Выбор параметров регулятора тока

8.4 Исследование динамики контура тока

8.5 Исследование контура скорости

8.6 Выбор параметров регулятора скорости

8.7 Исследование динамики системы электропривода

9. Безопасность жизнедеятельности

9.1 Пылеподавление при работе ленточного конвейера

9.2 Шумоподавление

9.3 Меры безопасности при работе ленточных конвейеров

9.4 Пожарная безопасность

9.5 Электробезопасность

10. Технико-экономический расчет

10.1 Расчет капитальных вложений для создания установки

10.2 Расчёт расходов на содержание объекта с электродвигателем марки АИРМ 180М

10.3 Определение экономической эффективности

Заключение

Список использованных источников



Введение

Ленточные конвейеры - наиболее распространенное средство непрерывного транспорта, они определяют темп производства, ее ритмичность, способствуют повышению производительности груда.

Конвейеры находят применение во всех отраслях народного хозяйства для выполнения погрузочно-разгрузочных работ, обеспечения непрерывности технического процесса, выполнения ряда последовательных операций в поточном производстве. Наряду с обеспечением транспортно- технологических функций конвейеры являются основными средствами механизации и автоматизации погрузочно-разгрузочных и складских операции. Рассматриваемый в дипломном проекте ленточный конвейер является наиболее распространенным типом транспортирующих машин, предназначенных для перемещения массовых сыпучих и штучных грузов. Конвейеры могут применяться как для горизонтальной, так и для наклонной транспортировки материала, под углом не более 20° к горизонту. Угол наклона конвейера определяется углом естественного отсыпа или откоса того или иного сыпучего материала.

Конвейеры делятся на стационарные и передвижные. Стационарный ленточный конвейер комплектуется из отдельных узлов, монтируемых на металлических конструкциях в зависимости от места расположения конвейера. В работе рассматривается стационарный конвейер. Производительность конвейерных линий зависит от ширины и скорости движения ленты. Она колеблется в широких пределах и достигает нескольких тысяч тонн в час. Протяженность конвейерных линий может достигать десятков километров, а максимальная длина современного конвейера составляет 2-3 километра. Скорость ленты обычно составляет 1,5- 3 м/с, а ширина ленты достигает двух метров. Конвейеры позволяют создавать очень разнообразные схемы технологических потоков. Производительность установки, длина конвейера, скорость движения ленты, механические особенности конвейеров являются определяющими при выборе типа и мощности электроприводов ленточных конвейеров. Мощность электроприводов ленточных конвейеров достигает 100 и более кВт. Электроприводы могут применяться как регулируемые, так и нерегулируемые. В подавляющем большинстве в качестве приводных двигателей применяются нерегулируемые асинхронные короткозамкнутые приводы, достоинством которых является простота и относительно низкая стоимость. Привод конвейера обычно осуществляется от электродвигателя через редуктор. Тем не менее, применение нерегулируемых электроприводов имеет свои существенные недостатки, которые, зачастую, сводят на нет достоинства, связанные с незначительными капитальными затратами на внедрение такого типа электропривода.

Основным фактором, толкающим на применение регулируемых электроприводов, является относительно высокая стоимость основного элемента ленточного конвейера - ленты, которая составляет 70-80 % общей стоимости конвейерной установки. Применение асинхронных короткозамкнутых приводных двигателей определяет высокий пусковой момент и, следовательно, обусловливает появление больших натяжений и пробуксовки ленты, что ведет к ее быстрому износу, а порой и обрыву. Кроме того, в случае изменения грузопотока конвейеров, лента значительное время может работать с недогрузкой, при этом рационально уменьшить скорость конвейера, чтобы лента работала с полной нагрузкой. В этом случае увеличивается срок службы ленты, так как она меньшее число раз оборачивается. Все вышеперечисленные обстоятельства являются основанием для внедрения автоматических систем управления, обеспечивающих плавный пуск и регулировку скорости движения ленты конвейера. Кроме того, внедрение таких систем управления является шагом к полной автоматизации всего технологического комплекса, в который входит данный конвейер. В качестве систем управления для регулирования скорости двигателя переменного тока применяется устройство на бесконтактных полупроводниковых приборах. В данном случае, в качестве системы управления рассматривается система: транзисторный преобразователь частоты - асинхронный двигатель (ИРБИ).

Рассматриваемый в данном дипломном проекте управляемый электропривод ленточного конвейера предлагается для установки на предприятии по переработке зерна в комбикорм. Для перемещения зерна на комбикормовом заводе применяются различные конвейеры ленточного типа. Системы электропривода таких конвейеров строятся на основе короткозамкнутых асинхронных электродвигателей. Особенностью электропривода ленточных конвейеров являются большие маховые массы механической части конвейера, что при прямых пусках асинхронного двигателя приводит к значительным броскам тока и повышенным пусковым моментам, которые приводят в свою очередь к резкому сокращению срока службы двигателей, частым порывам несущей ленты конвейера и повышенному износу механической части привода. Исходя из этого, возникает задача ограничения пусковых токов асинхронного двигателя путем управляемого пуска и формирования заданных темпов разгона и торможения ленточных конвейеров. Таким образом, применение управляемого электропривода на базе ИРБИ должно обеспечить повышение производительности труда за счет сокращения времени простоев оборудования по причине поломок, а также значительного увеличения срока службы несущей ленты конвейера и приводного двигателя.



1. Назначение и техническая характеристика установки

Промышленная установка представляет собой ленточный конвейер - транспортирующее устройство непрерывною действия, предназначенное для перемещения сыпучих грузов.

Современное производство немыслимо без применения конвейеров, которые определяют темп производства, его ритмичность, способствуют повышению производительности труда. Исследуемая установка, ленточный конвейер В-1400, предназначена для транспортировки зерна на предприятии по производству комбикормов. Непрерывность действия и уровень автоматизации электропривода конвейера позволяют говорить о нем, как об одном из звеньев автоматизированного промышленного комплекса. В данном случае отрезок технологического цикла содержит следующие основные элементы:

- бункер;

- ленточный конвейер;

- нория.

Технологическая линия представлена на рисунке 1.1. Бункер представляет собой промежуточное грузохранилище в виде сосуда большого объема и предназначен для временного накопления некоторого количества насыпного груза (какою-либо вида зерна, необходимою для подачи в производственный цех со склада зерна-элеватора), а затем для отгрузки на конвейер. Бункер загружается через верх и разгружается через днище. Продвижение зерна через бункер и истечение его через шлюзовой затвор происходит под действием силы тяжести. Ленточный конвейер «2» непрерывным потоком сбрасывает груз в приемный бункер нории «3», предназначенный для подачи зерна на технологическую линию по переработке зерна в комбикорм. Для обеспечения высокой производительности данного технологическою отрезка требуется ритмичность работы каждою из элементов участка, что обусловливает применение современных систем автоматизированного регулирования электроприводов.

1 - Бункер; 2 - Конвейер; 3 - Нория.

Рисунок 1.1 Схема технологической линии



2. Описание конструкции и кинематической схемы ленточного конвейера

2.1 Основные технические данные ленточного конвейера В-1400

а) Длина конвейера L = 98 м.

б) Угол наклона в = 0°.

в) Лента: тип БКНЛ -100

1) масса ленты т_л = 2633 кг. ;

2) общая длина ленты L_л = 210 м.

г) Приводной барабан: тип ПК 8050 - 22 1) диаметр D_пб = 1290 мм;

2) масса т_пб = 1387 кг.

д) Отклоняющий барабан:

1) диаметр D_о6 = 630 мм;

2) масса т_об = 398 кг.

е) Натяжной барабан:

1) диаметр D_нб = 1000 мм;

2) масса т_нб = 953 кг.

ж) Ролики рабочие:

1) диаметр D_рр =30 мм;

2) общая масса т_?рр = 5369 кг.

з) Ролики центрирующие:

1) диаметр D_рц = 30 мм;

2) общая масса т_?рц = 1991,2 кг.

и) Ролики холостые:

1) диаметр D_{рх =} 30 мм;

2) общая масса т_?рх = 1012 кг.

к) Транспортируемый материал - зерно:

1) крупность: 0,1 ч 10 мм;

2) насыпной вес: 0,63 ч 0,77 Т/м³.

л) Скорость движения ленты: V_л = 2 м/с ;

м) Расчетная производительность: Q = 225 Т/час.

2.2 Конструкции и кинематическая схема ленточного конвейера В-1400

Схема ленточного конвейера приведена на рис.2.1. Ленточный конвейер представляет собой транспортирующее устройство непрерывного действия. Тяговым и несущим органом конвейера является гибкая бесконечная лента «1». Верхнюю (рабочую) и нижнюю (холостую) ветви поддерживают роликоопоры: «2 и 3». Роликоопоры рабочей ветви имеют желобчатую форму. В местах загрузки на рабочей ветви устанавливают амортизирующие роликоопоры. Так как в процессе работы конвейера, по разным случайным причинам (односторонняя загрузка ленты, налипание грязи на роликоопоры и барабаны и т.п.) возможен поперечный сдвиг ленты с роликов, то для автоматического выравнивания хода ленты используют центрирующие роликоопоры. Роликоопоры холостой ветви прямые. В ленточном конвейере движущая сила передается на ленту трением при огибании ею приводного барабана «4», с другой стороны лента огибает натяжной барабан «5». Для увеличения угла охвата лентой приводного барабана, а следовательно, увеличения тяговой способности приводного барабана устанавливают отклоняющие барабаны «6». Для придания ленте требуемого натяжения в конвейере предусмотрено натяжное устройство, основным элементом которого является натяжной барабан «7», перемещающийся на тележке.

Основными элементами приводных устройств являются: приводной барабан «4», редуктор «8». электродвигатель «9». Ленточный конвейер представляет собой систему масс, соединенных между собой упругими связями (лентой).



1 - транспортирующая лента; 2, 3 - роликоопоры; 4 - приводной барабан; 5 - натяжной барабан; 6 - отклоняющие барабаны; 7 - натяжной барабан; 8 - редуктор; 9 - электродвигатель.

Рисунок 2.1 Схема ленточного конвейера В-1400



3. Расчет мощности электропривода ленточного конвейера

Мощность электропривода ленточного конвейера определяется в соответствии с методикой, изложенной в работе [З]. При движении конвейера электропривод преодолевает статическую нагрузку, обусловленную силами трения во всех движущихся элементах, а также составляющую силы тяжести транспортируемого груза на наклонных участках конвейера. Сила сопротивления движению на прямолинейном участке определяется следующим образом:

_n = g* l *(C_n * Cos в + Sin в), (3.1)

где g - весовая нагрузка на 1 метр пути;

l - длина участка;

C_n - результирующий коэффициент сопротивления движению на прямолинейном участке;

в - угол наклона конвейера.

Сила сопротивления движению на участках изгиба определяется по выражению:

u = Cи * Tнб, (3.2)

где Cи - результирующий коэффициент сопротивления на участке изгиба.

Сила натяжения в набегающей точке участка изгиба:

Тнб = Тсб * Кu + F'n , (3.3)

где К_u = П K_ui - коэффициент увеличения натяжения от всех участков изгиба.

F'n = nn + nn-1 * Knn-1 +nn-2 * Knn-3 +…, (3.4)

где F'n - результирующее усилие сопротивления на прямолинейных участках.

Сила сопротивления вызывает увеличение натяжения тягового элемента на каждом участке:

Т_сб = Т_нб + n

Для участка изгиба:

Т_сб = Т_нб + u = К_{u *} Т_нб

Результирующая сила сопротивления движению определится как сумма всех участков:

F_cм = ?_ni + _ui | = ? g_i li (C_n * Cos в + Sin в) + ? C_ui T_i (3.7)

Силу F_cm должен преодолеть приводной элемент. При установившемся движении разность натяжений на приводном элементе уравновешивается силой сопротивления:

F_сm ⁼ Т_нб - Т_сб (3.8)

Для ленточных конвейеров на Т_нб и Т_сб накладывают условие Эйлера, исключающее пробуксовывание тягового элемента относительно приводного.

Т_нб / Т_сб <e^{µб ,} (3.9)

где б - угол обхвата приводного элемента;

µ - коэффициент трения между тяговым и приводным элементами.

Это дает условие для выбора значения Т_сб: с учетом (3.9) и (3.3) можно получить:

Т_с6> F_n' /(е ^µб- К_u) (3.10)

Высокий уровень нагрузок и возможность пуска под нагрузкой требует учета динамической нагрузки. В связи с этим выражение (3.10) будет выглядеть следующим образом:

Т_с6> (F_n' + F'_дин ) /(е ^µб- К_u) (3.11)

где F'_дин - динамическая сила на обводе приводного элемента.

F'_дин = m' _? а_доп + (J_дв * i_p +J_?) * а_доп / R^2:_n6 ,(3.12)

где m' _? = m_n + m _n-1 К_un-1 +… + m₁ K_u1 K_u2.... K_un-1 - расчетная суммарная масса;

а_доп - допустимое ускорение конвейера при пуске;

J_дв - момент инерции двигателя;

J_? - суммарный момент инерции конвейера;

i_р - передаточное число редуктора.

Мощность приводной станции определяется в соответствии с расчетной статической нагрузкой F_cm и заданной скоростью движения конвейера V:

Р_с = К_з F_cm V/ з_р = К _з (Т_нб - Т_сб)V/ з_р (3.14)

где К₃ =1.1 - 1.3 - коэффициент запаса;

з_р - КПД редуктора приводной станции.

Номинальная мощность двигателя выбирается из условия:

Р _ном ? Р_{с .}

Расчетная схема для определения мощности электропривода приведена на рис. 3.1

Длины участков конвейера:

L₁₂ = 1.2 м;

L₃₄ = 96.2 м;

L₅₆ = 1.2 м;

L₇₈ = 98 м.

Углы наклона участков к горизонту:

в₁₂ = -16°;

в₃₄ = в₇₈ =

в₅₆ = 16°.

Углы обхвата барабана:

б_нб = 210° - натяжного барабана;

б_пб = 210° - приводного барабана;

б_об1 = б_об2 = 30 ° - отклоняющих барабанов.



1 - приводной барабан; 2, 3 - отклоняющие барабаны; 4 - натяжной барабан.

Рисунок 3.1 Схема для расчета мощности приводной станции

Пo справочным данным [З] таблица П-7, П-9 можно определить значения коэффициентов трения и сопротивления движению:

µ = 0,1; б = 3,49; С_n = 0,025;

K_u1=1+С_n1 =1.03;

K_u2=1+С_n2 =1.02;

K_u3=1+С_n3 =1.05.

Следует найти массы одного метра ленты и одного метра транспортируемого груза.

m*= m_л / L_л = 2633 /210= 12,54 кг - масса одного метра ленты.

m” = ? Ч1000/3600 V = 225 Ч 1000/3600 Ч 2 = 125 кг. - масса одного метра груза.

Таким образом, можно определить массы участков конвейера:

m₁₂ = m *L₁₂ =12, 54x1,2 = 15 кг.

m₃₄ = m*L₃₄ = 12, 54 х 96, 2 = 1207, 9 кг.

m56 = m*L56 == 12, 54 х 1.2 = 15 кг.

m₇₈ = (m* + m") L₇₈ = (12, 54 + 125) * 98 = 13475 кг.

Расчётная суммарная масса:

m_? ' = m₇₈+ m₅₆ К_u3 + m₃₄ К_u3 К_u2+ m₁₂ К_u3 К_u2 К_u1

m_? ' = 13475 + 15 Ч 1,05 + 1207.9 Ч 1,05 Ч 1,02+

+ 15 Ч 1,05 Ч 1,02 Ч 1,03 = 14810 кг.

В соответствии с формулой (3.1) можно рассчитать силы cопротивления движению на прямолинейных участках:

₁₂ = g m₁₂ (C_n * Cos в₁₂ - Sin в₁₂) =

= 9,81 * 15 (0,025 cos(-l 6) - sin(-16)) = 44 Н.

₃₄ = g m₃₄ C_n = 9,81 * 1207.9 х 0.025 = 296,2 Н

₅₆= g m₅₆ (C_n * Cos в₅₆ - Sin в₅₆) = 9.81 * 15 (0,025 * cos 16 - sin 16) =

= -37,02 H.

₇₈ = g m₅₆ C_n = 9,81 * 4287 * 0,025 ⁼ 1051,4 Н.

Расчетное результирующее усилие на прямолинейных участках, согласно (3.4) равно:

F'_n = _{78 56} К_u3 + ₃₄ К_u3 К_{u2+ 12} К_u3 К_u2 К_u1

F'_n = 1051,4 + (-37,02) Ч 1,05 + 296,2 Ч 1,05 Ч 1,02 + 44 Ч1,05 Ч 1,02 Ч Ч1,03 = 1380,1 Н

Найденные значения m_?' и F'_n позволяют произвести предварительный расчет мощности электропривода. С учетом динамических усилий минимально допустимое усилие в точке сбегания ленты с приводного барабана равно:

F_{сб min =} (3.15)

Для определения a_доп можно найти a_max (максимально допустимое ускорение) из условия надежного сохранения груза на конвейере [4]:

a_max =Б_д(? cos в - sin в) (3.16)

Б_д = (0,6 + 0,8) - коэффициент безопасности;

? = (0,8 + 1,0) - коэффициент трения груза о ленту.

Как правило, a_доп ? a_max, однако для данного вида конвейера по работе [4] рекомендуется принять a_доп = 0,2м/с^2:, что должно значительно уменьшить динамические нагрузки на ленту и механизмы привода. Принимая во внимание рекомендации, можно выбрать а_доп = 0,2м/с², что должно обеспечиваться пусковой аппаратурой.

Согласно (3.16) минимально допустимое натяжение в точке сбегания ленты будет равно:

T_{сб min} = = 4446,8 Н

Так как при расчете не учитывались массы барабанов и опорных роликов, примем Т_сб 1,2 T_{сб min}

T_сб = 1,2 Ч 4446,8 = 5356 Н.

Определим максимальное натяжение в набегающей точке приводного барабана:

T_нб = К_u Ч T_сб + F'_n + m_? ' a_доп = 1,1 Ч 5356 + 1380,1 + 5612,9 х 0,2.

Т_нб = 8372.4 Н.

Согласно (4.14) можно провести предварительный расчет мощности приводной станции конвейера:

P_с = K₃ = 1,2 Ч = 7671 Вт

Из справочника можно выбрать двигатель 4АР160 S6V [6]:

Р_н = 11 кВт; n_н = 975 об/мин; J_дв = 0.14кгм²;: i_p = 32,9; з_p = 0,95.

После предварительного выбора двигателя произведем уточненный расчет мощности приводной станции с учетом динамических усилий. Моменты инерции барабанов и роликов конвейера можно определить из условия представления их полыми цилиндрами.

Момент инерции приводного барабана:

J_пб = m_{пб *} R²_пб = 1387 * 0,645² = 577 кгм^2.

Момент инерции натяжного барабана:

J_нб = m_{нб *} R²_нб = 953 * 0,5² = 238,3 кгм².

Момент инерции отклоняющих барабанов (2 шт.):

J_об = 2 m_об * R²_об = 2*398 * 0.315² = 79 кгм^{2 .}

Момент инерции рабочих роликов (80шт):

J_рр = m_{рр *} R²_рр = 5369 * 0,015² = 1,4 кгм^{2 .}

Момент инерции центрирующих роликов( 19шт):

J_цр ⁼ m_{?цр *} R²_цр = 1991,2 * 0,015^2: = 0,45 кгм^{2 .}

Момент инерции холостых роликов (32шт):

J_xp= m_{?хр *} R²_хр = 1012 х 0,015² = 0,33 кгм² .

Суммарный момент инерции, приведенный к оси приводного барабана будет равен:

J_? = J_нб +(R_пб/R_об)² +(R_пб/R_нб)² Ч J_нб +(R_пб/R_рр)² ЧJ_рр +(R_пб/R_пр)² ЧJ_пр +(R_пб/R_рх)² Ч J_рх = 577 + Ч 79 +Ч 238,3 +Ч 1,4 +

+Ч 0,45 + Ч 0,33 = 5354,1

Следует определить требуемое передаточное число редуктора i_p для предварительно выбранного двигателя. Угловая скорость приводного барабана

пб = V/Rпб = 2 / 0,645 = 3,1 с-1

Угловая скорость двигателя

н = 0,1047 *nн = 0,1047 * 975 = 102,08 с-1

Передаточное число редуктора

ip = н / пб = 102,08/3,1 = 32,9.

Определим расчетную динамическую силу на обводе приводимого барабана:

F'_дин = m_?' а _доп + (J_дв * i_p² + J _?) * а_доп / R²_пб

F'_дин = 5612,9 * 0,2 + (0,14 * 32,9² + 5354,1) * 0,2 / 0,645² = 3698, 63.

Определим минимально допустимое напряжение в точке сбегания ленты с приводного барабана:

Т_сбmin = (F'_n + F'_дин) / (е ^mu - K_u1K_u2K_u3) =

= (1380,1 + 3698,63)/(е^0,1Ч349 - 1,03 Ч 1,02 Ч 1,05)= 16147,6 Н.

Определим максимальное натяжение в набегающей точке приводного барабана:

Т_{нб max} = K_н Т_сбmin + F'_н + F'_дин = 1,03 Ч 1,05 Ч 1,02 Ч 16147,6 +1380,1 +

+ 3698,63 = 22891,6 Н

Произведем окончательный расчет мощности электропривода конвейера:

Р_с = K₃ (Т_{нб max} - T_{c6 min}) V/ з_p =

= 1,2 (22891,6 -16147,6) 2 / 0,95 = 17937,4 Вт

Произведем окончательный выбор двигателя и редуктора согласно окончательному расчету мощности электропривода конвейера. Для окончательного выбора двигателя и редуктора по справочнику [5] найдем три двигателя асинхронных короткозамкнутых соответствующей мощности, с частотой вращения n_н = 1500; 1000; 750 об/мин. Определим для них требуемое передаточное число редуктора в соответствии со справочником [5] подберем удовлетворяющие требованиям редукторы и произведем технический и экономический анализ. Полученные данные приведены в таблице 3.1.

Таблица 3.1

Технические данные двигателя и редуктора

Тип двигателя	Рдв кВт	J дв кгм2	J'? кгм2	mдв КГ	ip	н 1/сек	Тип редуктора	mр кг	m? кг	зp	Mk кгм	Ас мм	J'? ip2
4А160М	18,5	0,13	2,3	130	50	153,3	ЦД2-75М	930	1060	0,95	1510	750	5675
4А180М	18,5	0,22	5,62	185	31,5	102	ЦД2-75М	930	1115	0,95	1345	750	5576
4А200М	18,5	0,40	12,5	265	25	76,4	ЦД2-75М	930	1195	0.95	1410	750	7812

Из таблицы 3.1 видно, что по суммарной массе и стоимости двигателя и редуктора различия невелики, так как они однотипные. Следовательно, основной показатель J'_? i_p² минимальный у двигателя 4А180М, дает нам основание выбрать окончательно этот двигатель и редуктор ЦД2-75М с передаточным числом i_p = 31,5, так как это обеспечит снижение потерь энергии в переходных режимах.

Следует провести проверку выбранного двигателя. Выбранный двигатель должен удовлетворять неравенству:

P_н ? P_c, что подтверждается услoвием: 18500 ? 17934,4.

Неравенство по мощности удовлетворяется.

Определим коэффициент завышения по мощности:

K = Р_н / Р_c = 18500/ 17937,4 = 1,034.

По этому коэффициенту можно судить об экономичности использования двигателя.

Следует провести проверку по пусковому моменту. Необходимо, чтобы момент сопротивления на валу двигателя приводной станции в процессе пуска при загруженном конвейере Мс был меньше пускового момента Мп, то есть должно быть: Мс < Мп

М_С = K₃ (Т_{нб max} - Т_{сб min}) D_пб /2 i_р з_р = = 174,4 Нм

M_н = = = 181,5 Нм

М_п = 1,2 М_н = 1,2 Ч 181,5 = 217,8 Нм

174,4 < 217,8.

Неравенство выполняется. Следовательно, выбранный двигатель удовлетворяет требованиям по пусковому моменту.

Следует определить вес натяжного груза. Натяжение в точке 4 будет равно:

Т₄ = (T_c6min +₁₂) К_н1 + ₃₄ = (16147,6 + 44) * 1,03 + 296,2 =16973,5 Н

Натяжение в точке 6 (натяжной барабан) будет равно:

Т₆ = (Т₄ + ₃₄) К_н2 + F₅₆ = (16973,5 + 296,2) * 1,02 + 37,02 =17578,1 Н.

Для создания такого натяжения потребуется груз:

С _н2 = 2 Т₆ = 2 * 17578,1 =35156,2 Н.



4. Требования к электроприводу конвейера

На основании анализа конструкции ленточного конвейера можно сформулировать основные требования, предъявляемые к электроприводу конвейера. Требования к электроприводу обусловлены необходимостью получения двух основных режимов: пуск и установившееся движение, а также ряда вспомогательных и наладочных режимов: заправка и прогон ленты. Кроме того, следует обеспечить надежную и бесперебойную работу.

Основные требования, предъявляемые к электроприводу ленточного конвейера:

1) обеспечение плавного пуска двигателя с ограниченным пусковым моментом и ускорением, чтобы ограничить динамические усилия тягового органа и получить надежное сцепление ленты с барабаном;

2) обеспечение достаточных моментов при пуске конвейера (особенно в самом начале пуска), поскольку сопротивление трения в покое может в 1,5 раза превышать сопротивление трения при движении, а также в зимнее время при застывании смазки в подшипниках и при наличии грязи на ходовых частях возможно увеличение сопротивления движению;

3) обеспечение установившегося режима с заданной скоростью движения рабочего органа;

4) использование двух режимов управления: дистанционного и местного.



5. Выбор типа электропривода. Функциональная схема ИРБИ-8

Выбор системы электропривода связан с требованиями, которые предъявляются к электроприводу ленточного конвейера. Возможность получения плавного пуска, обеспечения установившегося режима движения с заданной скоростью и использование асинхронного двигателя в качестве приводного позволяет остановить свой выбор на электроприводе переменного тока с транзисторной станцией управления ИРБИ-8.

Из существующих модификаций ИРБИ-8 выбрано типоисполнение ИРБИ-8I-30.

Условное обозначение расшифровывается следующим образом:

ИРБИ - обозначение принадлежности к фирме;

8 - номер модификации;

I - исполнение по степени защиты (IP20);

30- номинальная мощность электродвигателя, кВт.

Климатическое исполнение УХЛ 4.

Основные технические данные устройства:

Номинальное напряжение силовой цепи - U_н = 380В, 50Гц;

Номинальный ток - I_н = 63А;

Диапазон регулирования выходной частоты преобразователя -

(0,5ч100) Гц;

Режим и длительность работы - продолжительный, повторно- кратковременный;

Охлаждение - от встроенного вентилятора.

Электроприводы серии «ИРБИ-8» предназначены для общепромышленного применения и обеспечивают регулирование частоты вращения асинхронных Электродвигателей серии 4А, АИР или других АД мощностью до 315 кВт в диапазоне частот от I до 100 Гц.

Блок охлаждения (БО) предназначен для предотвращения перегрева охладителя силовых элементов выпрямителя и транзисторного инвертора. Питание блока охлаждения - от сетевого напряжения.

Блок выпрямителя с устройством предзаряда силового фильтра (ВУП) предназначен для выпрямления трех фаз сетевого напряжения и первоначального ограничения тока заряда силового LC-фильтра при включении электропривода. Цепь предзаряда шунтируется по сигналу U_упр1 блокировки режима предзаряда, который формируется в блоке источника питания (ИП).

Элементы управления выпрямителем расположены на плате УВЗ-1, схема которой в проекте не приведена. Кроме того, на плате УВЗ-1 расположено устройство контроля сетевого напряжения, которое формирует сигнал блокировки U_бл1 по следующим признакам:

- повышение сети более чем на 10 %;

- понижение сети более чем на 15 %;

- обрыв фазы.

Сигнал блокировки U_бл1 передаётся в блок управления инвертора (БУИ) через оптопару, выключенное состояние которой определяет аварийную ситуацию.

Блок силового фильтра предназначен для компенсации индуктивности подводящей сети и фильтрации напряжения звена постоянного тока (шины +L, -L), что необходимо для нормальной работы блоков ИП и И.

Трехфазный транзисторный инвертор напряжения (И) предназначен дня преобразования напряжения звена постоянного тока (шины +L,-L) в трехфазную систему синусоидальных напряжений, сдвинутых на 120 эл. градусов между собой, регулируемых по амплитуде и частоте огибающей. Преобразование производится методом широтно-импульсной модуляции на несущей частоте 2... 5 кГц. Блок состоит из шести транзисторных ключей, которые управляются по шине управления от блока управления инвертором (БУИ) сигналами U_упр3.

Вторичный источник питания (ИП) предназначен для получения стабилизированного по амплитуде высокочастотного напряжения (30 В, 50 кГц) и формирования сигнала блокировки U_бл1 (для блока ВУП). Источник питается от нестабильного напряжения звена постоянного тока (шины +L, -L). Работоспособность источника сохраняется при изменении питающею напряжения от 450 В до 750 В. Высокочастотное напряжение необходимо для питания гальванически развязанных между собой источников постоянного напряжения, расположенных в блоках систем управления инвертором и электроприводом. Устройство регенерации (УР) предназначено для гашения энергии рекуперации электродвигателя в балластных резисторах при превышении напряжением звена постоянного тока установленного рабочего значения (750 В).

По сигналу U_упр2 с выхода БУИ открывается транзисторный ключ и излишки энергии, запасенные в конденсаторах силового фильтра, гасятся в балластных резисторах R_б. Элементы управления ключом расположены в блоке БУИ.

Блок управления инвертором (БУИ) предназначен для формирования сигналов управления U_упр3 шестью транзисторами инвертора блока И и сигнала U_упр2 транзистором блока УР.

На вход блока БУИ по шине U_упр4 из блока управления электропривода (БУЭ) приходят три синусоидальных сигнала заданной амплитуды и частоты, которые, поступая на трехфазный ШИМ, преобразуются в широтно-импульсную последовательность управления транзисторами инвертора И.



6. Построение скоростных и механических характеристик асинхронного двигателя

Технические данные двигателя:

Тип двигателя 4А 180 М6 УЗ

P_н = 18,5 кВт

n = 1000 об/мин

?_д = 0,88

cos ц = 0,87

J_д = 0,22

I^*_н = 6А

M^*_п = 1,2

M^*_кр = 2

M^*_min = 1

I_н = 40,4А

S_н = 0,027

S_кр = 0,099

Сопротивление в относительных единицах в номинальном режиме для Г-образной схемы замещения (рисунок 6.1.)

Х_µ = 2,9 R'₁ = 0,056

X'₁ = 0,11 R''₂ = 0,026

Х”₂ = 0,13



6.1 Расчет механической характеристики двигателя

Рисунок 6.1 Схема замещения электродвигателя

Поскольку в двигателях серии «4А» для увеличения пускового момента используется эффект вытеснения тока, то известная формула Клосса для расчёта вращающего момента асинхронного двигателя не обеспечивает достаточного соответствия расчетов фактическим данным.

Поэтому расчёт механических характеристик ведется по методике, предложенной в работе [7]. В соответствии с методикой расчет ведется по экспериментальным значениям кратности минимального, максимального, пускового моментов. Механическая характеристика разбивается на две зоны:

1) от S = I до S = S_кр;

2) от S_кр до S_н. В первой зоне принимается квадратичная зависимость от соотношения:

M=a₀+S_a1+S_а2², (6.1)

где а₂ = ( о₁ + о₂ ) / ( 1 - S_кр ) = (0,894 + 0,447) / (1 - 0,099) = 1,48;

a₁ = -2_a2 (a₂ - о₂) = -2 Ч 1,48 ( 1,48 - 0,477) = -3,08;

a₀ = M_n^* - ( a₁ + a₂² ) = 1,2 - (-3,08 + 1,48²) = 2,09;

о₁ = v ( M^*_кр - M^*_n ) = v ( 2 - 1,2 ) = 0,894;

о₂ = v ( M^*_n - M^*_min ) = v ( 1,2 - 1 ) = 0,447.

Скольжение при минимальном моменте равно

S_min = (а₂ - о₂) / а₂ = (1,48 - 0,447) / 1.48 = 0.697.

По выражению (6.1) можно провести расчет естественной механической характеристики от S = 1 до S = S_кр, результаты расчета сведены в таблицу 6.1.

Таблица 6.1

Результаты расчета естественной механической характеристики

S	1	0,9	0,8	0,7	0.6	0,5	0,4	0,3	0,2	0,099
М	1,2	1,289	1,387	1,467	1,551	1,642	1,730	1,821	1,910	2,000

Во второй зоне для расчета применяется линейная зависимость:

M = M^*_кр Ч ( S/S_кр ).

Кстати, в этой зоне можно воспользоваться и формулой Клоcса:

М = M^*_кр ( 2 + 2S_кр) / [(S/S_кр) + (S_кр/S) + 2S_кр] (6.2)

Расчеты по формуле (6.2) сведены в таблицу 6.2.

Таблица 6.2

Расчет естественной механической характеристики по формуле Клосса

S	0,996	0,08	0.6	0,05	0,04	0,027	0,02	0,01
M	1.99	1,95	1,78	1,6	1,42	1	0,81	0,42

Механические характеристики асинхронного двигателя при регулировании напряжения с помощью ТРИ могут быть построены на основании соотношения:

M'(S) = (U₁/U_Н)² * M(s) = U₁² * M(s),

При этом активное сопротивление тиристоров в проводящем направлении не учитывается.

Для удобства представления расчетов можно объединить значения таблиц, представляющих естественную характеристику двигателя при U_н = U_сети и произвести расчет для ряда значений U₁. Полученные данные сведены в таблицу 6.3.

Таблица 6.3

Результаты естественной механической характеристики

S	1	0,9	0,8	0,7	0.6	0,5	0,4	0,3	0,2	0,099	0,06	0,04	0,027	0,01
Uн	1.2	1,289	1.378	1,47	1,55	1,64	1,73	1,82	1,910	2	1.78	1,42	1,00	0,42
Uн'	0,58	0,63	0,67	0,75	0,75	0,80	0.84	0.89	0,93	0.98	0,87	0.69	0,49	0.2
Uн''	0,3 0.3	0,32	0,34	0,36	0,38	0.41	0.43	0,45	0,47	0,5	0,44	0,35.	0,25	0,1
Uн'''	0,1	0,11	0,12	0,13	0,14	0,15	0,155	0,16	0,17	0,18	0,16	0,12	0,09	0,03

По значениям таблицы 6.3 на рисунке 6.2 построены механические характеристики асинхронного двигателя.



Рисунок 6.2 Механические характеристики асинхронного двигателя

6.2 Расчет скоростных характеристик асинхронного двигателя

Расчет зависимости тока статора двигателя от скольжения I₁ = f (S) производится по формуле:

I₁ = , (6.3)

где I₀ - ток холостого хода, определяющийся из значений схемы замещения:

I₀ = (6.4) I₁ = = = 0,1 (6.5)

R₁ = = = 0,05

Ток холостого хода при номинальном напряжении:



I₀ = = 3,33^-1 = 0,33 (6.6)

Приведенный ток ротора I'₂ определим по выражению:

I'₂ = (6.7)

Значение определим по выражению:

(6.8)

Результаты расчетов сведены в таблицу 6.4.

Таблица 6.4

Результаты расчета скоростных характеристик двигателя

I1 = f(S)	I'2 = f(S)
Uн	0,5	0,98	1,53	1,8	2,2	5,06	5,6	0,39	0,86	1,37	1,66	2	4,83	5,3
0,7Uн	0,4	0,74	1,12	1,33	1,6	3,6	3,97	0,27	0,6	0,96	1,16	1,4	3,83	3,71
0,5Uн	0,34	0,58	0,85	1	1,2	2,6	2,9	0,19	0,43	0,68	0,83	1	2,4	2,65
0,3Uн	0,3	0,43	0,6	0,69	0,8	1,68	1,85	0,12	0,26	0,41	0,5	0,6	1,45	1,59
S	0,02	0,04	0,06	0,08	0,1	0,5	1	0,02	0,04	0,06	0,08	0,1	0,5	1

Рисунок 6.3 Скоростные характеристики асинхронного двигателя

Рисунок 6.4 Скоростные характеристики асинхронного двигателя

Результаты расчетов скоростных характеристик представлены на рисунках 6.3 и 6.4.

6.3 Анализ работы электропривода

Рассчитаем момент сопротивления на валу приводного двигателя в установившемся режиме при номинальной загрузке:

М_С = K₃ (Т_{нб max} - Т_{сб min}) D_пб /2 i_р з_р = = 174,4

= = 0,96

Как видно из полученных данных, конвейерная установка работает близко к номинальному режиму с небольшим запасом на перегрузку. Рассматривая разомкнутую систему электропривода с точки зрения регулирования скорости, можно заметить, что ввиду жесткости характеристик двигателя, изменение скорости возможно лишь в пределах от S_н до S_кр, что практически незначительно меняет скорость движения ленты.

= 104,7 (1 - 0,099) = 94,3

= = 3

V_min = щ_б Ч R_об = 1,93 м/с при V_н = 2 м/с

Следовательно, чтобы получить возможность доступа к более низким скоростям, необходимо ввести в систему отрицательную обратную связь по скорости. Стабилизация скорости электропривода с управляемым преобразователем напряжения в цепи статора обеспечивается в замкнутой системе управления с отрицательной обратной связью по скорости с применением ПИ-регулятора скорости, что позволяет получить достаточно жесткие характеристики и теоретически регулировать скорость от =0.

На самом деле это не представляется возможным из-за значительных потерь в двигателе. При таком способе регулирования потери в роторной цепи пропорциональны скольжению, а габаритная мощность выбирается с учетом допустимой величины потерь в двигателе

Коэффициент завышения мощности в длительном режиме составляет:

Kr>S/SM

Определим момент на валу двигателя при незагруженном конвейере:

m₇₈ = m^* Ч L₇₈ = 1227,6 кг

F₇₈ = gm₇₈ C_Н = 300,7 Н

Расчетное регулирующее усилие согласно (4.4.)

F'_n = 1080 Н

Натяжение в набегающей точке барабана

Tнб = Kн Tщmin + F'n = 17227 H

М_С = K₃ (Т_{нб max} - Т_{сб min}) D_пб /2 i_р з_р = 26,53 Нм - момент на валу двигателя при незагруженном конвейере.

Определим потери при номинальном режиме работы двигателя

= 513 Вт

Следовательно, скольжение, допустимое при продолжительном режиме будет равно:

S_доп = = 513 / 26,53 Ч 104,7 = 0,18 что соответствует диапазону регулирования D = 1,2.

Как видно из полученных результатов, даже уменьшая загрузку конвейера, невозможно при данном способе управления регулировать скорость без значительных потерь. Следовательно, в рабочем цикле возможно лишь кратковременное снижение скорости, а в продолжительном режиме конвейер должен работать на естественной характеристике со скольжением, близком к номинальному.

При диапазоне регулирования D = 1:10, согласно графика зависимости

t = f(р) для двигателей «4А», время работы составляет две минуты. Этот режим может быть использован при заправке ленты на раму конвейера при монтаже, а также но время технического обслуживания и осмотров полотна ленты конвейера.



7. Силовая схема транзисторного преобразователя

7.1 Выбор источника питания

Исходя из выбора электродвигателя наиболее подходящим преобразователем частоты является Sinamics S120CM 400 В, 22 кВт, так как преобразователи Sinamics S120 СМ в шкафном исполнении могут осуществлять рекуперацию электроэнергии в сеть при торможении электродвигателя. В отличие от бесполезного выделения энергии на тормозных резисторах рекуперативное торможение возвращает энергию обратно в электросеть для использования другим оборудованием.

Приводная система Sinamics S120 экономит энергию посредством рекуперации энергии осей и использования этой энергии внутри структуры промежуточного контура многоосевой конфигурации и через сетевую рекуперацию. Ненужного нагрева электрошкафа не происходит вплоть до полной мощности питания. Благодаря недопущению емкостных и индуктивных реактивных токов за счет использования активных модулей питания, Sinamics S120 обеспечивает отсутствие ненужных потерь энергии в сетевом питании и высших гармоник. Эго не только предотвращает отрицательные воздействия на других потребителей тока, но и уменьшает выделение тепла в электрошкафу.

Преимущественными особенностями являются:

- оперативность и простота ввода в эксплуатацию;

- свободно распространяемые программные пакеты S1ZER и STARTER позволяют осуществить проектирование, пусконаладку и диагностику привода;

- возможность обмена данными по сети PROFIBUS;

- модульная конструкция обеспечивает удобную гибкую конфигурацию;

- высокие показатели частоты ШИМ обеспечивают минимальный уровень шума при работе преобразователя;

- эффективная защита двигателя и непосредственно преобразователя;

- рабочий диапазон температур: -10^о С… ⁺50°С;

- реализован режим управления каскадным запуском трех дополнительных двигателей;

- при нарушении режима работы или при исчезновении напряжения выполняется перезапуск в автоматическом режиме.

Преобразователь обеспечивает следующие виды защиты:

- перегрузочная способность достигает 150% от величины номинального тока в течение 60 сек. с частотой каждые 5 минут;

- эффективная защита от перенапряжения/пониженного напряжения;

- надежная защита преобразователя от риска перегрева;

- зашита двигателя посредством подключения РТС терморезистора;

- защитное заземление и защита от короткого замыкания:

- тепловая защита двигателя на уровне i2t;

- защита от блокировки и изменения параметров двигателя;

- эффективная защита от опрокидывания электродвигателя.

Силовая схема частотно-регулируемого электропривода показана на рисунке 7.1. Схема подключений частотного преобразователя показана на рисунке 7.2.

Рисунок 7.1 Силовая часть схемы частотно-регулируемого электропривода

Рисунок 7.2 Схема подключений частотного преобразователя

7.2 Выбор и расчет транзисторных ключей

Максимальный ток через ключи инвертора определяется [8] из выражения:

I_{c max} = = (7.1)

где P_ном - номинальная мощность двигателя,

k₁ = 1,2 -1,5- коэффициент допустимой кратковременной перегрузки по току, необходимой для обеспечения динамики ЭП;

k₂ = 1,1-1,2-- коэффициент допустимой мгновенной пульсациитока;

з_ном| - номинальный КПД двигателя;

U_л - линейное напряжение двигателя, В.

Ключи IGBT выбираются с постоянным (номинальным) током коллектора I_c ? I_cmax

Расчет потерь в инверторе при ШИМ формировании синусоидального тока на выходе заключается в определении составляющих потерь IGBT в проводящем состоянии и при коммутации, а также потерь обратного диода.

Потери в IGBT в проводящем состоянии:

P_SS = I_ср · U_ce(sat) · =

= 112 · 2,1 · 49,6 Вт (7.2)

где I_ср = I_{C max} / k₁ = 145,4 / 1,3 = 112 А - максимальная амплитуда тока

на входе инвертор;

D = t_p / T 0,95 - максимальная скважность;

- коэффициент мощности;

U_ce{sat) - прямое падение напряжения на IGBT в насыщенном состоянии при I_ср и Т_J = 125 (типовое значение U_ce(sat) = 2,1 ч 2,2В).

Потери IGBT при коммутации:

P_SW = =

= 58,2 Вт,

Где t_c(on) и t_{c(off) -} продолжительность переходных процессов по цепи коллектора IGBT на открывание t_c(on) закрывание t_c(off) транзистора, с (типовое значение t_c(on) = 0,3 ч 0,4 мкс; t_c(off) = 0,6 ч 0,7 мкс);

U_cc - напряжение на коллекторе IGBT, В (коммутируемое напряжение, равное напряжению звена постоянного тока для системы АИН- ШИМ);

f_sw - частота коммутаций ключей, Гц (частота ШИМ), обычно от 5000 до 15000 Гц. Выбираем f_sw - 10000 Гц.

Суммарные потери IGBT:

P_? = P_SS + P_SW = 49,6 + 58,2 108 Вт.

Потери диода в проводящем состоянии:

P_DS = I_ep · U_ec · =

= 112·1· = 23,6 Вт,

где I_ep = I_ср - максимальная амплитуда тока через обратный диод. А;

U_ec - прямое падение напряжения на диоде (в проводящем состоянии) при I_ep, В.

Потеря при восстановлении запирающих свойств диода:



P_DR = · (I_rr · U_cc · t_rr · f_sw) =

= · (112 · 513 · ·10000) = 14,4 Вт,

где I_rr - амплитуда обратного тока через диод, (I_rr = I_cp);

t_rr - продолжительность импульса обратного тока, с (типовое значение 0,2 мкс ).

Суммарные потери диода:

Р_D = P_DS + P_DR = 23,6 + 14,4 = 38 Вт.

Результирующие потери в IGBT с обратным диодом:

P_T = P_Q + P_D = P_SS + P_SW + P_DS + P_DR = 108 + 38 = 146 Вт.

...