Модернизация электропривода главного подъёма стрелочного крана

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Конструкция, принцип действия, назначение стрелочного крана

1.1 Назначение и область применения кранов

1.2 Конструкция стрелочного крана

2. Требования к электрооборудованию стрелочного крана

3. Требования, предъявляемые к электроприводу механизма подъема

4. Двигатели, используемые в электроприводе подъема стрелочного крана

5. Описание объекта автоматизации

5.1 Примеры систем электропривода

5.2 Система Управляемый преобразователь - двигатель

5.3 Система Г - Д

5.4 Система ПЧ-АД

6. Целесообразность модернизации электропривода подъема стрелочного крана

7. Технические данные для расчета мощности двигателя

8. Нагрузочная диаграмма электропривода механизма подъема стрелочного крана

9. Расчет электропривода подъема стрелочного крана

9.1 Расчет времени работы под нагрузкой и времени цикла стрелочного крана

9.2 Расчет статического момента, мощности и скорости вращения двигателя механизма подъема

9.3 Выбор двигателя по каталогу

10. Расчет параметров Т-образной схемы замещения асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором

11. Расчет и построение естественной механической характеристики асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором

12. Расчет искусственных механических характеристик асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором

13. Разработка модернизированной схемы управления электропривода стрелочного крана 61

13.1 Виды преобразователей частоты, анализ схемных решений, достоинства и недостатки

13.2 Выбор ПЧ

13.3 Описание функциональной схемы преобразователя частоты

13.4 Описание электрической принципиальной схемы преобразователя частоты

Заключение

Список литературы

Приложения

Введение

Грузоподъемные краны занимают ведущее место в системе машин для механизации монтажных и погрузочно-разгрузочных работ в строительстве. С помощью грузоподъемных кранов достигаются высокие темпы и индустриальность производства строительно-монтажных работ. Объектами применения таких машин являются практически все строительные площадки и пункты грузопереработки (склады и др.).

Грузоподъемные краны относятся к машинам цикличного действия, так как их рабочий процесс состоит из отдельных чередующихся циклов, включающих рабочие и вспомогательные периоды. Они обеспечивают обслуживание большой площадки рабочей зоны, равной двойному вылету (башенных, пневмоколесных, гусеничных кранов) и ходу грузовой тележки (козловых и мостовых кранов), умноженным на длину подкрановых путей. Для увеличения мобильности кранов применяются современные способы их монтажа, демонтажа, транспортирования, подготовки к эксплуатации.

На развитие исполнений кранов, составляющих основную часть парка машин эксплуатационных баз (башенные, пневмоколесные и гусеничные краны), оказывают влияние происходящие изменения в строительном производстве: индустриальность работ, в т. ч. при реконструкции промышленных и гражданский зданий, расширение масштабов замены домов устаревших серий новыми в сложившихся дворовых территориях. Неотъемлемой частью организационно-технологических решений на строительных площадках являются проекты производства работ и технологические карты, в которых приведены последовательность выполнения технологических комплексов и операций грузоподъемными кранами, места установки и безопасные рабочие зоны машин.

Электропривод кранов с момента своего появления занимает главенствующее положение в краностроении. Первый электрический портальный кран был построен в 1890 г. фирмой «Кампна-гель». В первом десятилетии XX века такие фирмы как «Демаг», «Кампнагель», «Бабкокс -- Вилькокс» и др. осваивают производство портовых перегрузочных кранов с электроприводом. Однако слабая энерговооруженность портов и припортовых регионов не позволила широко использовать такого рода технику. В это время преобладают однодвигательный электропривод с громоздкими и неудобными механическими трансмиссиями.

С развитием электромашиностроения и ростом энерговооруженности портов совершенствуются и конструкции кранов в первую очередь благодаря созданию многодвигательных систем с индивидуальными приводами на каждый механизм. Поколение кранов 30--40-х годов имеет уже независимые электроприводы на всех рабочих механизмах (подъем, поворот, изменение вылета стрелы, передвижение), что дает возможность совмещать рабочие операции в цикле крана, обеспечивая при этом удобство управления и существенное повышение производительности. Управление двигателями ведется при помощи простейших аппаратов непосредственного управления -- силовых контроллеров.

Практика морских портов требовала существенного повышения производительности на перегрузочных работах. Растут рабочие скорости, обязательными становятся такие передовые методы работы, как сокращение времени цикла крана за счет максимального совмещения движений. Системы управления на силовых контроллерах не обеспечивают выполнение этих требований. Большие габаритные размеры, трудность в управлении не дают возможности сблокировать на одну рукоятку два контроллера, реализовать даже простейшие элементы автоматизации электроприводов и т. п.

В конце 40-х и начале 50-х годов появляются системы управления, построенные на аппаратуре косвенного управления -- магнитные контроллеры. Поколение кранов этих лет («Каяр», «Аппле-важ», «Кировец», «Черетти -- Танфани», «Абус» и др.) уже имеют на всех приводах индивидуальные электроприводы с управлением на магнитных контроллерах с элементами автоматизации. Разгон и торможение двигателей автоматические, предусмотрены защиты и блокировки, обеспечивающие безопасную и безаварийную работу. Утяжеляется режим работы двигателей, увеличивается количество переключений в единицу времени. Это привело к разработке специального кранового электрооборудования, позволяющего эксплуатировать перегрузочную технику с максимальной эффективностью. Разрабатываются новые сложные системы крановых электроприводов.

В 70-х годах появляются принципиально новые перегрузочные машины: перегружатели и козловые краны для крупнотоннажных контейнеров, машины внутрипортовой механизации и т. п. Наряду с этим продолжается совершенствование традиционных типов перегрузочной техники. Реализуются технические требования к электроприводам, позволяющие обеспечить высокую точность при выполнении рабочих операций, максимальную производительность за счет автоматизации процессов и сокращения вспомогательных операций, сохранность груза, высокую надежность, безопасность и т. д. Внедряются системы бесконтактного и непрерывного управления на базе силовых полупроводниковых приборов.

Дальнейшее совершенствование кранового электропривода идет по пути расширения диапазона регулирования, повышения уровня автоматизации, надежности, простоты контроля, эксплуатации и ремонта, внедрения диагностических приборов и т. п.

В связи с этим возникает необходимость использования для крановых механизмов более современных электроприводов с плавным регулированием скорости.

В данном дипломном проекте рассматривается модернизация электропривода механизма подъема, заключающаяся в замене асинхронного электропривода со ступенчатым регулированием скорости на плавнорегулируемый электропривод с частотным управлением.

Актуальность. В последнее время наметилась устойчивая тенденция к применению частотно-регулируемых электроприводов в крановом хозяйстве. Это обстоятельство объясняется следующим. Использование регулируемых приводов в крановом хозяйстве позволяет значительно повысить комфортные показатели работы крана в части ускорения. В свою очередь, обеспечиваемые частотно - регулируемым приводом плавные переходные процессы приводят к значительному снижению динамических нагрузок в элементах кинематической цепи привода, что позволяет повысить надежность и долговечность работы механического оборудования крана, отпадает необходимость замены редуктора, канатоведущего барабана, тормозных колодок, электродвигателя и других элементов при модернизации кранов.

Основной причиной широкого применения регулируемого привода в крановом хозяйстве является снижение энергопотребления при работе крана на 40-60%, которое достигается за счет значительного снижения вращающихся маховых масс лебедки главного подъема .

Применение частотно - регулируемых преобразователей позволяет использовать асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором общего назначения, а не специализированные асинхронные двигатели с фазным ротором. Маховый момент ротора таких двигателей в разы меньше аналогичных крановых асинхронных двигателей с фазным ротором, а стоимость их снижается в 3-4 раза по сравнению с крановыми двигателями, специальной серии.

Таким образом, экономический эффект от внедрения частотно-регулируемого электропривода складывается из экономии электроэнергии и снижения эксплуатационных затрат.

Цель работы произвести модернизация электропривода подъёма стрелочного крана.

Задачи работы:

В дипломной работе необходимо произвести модернизацию электропривода главного подъёма стрелочного крана.

Необходимо выбрать асинхронный двигатель и преобразователь.

Разработать схему автоматики.

Рассмотреть безопасность и экологичность проекта.

Произвести технико-экономическое обоснование проекта.

Предмет исследования - электропривод подьема стрелочного крана.

Объект исследования - мостовой кран.

1. Конструкция, принцип действия, назначение стрелочного крана

1.1 Назначение и область применения кранов

Кран стрелового типа -- кран, у которого грузозахватное устройство подвешено к блокам на концевой части стрелы или подвешено к грузовой тележке, перемещающейся вдоль стрелы[1]. Выпускаются в передвижном и стационарном исполнении[2].

К кранам стрелового типа относят:

Стреловой самоходный кран -- кран стрелового типа со стрелой, закреплённой на раме платформы или ходового устройства[3].

Башенный кран -- кран стрелового типа поворотный, со стрелой, закреплённой в верхней части вертикально расположенной башни[3].

Деррик-кран -- кран стрелового типа поворотный, имеющий вертикальную мачту и стрелу, закреплённую шарнирно на мачте, имеющей нижнюю и верхнюю опоры[3].

Портальный кран -- кран стрелового типа поворотный, передвижной, на портале, предназначенном для пропуска автомобильного или железнодорожного транспорта[3].

Полупортальный кран -- кран стрелового типа поворотный, передвижной, на полупортале[3].

Судовой кран -- кран стрелового типа, поворотный, стационарный, установленный на борту судна и предназначенный для его загрузки и разгрузки[3].

Монтажная стрела -- кран стрелового типа, неповоротный, стационарный, монтируемый непосредственно у места производства работ[3].

Стреловые краны подразделяют на несколько групп, самая распространённая из которых -- группа самоходных (передвижных) кранов[4], в зависимости от условий эксплуатации оборудуемых различными ходовыми устройствами[2].

Для независимого перемещения по местности они оснащены специальным ходовым устройством. Стреловое оборудование этих кранов -- сменное. Всё это позволяет быстро изменять параметры и использовать их при выполнении широкого круга задач[4].

Стреловые краны относятся к группе универсальных кранов, предназначенных для подачи строительных конструкций и материалов на строящиеся объекты, а также для механизации погрузочно-разгрузочных работ на складах. В процессе монтажных работ их используют для поддержания конструкций при их закреплении на месте монтажа[5].

Кроме того, они широко применяются:

На строительстве мостов: при погрузочно-разгрузочных, монтажных работах с различными конструкциями[6].

В энергетическом строительстве: в зависимости от мощности электростанции краны могут выполнять функции основного монтажного механизма (на объектах малой мощности), либо вспомогательного (на объектах средней и большой мощности) при монтаже основного энергетического оборудования. При монтаже вспомогательных объектов (химводоочистка, эстакады трубопроводов и пр.) самоходные краны становятся главным монтажным механизмом[7].

Достоинства и недостатки:

Основное достоинство -- способность быстро перебазироваться с одного объекта на другой, а затем сразу по прибытии на новое место начать работу. Благодаря этому краны успешно используются на рассредоточенных объектах с небольшим объёмом работ[5].

Главный недостаток -- передвижение с грузом допускается со значительными ограничениями[5].

Классификация стреловых кранов:

· Самоходные стреловые краны

· На автомобильном шасси

· На гусеничных тележках

· На специальном шасси автомобильного типа

Стреловые самоходные краны классифицируют по следующим характеристикам: грузоподъёмности, конструкции ходовой части, типу привода, типу рабочего (стрелового) оборудования[2], а также по исполнению подвески стрелового оборудования[4].

Конструкция ходовой части:

По конструкции ходовой части (шасси), стреловые краны подразделяются на следующие виды:

Автомобильный кран стрелового типа на шасси автомобиля[3].

Гусеничный-- кран на гусеничных тележках[3].

Железнодорожный[6] -- кран стреловой, на платформе, передвигающийся по железнодорожному пути[3].

Кран на шасси автомобильного типа[6] -- кран стрелового типа на ходовом устройстве типа автомобильного шасси[3].

Плавучий -- кран на плавучих средствах[3].

Пневмоколёсный -- кран стрелового типа на пневмоколёсном шасси, управляемый из кабины, установленной на поворотной части крана[3].

Рельсовый[2] -- кран на рельсовом ходовом устройстве[3]: краны типа «СКР».

Тракторный[8] -- кран стреловой на шасси трактора[3].

Привод стреловых кранов[править | править вики-текст]

В стреловых самоходных кранах используют:

Механический привод. При использовании группового механического привода все механизмы крана получают движение от дизеля или другого двигателя внутреннего сгорания[2].

Электрический привод. В случае использования электрического многодвигательного привода, каждый механизм имеет индивидуальный электродвигатель[2].

Гидравлический привод. При использовании гидропривода каждый механизм оснащается индивидуальным гидродвигателем[2].

Смешанный привод[2].

По типу привода механизмов самоходные стреловые краны делятся на две группы:

Одномоторный привод: все рабочие механизмы приводятся в движение одним или несколькими двигателями, работающими на один вал. Одномоторный привод может быть механическим, либо комбинированным[4].

Многомоторный или индивидуальный привод, когда каждый механизм получает движение от отдельного двигателя[4].

Тип стрелового оборудования.

В стреловых кранах применяются:

Стреловое оборудование -- оборудование крана, состоящее из рабочей (наклонной) стрелы, поддерживающих её элементов и крюковой подвески[9]. Оборудование стрелового крана представляет собой наклонную стрелу, которая установлена на поворотной раме крана[2].

Башенно-стреловое оборудование (сокр. БСО, исполнение крана в этом случае БСИ) -- сменное оборудование стрелового самоходного крана с механическим приводом, состоящее из вертикальной или наклонно установленной башни (мачты), стрелы с гуськом (или без него) и необходимых устройств[9]. Мачта оборудования монтируется на поворотной раме крана и конструктивно представляет собой пространственную ферму, в верхней части которой на шарнирах крепится стрела с изменяющимся углом наклона, называемая управляемым гуськом[2]. Кран с установленным оборудованием этого типа позволяет получить наибольшее свободное пространство под стрелой, называемое полезным подстреловым пространством[2].

Крановое оборудование одноковшового экскаватора -- решётчатая стрела, установленная на одноковшовый экскаватор[6]. В этом случае экскаватор используется в качестве стрелового крана. Грузоподъёмность кранового оборудования для экскаваторов с ковшами ёмкостью 0,4 мі; 0,65 мі; 1 мі и 1,65 мі составляет: 6,3 т; 10 т; 16 т и 25 т[6].

Конструкция стрелового оборудования:

По конструкции подразделяется на два основных типа:

Стрелы решётчатой конструкции[6]. Подвешиваются на гибкой подвеске при помощи системы канатов[4] -- от стрелового полиспаста[8]. Стрелы, изменяемые по длине, оснащаются специальными вставками, устанавливаемыми в среднюю часть стрелы[6].

По конструкции, в свою очередь, решётчатые стрелы подразделяются на четыре подвида:

Прямые решётчатые стрелы. Применяются на кранах, которые предназначены для выполнения разнообразных работ. При этом возникают ситуации, когда при малых вылетах стрелы при наибольшей грузоподъёмности крана пространства под стрелой перестаёт хватать для подъёма крупногабаритных грузов[2].

Непрямолинейные стрелы. Стрела подвешивается на стреловом полиспасте в зоне перегиба стрелы. Применяются для увеличения пространства под стрелой. В таких случаях размеры поднимаемого груза могут быть очень большими, однако стрела при этом испытывает значительный изгибающий момент, а также при повороте крана -- значительный крутящий момент[2].

Наращиваемые стрелы. Стрелу кранов, имеющих значительную грузоподъёмность, выполняют из нескольких секций-вставок, что позволяет применять стрелы большой длины[2].

Шарнирно-сочленённые стрелы. Представляют собой стреловое устройство, состоящее из основной стрелы и шарнирно закреплённого на ней гуська. Гусёк позволяет значительно увеличить вылет стрелы при существенном пространстве под стрелой крана, однако при этом снижается грузоподъёмность. Гусёк в этом случае является неуправляемым, так как угол наклона во время работы крана остаётся постоянным[2].

1.2 Конструкция стрелочного крана

электропривод стрелочный кран двигатель

Кран «Кондор» спроектирован и изготовлен на заводе «VEB Kranbau Eberswalde» в Германской Демократической Республике [1].

Кран предназначен для перегрузки контейнеров международного стандарта, штучных и навалочных грузов. Преимущественное применение крана для перегрузки контейнеров и штучных грузов определяет его конструктивные особенности.

Технические данные крана:

Тип крана портальный

электрический

Тип стреловой системы шарнирно-сочлененная стрела

с прямым хоботом и жесткой оттяжкой

Грузоподъемность крана, т:

при работе с крюковой подвес- на вылетах стрелы 8--32 м 32

кой на вылетах стрелы 8--25 м 40

Наибольшая высота подъема от головки рельса кранового пути, м:

до центра зева крюка крюковой подвески 28,5

Наибольшая глубина опускания от головки рельса кранового пути, м:

до центра зева крюка крюковой подвески 13,0

Скорость, м/мин:

подъема груза 40

спуска груза 47

подъема 40

передвижения крана 20

Частота вращения, об/мин:

поворотной части крана 1,0

траверсы грузоподъемного электромагнита 1,0

Наибольший угол разворота траверсы грузоподъемного

электромагнита, град 120

Общая высота крана со стрелой на минимальном вылете, м 51,5

Число ходовых колес:

общее 32

в том числе приводных 16

Масса крана при работе с крюковой подвеской, т 371

Энергопитание:

род тока Переменный

трехфазный

частота, Гц 50

Напряжение, В:

ввода на кран 380

электродвигателей основных механизмов 380

цепей управления 220

сетей освещения и отопления 220

Двухпутный четырехопорный портал опирается на 16 двухколесных ходовых тележек, 8 из которых имеют привод [1].

Поворотная часть крана крепится на поворотной колонне, которая опирается на портал с помощью подпятника и опорных катков. На поворотной колонне установлены: машинное помещение с механизмом подъема, кабина управления, механизм поворота, механизм изменения вылета и шарнирно-сочлененная стреловая система.

Стреловая система состоит из стрелы, хобота, жесткой оттяжки и коромысла, к которому крепится противовес.

Электропривод механизма подъема и каждой лебедки механизма подъема состоит из двух электродвигателей, один из которых работает в приводном режиме, другой -- в режиме динамического торможения.

Механизм поворота имеет 2 приводных электродвигателя, подключенных параллельно. При нажатии кнопки и педали или только педали осуществляется динамическое торможение одним или двумя электродвигателями.

В режиме динамического торможения электродвигатели питаются постоянным током от выпрямителей.

В приводе механизма передвижения установлены 8 электродвигателей.

Каждый из 16 тормозов механизмов имеет электрогидравлический толкатель.

Пуск электродвигателей основных механизмов осуществляется автоматически в функции времени с помощью контакторно-релейной аппаратуры и пускорегулировочных резисторов. Частота вращения электродвигателей определяется положением рукоятки командоконтроллера.

У электродвигателей механизмов подъема, поворота и подъема пускорегулировочные резисторы включены в цепь ротора, у электродвигателей механизма передвижения -- в их общую статорную цепь.

На кране применена индивидуальная компенсация реактивной мощности; параллельно приводным электродвигателям основных механизмов подключены конденсаторные установки.

Электропитание крана осуществляется от электрической колонки с помощью четырехжильного шлангового кабеля сечением 3Ч185+1Ч95 мм². Кабельный барабан имеет грузовой привод.

Подключением вспомогательного кабеля сечением 4Ч25 мм² обеспечивается возможность перегона крана на расстояние до 100 м в обе стороны от электрической колонки.

Установленная суммарная мощность приводных электродвигателей (при ПВ 40%) всех механизмов составляет 377 кВт.

Средний ток, потребляемый электродвигателями механизмов при различных совмещениях рабочих движений крана, не превышает 740 А.

Пиковый ток, потребляемый электродвигателями в момент их пуска при различных совмещениях рабочих движений крана, не превышает 1100 А.

Среднее значение 0,80--0,85 коэффициента мощности (cos ф) для крана в целом достигается только при работе с грузом не менее 16 т и колебании напряжения питания в пределах 351,5--380 В.

В комплект поставляемых с краном грузозахватных органов входят: крюковая подвеска, поворотная подвеска с грузоподъемным электромагнитом, 2 спредера для перегрузки контейнеров типа 1С (20-футовых) и 1А (40-футовых).

Кроме грузозахватных органов, в комплект крана входят: инструмент, сменно-запасные части, вспомогательные устройства для перевода крана на перпендикулярные пути, техническая документация.

Основные металлические конструкции крана -- портал, колонна, шарнирно-сочлененная стреловая система -- выполняются сварными из листовой стали [1]. Составные части металлических конструкций соединяются между собой болтами.

Портал состоит из балок коробчатой конструкции и двутавров. Нижняя часть портала 1 включает в себя четыре опоры, попарно соединенные между собой вдоль подкрановых путей балками, и крестовину, на центральной части которой крепится подпятник колонны. Для обеспечения достаточной жесткости конструкции портала балки, стягивающие его опоры, дополнительно соединяются с последними раскосами. Верхняя часть портала 2 представляет собой ферму, которая крепится болтами к нижней части портала. На верхней части портала с помощью четырех самоустанавливающихся сферических пальцев устанавливается опорный круг 3, на котором крепятся рельс опорно-поворотного устройства и зубчатый венец. Такая установка опорного круга обеспечивает возможность его перемещения относительно портала, необходимую при монтаже крана. После завершения монтажных работ положение опорного круга относительно портала фиксируется с помощью четырех болтов. Действующие на колонну горизонтальные нагрузки воспринимаются через рельс опорно-поворотного устройства опорным кругом и передаются им на портал.

Колонна коробчатой конструкции состоит из нижней 4 и верхней 5 частей, соединенных между собой с помощью болтов. Для обеспечения необходимой жесткости колонны внутри нее продольно привариваются швеллеры и устанавливаются диафрагмы. В нижней части колонны имеются проушины для крепления стрелы и машинного помещения. В верхней части колонны есть проушины для крепления: оттяжки стрелы; коромысла противовеса; тяги, поддерживающей машинное помещение; вал-шестерни механизма изменения вылета и редуктора этого механизма. В верхней части колонны имеется овальное отверстие для прохождения через него зубчатой рейки механизма изменения вылета. Перемещение зубчатой рейки при работе крана на вылетах, близких к максимальному, ограничивается упорами, приваренными к колонне с внутренней стороны овального отверстия.

Шарнирно-сочлененная стреловая система состоит из стрелы 6 с хоботом 7, жесткой оттяжки 8 и коромысла подвижного противовеса 9. Все перечисленные элементы металлоконструкции представляют собой балки коробчатого типа, необходимая жесткость которых обеспечивается диафрагмами, швеллерами и уголками, приваренными с внутренней стороны. На стреле имеются проушины, с помощью которых она шарнирно соединяется с хоботом, коромыслом подвижного противовеса, зубчатой редкой и колонной. Жесткая оттяжка шарнирно соединяется со стрелой и с колонной. Все шарнирные соединения стреловой системы выполнены на подшипниках качения.

Машинное помещение 11 представляет собой сварную конструкцию из листовой стали, которая крепится с помощью пальцев 12 к нижней части колонны и с помощью тяги 10 к верхней части колонны. В машинном помещении размещаются механизм подъема и неподвижный противовес.

Кабина крановщика 13 сваривается из листовой стали и крепится болтами к кронштейнам колонны.

На портале, колонне, стреле и жесткой оттяжке имеются площадки и лестницы.

2. Требования к электрооборудованию стрелочного крана

Основное крановое электрооборудование: электродвигатели, силовые, магнитные и командные контролеры, пускорегулировочные резисторы, тормозные электромагниты, конечные выключатели и другие - в значительной степени стандартизировано.

Рабочее напряжение сети, питающей краны, не должно превышать 500 В. В соответствии с этим на кранах применяется электрооборудование на 220 или 440 В постоянного тока и 220 или 380 В переменного тока. На напряжение 440В используется только в силовых цепях кранов большой грузоподъемности.

Для защиты питающих проводов и электродвигателей от токов К.З. и значительны перегрузок (свыше 225%) на кранах предусматривается максимальная токовая зашита с помощью реле максимального тока или автоматических выключателей.

Плавкие предохранители используют только для защиты цепей управления. Тепловая защита на кранах обычно не применяется, так как в условиях ПВ режима она может приводить к ложным отключениям. Для предотвращения самозапуска двигателей, т.е. самопроизвольного пуска их при восстановления напряжения сети после перерыва в электроснабжении, в электрических схемах кранов используют совместно с «нулевой» защитой блокировку нулевой позиции контроллеров.

Обязательным является наличие конечных выключателей для автоматической остановки механизмов при подходе их к крайним положениям. Для безопасности обслуживания электрооборудования люк для выхода из кабины на мост снабжается конечным выключателем, снимающим напряжение со вспомогательных троллеев при открывании люка.

Все токоведущи части в кабине крана полностью заграждаются. Механизмы крана оснащаются тормозами замкнутого типа с электромагнитами, которые автоматически растормаживают механизм при включении и автоматически растормаживают при отключении двигателя. Металлоконструкции кранов и все металлические части электрооборудования, которые могут оказаться под напряжением из-за порчи изоляции, должны быть заземлены. Соединение с контуром заземления цеха осуществляется через подкрановые пути.



3. Требования, предъявляемые к электроприводу механизма подъема

Требования предъявляемые к электроприводу механизма подъема:

• Двигатель должен быть защищен от перегрузки и коротких замыканий в силовой цепи и цепи управления. При прекращении питания приводного двигателя должна автоматически отключится цепь управления, а после восстановления должен быть исключен самозапуск;

• Привод главного подъёма должен быть обеспечен нормально -замкнутым контактом, а при включении двигателя тормоз должен автоматически открываться. Замыкание токоведущих частей электрического устройства привода тормоза на корпус не должно вызвать самопроизвольное включение этого привода. У электродвигателя переменного тока при питании от управляемого преобразователя, снятие механического тормоза должно происходить при величине тока двигателя, который обеспечивает необходимый момент для удержания кабины;

• Привод должен быть реверсивным;

• Класс нагревостойкости изоляционных материалов выбранного типа привода должен быть F или Н;

• Работа привода в повторно- кратковременном режиме с ПВ = 40 %;

• Ускорение подъема крюка с грузом не должно превышать a_max = 0,3 м/с 2;

• Скорость подъёма не должна превышать V_max = 1,4 м/с;

• Диапазон регулирования привода подъёма D (4 : 1);

4. Двигатели, используемые в электроприводе подъема стрелочного крана

Находят применения крановые электродвигатели трехфазного переменного тока (асинхронные) и постоянного тока (последовательного или параллельного возбуждения). Они работают, как правило, в повторно-кратковременном режиме при широком регулировании частоты вращения, причем работа их сопровождается значительными перегрузками, частыми пусками, реверсами, торможениями. Кроме того, электродвигатели крановых механизмов работают в условиях повышенной тряски и вибраций. В ряде случаев применения они, помимо всего этого, подвергаются воздействию высокой температуры (до 60-70 °С), паров и газов.

В связи с этим по своим технико-экономическим показателям и характеристикам крановые электродвигатели отличаются от двигателей общепромышленного исполнения.

Основные особенности крановых двигателей:

исполнение, обычно, закрытое;

изоляционные материалы имеют класс нагревостойкости F и Н;

момент инерции ротора по возможности минимальный, а номинальная частота вращения относительно небольшая - для уменьшения потерь энергии в переходных процессах;

магнитный поток относительно велик - для обеспечения большой перегрузочной способности по моменту;

значение кратковременной перегрузке по моменту для крановых электродвигателей постоянного тока в часовом режиме составляет 2,15 -5,0, а для двигателей переменного тока - 2,3 - 3,5;

отношение максимально допустимой рабочей частоты вращения к номинальной составляет для постоянного тока 3,5 - 4,9, для электродвигателей переменного тока 2,5;

для крановых электродвигателей переменного тока за номинальный режим принят режим с ПВ = 40%, а для электродвигателей постоянного тока наряду с этим режимом - режим 60 минут (часовой). Наиболее широко для привода крановых механизмов применяются трехфазные асинхронные электродвигатели с фазным ротором, обеспечивающие регулирование скорости и плавный пуск при относительно большом значении нагрузки на валу. Эти электродвигатели устанавливают на крановых механизмах при среднем, тяжелом и весьма тяжелом режимах работы. Они допускают регулирование пускового момента в заданных пределах и регулирование скорости в диапазоне (1:3) - (1:4).

Асинхронные электродвигатели с короткозамкнутым ротором применяются реже (для привода механизмов передвижения малоответственных тихоходных кранов) из-за несколько повышенного пускового момента и значительных пусковых токов, хотя масса их примерно на 8 % меньше, чем у асинхронных двигателей с фазным ротором, а стоимость в 1,3 раза меньше, чем у этих двигателей при одинаковой мощности. Асинхронные электродвигатели с короткозамкнутым ротором иногда применяют при режимах Л и С (для механизмов подъёма). Применение их на механизмах кранов, работающих в более тяжелых режимах, ограничено малой допустимой частотой включения и сложностью схем регулирования скорости.

Преимуществами асинхронных электродвигателей по сравнению с электродвигателями постоянного тока являются их относительно меньшая стоимость, простота обслуживания и ремонта. Масса кранового асинхронного электродвигателя с наружной самовентиляцией в 2,2 - 3 раза меньше массы кранового электродвигателя постоянного тока при одинаковых номинальных моментах, а масса меди соответственно примерно в 5 раз меньше. Если эксплуатационные затраты принять за единицу для асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором, то для электродвигателей с фазным ротором эти затраты составят 5 единиц, а для электродвигателей постоянного тока 10 единиц. Поэтому в крановых электроприводах наиболее широкое применение получили асинхронные электродвигатели (около 90 % от общего числа электродвигателей).

Электродвигатели постоянного тока целесообразно применять в тех случаях, когда требуется широкое и плавное регулирование скорости, для приводов с большим числом включений в час, при необходимости регулирования скорости вверх от номинальной, для работы в системе Г-Д.

В последнее время достижения в создании относительно малогабаритных и экономичных силовых полупроводниковых преобразователей еще более расширили область применения электродвигателей переменного тока. Полупроводниковые преобразователи на полностью управляемых силовых ключах, а именно: IGCT- тиристорах и силовых IGBT-транзисторах дают возможность применять асинхронные двигатели с короткозамкнутым роторам в крановом хозяйстве повсеместно.

5. Описание объекта автоматизации

5.1 Примеры систем электропривода

Для осуществления автоматического регулирования предусматриваются управляемые преобразователи и регуляторы, позволяющие автоматически под воздействием обратных связей осуществлять регулирование координат электропривода, в нашем случае момента и скорости. Наиболее широко используются электромашинные и вентильные управляемые преобразователи напряжения постоянного тока и частоты переменного тока и соответствующие системы ЭП: система генератор - двигатель (Г-Д); система тиристорный преобразователь - двигатель (ТП-Д). Также скорость и момент можно изменять путем реостатного регулирования. Выбор рационального способа регулирования из возможных является важной задачей, которая решается при проектировании электропривода.

Все вышеперечисленные системы имеют ряд преимуществ и недостатков, анализ которых при учете предъявляемых технических требований и специфики производственного механизма позволяет осуществить правильный выбор системы регулирования.

Так, в настоящее время продолжает успешно применяться система Г-Д. Ее основными достоинствами являются отсутствие искажений потребляемого из сети тока и относительно небольшое потребление реактивной мощности. При применении синхронного двигателя в преобразовательном агрегате путем регулирования тока возбуждения можно обеспечить работу ЭП с cos для компенсации реактивной мощности, потребляемой другими установками.

К сожалению, системе Г-Д присущи несколько серьезных недостатков, определяемых необходимостью трехкратного электромеханического преобразования энергии. Как следствие - низкие массогабаритные и энергетические показатели, и благоприятные регулировочные возможности достигаются ценой существенных затрат дефицитной меди, высококачественной стали и труда. Наряду с этим характерен низкий общий КПД системы.

Коэффициент полезного действия системы ПЧ-АД ниже, чем в системе ТП-Д, ниже быстродействие и экономичность.

Рассматривая способ реостатного регулирования нельзя не отметить его низкую точность и диапазон регулирования, невысокую плавность, а также массогабаритные показатели (наличие резисторов, коммутирующей аппаратуры) и снижение КПД при увеличении диапазона регулирования. Однако данный способ привлекателен своей простотой и невысокими затратами на реализацию.

5.2 Система Управляемый преобразователь - двигатель

Рисунок 5.1 - Система «Управляемый преобразователь - двигатель»



Рисунок 5.2 - Системы ТП-Д со схемами преобразователей: а - трехфазная нулевая схема; б - трехфазная мостовая схема; в - диаграмма напряжений и токов трехфазной нулевой схемы

Рисунок 5.3 - Инверторный режим в системе ТП-Д: а - трёхфазная нулевая схема; б - диаграмма напряжений



Рисунок 5.4 - Схемы реверса двигателя в системе ТП-Д: а) переключением обмотки возбуждения двигателя; б) переключением якоря двигателя; в) использованием двух комплектов преобразователей

Изучая свойства двигателей постоянного тока, установили, что наиболее экономичный способ регулирования их угловой скорости связан с изменением напряжения, подводимого к якорю, а не сопротивлений цепи якоря или обмотки возбуждения электрической машины.

Для регулирования напряжения необходимы специальные силовые преобразователи. Поэтому в этом разделе будем изучать характеристики уже не отдельных двигателей, а комплексов, состоящих из силового преобразователя и двигателя, которые можно считать системами электропривода. Распределение электроэнергии в промышленности выполняется на переменном токе. Для питания двигателей постоянного тока устанавливают преобразователи переменного тока в постоянный. В качестве устройств силовой преобразователь - двигатель применяются:

- электромеханическая система генератор - двигатель (Г-Д);

- вентильный управляемый выпрямитель - двигатель (УВ-Д), чаще всего эту систему называют ТП - Д - тиристорный (транзисторный) преобразователь -двигатель;

- широтно-импульсный преобразователь - двигатель (ШИП-Д);

- магнитный усилитель (индуктивно-вентильный преобразователь) - двигатель (МУ-Д);

- индуктивно-емкостный преобразователь - двигатель (ИЕП - Д).

В современной технике управляемые выпрямители (рис.5.1) выполняются практически только на электронных управляемых полупроводниковых приборах: тиристорах, полностью управляемых тиристорах(GTO) и мощных транзисторах (IBGT). Обычно управляемые выпрямители (рис.5.14) преобразуют напряжение переменного тока промышленной сети (fс = 50 Гц) в выпрямленное напряжение с основной частотой пульсаций, редко превышающей 6· fс …12· fс. Электромашинные преобразователи применяют значительно реже, в основном эксплуатируются ранее установленные системы.

Преимущества вентильного преобразователя:

? статический аппарат (электромашинный - вращающийся);

? меньше затраты на строительную часть (для электромашинного необходим фундамент);

? меньшая металлоёмкость, как цветных, так и черных металлов;

? прост для ремонта и эксплуатации (блочная конструкция);

- высокий КПД (падение напряжения на вентилях мало);

? незначительная инерционность;

? малая мощность управления.

Недостатки: вентильного преобразователя:

? малая перегрузочная способность, малая тепловая инерция;

? малая мощность преобразования в одном элементе;

? искажение синусоидального питающего напряжения;

? создание помех в сети, мешающие работе оборудования.

5.3 Система Г - Д

Рисунок 5.5 - Система Г - Д

Другой системой, где скорость двигателя регулируется изменением напряжения на зажимах якоря, является система Генератор - Двигатель (Г - Д). Эта система ранее, до появления силовой электроники (тиратроны, ртутные вентили,тиристоры) была наиболее распространенной, но и сейчас она успешно применяется на многих механизмах.

Система, в которой двигатель получает питание от отдельного электромашинного генератора, называется системой Г - Д. Преобразование электрической энергии переменного тока в энергию постоянного тока выполняется преобразовательным агрегатом - приводным двигателем ПД и генератором постоянного тока Г. Приводной двигатель вращается с постоянной скоростью щГ ? const.

Якорь двигателя М подключается к якорю генератора Г (рис.5.5).

Регулирование напряжения на якоре двигателя М осуществляется изменением ЭДС генератора путем изменения тока возбуждения генератора. Обмотка возбуждения генератора получает питание от возбудителя. В последнее время в качестве возбудителей чаще всего применяются тиристорные возбудители ТВ.

Изменением напряжения управления UУ регулируется напряжение на обмотке возбуждения UВГ генератора, изменяется ток возбуждения iВГ и поток ФГ генератора. Изменяются ЭДС генератора ЕГ, напряжение на якоре UЯ, скорость вращения двигателя.

5.4 Система ПЧ-АД

Рисунок 5.6 - Система ПЧ-АД

С пульта управления у привода включается звуковая сигнализация, через 30-40 с, оператор путем нажатия кнопки “Пуск” подает управляющий сигнал на катушку контактора, которая, втягивая сердечник, подает питание на электродвигатель.

При нарушении нормальных режимов работы питание электродвигателя может быть отключено:

Система состоит из преобразователей частоты ПЧ, подключенных к приводному асинхронному двигателю с короткозамкнутым ротором - Д; блоков управления преобразователем частоты БУ; пульта управления ПУ, который осуществляет функции сбора, обработки информации и выдачи управляющих команд на БУ, а также передачи информации на поверхность.

Информация с датчика скорости ДС поступает в блок управления БУ, где происходит ее обработка (сравнение с уставкой, задаваемой ПУ) и выдача управляющего (аналогового) сигнала на ПЧ. Блок БУ также обеспечивает плавный пуск двигателя крана.

Заданный алгоритм пуска обеспечивается системой управления блока БУ, управляющий выходной сигнал которого осуществляет задание параметров ШИМ-модулятора преобразователя частоты ПЧ.

Управление электродвигателем предполагает автоматизацию всей его работы, включая пуск, торможение, реверс и изменение скорости вращения электродвигателя.

Автоматический пуск обеспечивает плавное включение пусковых сопротивлений, возможность регулирования тока в требуемых пределах, что позволяет уменьшить число ошибок, возникающих при пуске, и повышает производительность всей системы в целом. То же самое касается реверса и торможения.

Частотное регулирование позволяет устранить один из существенных недостатков электродвигателей с короткозамкнутым ротором -- постоянную частоту вращения ротора электродвигателя, не зависящую от нагрузки. Частотное регулирование создает возможность управления скоростью электродвигателя в соответствии с характером нагрузки. Это в свою очередь позволяет избегать сложных переходных процессов в электрических сетях, обеспечивая работу оборудования в наиболее экономичном режиме.

Частотное регулирование электродвигателя эффективно используют на промышленных предприятиях, в области энергетики, коммунальном хозяйстве и других сферах. Это связано с тем, что частотное регулирование позволяет автоматизировать производственные процессы, экономично расходовать электроэнергию и другие задействованные в производстве ресурсы, повышать качество выпускаемой продукции, а также увеличивать надежность работы всей системы в целом.

Частотное регулирование также позволяет улучшить безотказность работы и долговечность технологической системы. Это обеспечивается за счет снижения пусковых токов, устранения перегрузок элементов системы и постепенной выработки моточасов оборудования. Для частотного регулирования используются частотные преобразователи со встроенными в них ПИД-регуляторами (пропорционально-интегрально-дифференциальные регуляторы), обеспечивающими точное регулирование заданных технологических параметров.

Преобразователи частоты, в отличие от других устройств регулирования скорости двигателя, таких как гидравлическая муфта, система генератор-двигатель, механический вариатор, позволяют избегать различных недостатков в работе системы. Речь идет об узком диапазоне регулирования оборудования, сложностях с его эксплуатацией, низким качеством производимых работ и неэкономичности всей системы.

Плавное регулирование скорости вращения электродвигателя позволяет в большинстве случаев отказаться от использования редукторов, вариаторов, дросселей и другой регулирующей аппаратуры, что значительно упрощает управляемую механическую (технологическую) систему, повышает ее надежность и снижает эксплуатационные расходы

Частотный пуск управляемого двигателя обеспечивает его плавный без повышенных пусковых токов и механических ударов разгон, что снижает нагрузку на двигатель и связанные с ним передаточные механизмы, увеличивает срок их эксплуатации. При этом появляется возможность по условиям пуска снижения мощности приводных двигателей нагруженных механизмов.

Встроенный микропроцессорный ПИД-регулятор позволяет реализовать системы регулирования скорости управляемых двигателей и связанных с ним технологических процессов.

Применение обратной связи системы с частотным преобразователем обеспечивает качественное поддержание скорости двигателя или регулируемого технологического параметра при переменных нагрузках и других возмущающих воздействиях.

Преобразователи частоты в комплекте с асинхронным электродвигателем может применяться для замены приводов постоянного тока.

Преобразователь частоты в комплекте с программируемым микропроцессорным контроллером может применяться для создания многофункциональных систем управления электроприводами, в том числе с резервированием механических агрегатов.

Применение регулируемого частотного электропривода позволяет сберегать электроэнергию устранением неоправданных ее затрат, которые имеют место при альтернативных методах регулирования с технологических потоков дросселированием, с помощью муфт и других механических регулирующих устройств.

Экономия электроэнергии при использовании регулируемого электропривода для кранов в среднем составляет 50-75 % от мощности, потребляемой кранами при дроссельном регулировании. Это определило повсеместное внедрение в промышленно развитых странах регулируемого привода кранных агрегатов. При этом фирмы предлагают различные типы преобразователей частоты для асинхронных двигателей кранов.

Основные возможности ПЧ:

- Частотные преобразователи позволяют регулировать частоту трехфазного напряжения питания управляемого двигателя в пределах от нуля до 400 Гц.

- Разгон и торможение двигателя осуществляется плавно, при необходимости по линейному закону от времени. Время разгона и (или) время торможения от 0,01 с до 50 мин.

- Реверс двигателя, при необходимости с плавным торможением и плавным разгоном до заданной скорости противоположного направления.

- При разгоне частотные преобразователи могут обеспечивать до 150 % увеличение пусковых и динамических моментов.

- В преобразователях предусмотрены настраиваемые электронные самозащиты и защиты двигателей от перегрузки по току, перегревах, утечках на землю и обрывах линий питания двигателей.

- Частотные преобразователи позволяют отслеживать с отображением на цифровом индикаторе и формированием соответствующего выходного сигнала о заданном основном параметре системы - частоте питающего двигатель напряжения, скорости двигателя, ток или напряжение двигателя, состояние преобразователя и т.п.

- В зависимости от вида нагрузки двигателей в преобразователях можно формировать требуемые вольт-частотные выходные характеристики.

- В наиболее совершенных преобразователях реализовано векторное управление, позволяющее работать с полным моментом двигателя в области нулевых частот, поддерживать скорость при переменной нагрузке без датчиков обратной связи, точно контролировать момент на валу двигателя.

6. Целесообразность модернизации электропривода подъема стрелочного крана

В настоящее время на механизме подъема крана установлен электропривод на базе асинхронного электродвигателя с фазным ротором, скорость которого регулируется изменением сопротивления цепи ротора. Данный привод имеет:

- мягкую характеристику, следовательно, большое изменение скорости при увеличении момента нагрузки;

- малый диапазон регулирования скорости;

- большие потери в цепи ротора, и, следовательно, низкий КПД;

- низкая надежность двигателя с фазным ротором, обусловленная наличием щеточно-контактного узла.

Кроме указанных недостатков двигателя применяемый в настоящее время электропривод механизма подъема обладает существенным недостатком - ступенчатым регулированием скорости, что значительно усложняет работу механизма.

В связи с указанными недостатками существующего привода возникает вопрос о необходимости модернизации электропривода механизма подъема - замена настоящего электропривода на более надежный, плавно-регулируемый электропривод.

В настоящее время в связи с созданием простых и надежных преобразователей частоты, все большее применение находят частотно-регулируемые электроприводы с применением асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором.

Прежде всего, электроприводы на базе асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором оказываются более выгодными в эксплуатации. Отсутствие щеточно-контактного узла позволяет резко снизить объемы и периодичность, а, следовательно, и стоимость технического обслуживания асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором [3]. Бесконтактное исполнение асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором позволяет беспрепятственно использовать и эффективно применять их в случаях, когда использование асинхронных электродвигателей с фазным ротором весьма стеснено из-за тяжелых условий работы (металлургия, транспортные средства) или даже невозможно (химически агрессивные производства, погружные установки, взрывоопасные среды).

Асинхронные электродвигатели [4] с короткозамкнутым ротором имеют меньшую стоимость, более простую конструкцию и технологию изготовления, малый момент инерции ротора и могут долго работать при повышенных температурах и угловых скоростях вращения.

Учитывая сказанное, в качестве электропривода механизма подъема целесообразно использовать частотно-регулируемый электропривод с асинхронным короткозамкнутым двигателем, который по всем параметрам удовлетворяет предъявляемым требованиям.

Способ регулирования скорости вращения двигателя выбираем частотный, так как этот способ обеспечивает плавное регулирование скорости в необходимом диапазоне, а получаемые характеристики обладают высокой жесткостью. Частотный способ обладает к тому же и еще весьма одним важным свойством: регулирование скорости АД не сопровождается увеличением его скольжения, поэтому потери мощности при регулировании скорости небольшие.

Рис. 6.1.Обобщенная схема частотно регулируемого электропривода

Для лучшего использования АД и получения высоких энергетических показателей его работы - коэффициентов мощности, полезного действия, перегрузочной способности - одновременно с частотой необходимо изменять и подводимое к двигателю напряжение. Закон изменения напряжения при этом зависит от характера момента нагрузки. Для центробежных кранов характерен «вентиляторный» закон регулирования:

.

Распространенной системой частотно-регулируемого асинхронного привода является система со статическим преобразователем частоты с автономным инвертором. Наибольшее применение для промышленных приводов может иметь статический преобразователь частоты с промежуточным звеном постоянного тока (ПЗПТ). Структурная схема такого привода показана на рисунке 6.2.

...