Размещено на http://www.allbest.ru/

Требования к автоматизированному электроприводу и системе автоматизации

1. Электрические подъёмные краны

Электрические подъёмные краны - это устройства служащие для вертикального и горизонтального перемещения грузов. Подвижная металлическая конструкция с расположенной на ней подъемной лебёдкой являются основными элементами подъёмного крана. Механизм подъемной лебёдки приводится в действие электрическим двигателем.

Подъемный кран представляет собой грузоподъемную машину циклического действия, предназначенную для подъема и перемещения груза, удерживаемого грузозахватным устройством (крюк, грейфер). Он является наиболее распространенной грузоподъемной машиной, имеющей весьма разнообразное конструктивное исполнение и назначение.

Мостовой кран представляет собой мост, перемещающейся по крановым путям на ходовых колесах, которые установлены на концевых балках. Пути укладываются на подкрановые балки, опирающиеся на выступы верхней части колонны цеха. Механизм передвижения крана установлен на мосту крана. Управление всеми механизмами происходит из кабины прикрепленной к мосту крана. Питание электродвигателей осуществляется по цеховым троллеям. Для подвода электроэнергии применяют токосъемы скользящего типа, прикрепленные к металлоконструкции крана. В современных конструкциях мостовых кранов токопровод осуществляется с помощью гибкого кабеля. Привод ходовых колес осуществляется от электродвигателя через редуктор и трансмиссионный вал.

Мостовой кран, расположенный в литейном цехе, предназначен для переноса брикетов чушки и т-образных слитков на участок отгрузки, погрузка контейнеров с готовой продукцией на вагонные составы, а также для ремонта технологического оборудования.

При выборе структуры электропривода следует учитывать особенности технологического процесса, требования надежности, гибкости в управлении, удобства наладки. К электроприводам механизмов подъема мостовых кранов, которые в большинстве случаев управляются оператором, предъявляются жесткие требования к простоте их эксплуатации и надежности при обеспечении необходимого диапазона регулирования скорости. Диапазон регулирования при подъеме и опускании номинального груза определяется минимальной скоростью при посадке грузов.

Общий вид мостового крана

Величина этого диапазона зависит от технологического процесса и номинальной грузоподъемности крана. Так, для кранов грузоподъемностью более 20 тонн среднего режима работы диапазон регулирования D, при этом при подъёме и опускании пустого крюка скорость должна быть в 1,5-2 раза больше, чем скорость при подъёме номинального груза. Важным требованием для электроприводов указанного класса является плавное изменение скорости в переходном процессе, что резко снижает рывок и, следовательно, уменьшает амплитуду раскачивания груза.

Для выполнения отмеченных требований система управления электроприводом должна быть полу- или полностью автоматической, особенно при работе в переходных режимах.

Основные требования к системе электропривода мостового крана можно сформулировать так:

На первых положениях контроллера подъема двигатель должен развивать такой пусковой момент, чтобы исключалась возможность спуска номинального груза при напряжении питающей сети 90% номинального и в то же время желательная минимальная скорость составляла при наименьшей нагрузке не более 30% номинального значения.

При перемещении рукоятки командоконтроллера в направлении снижения скорости последняя не должна повышаться даже кратковременно. Это в первую очередь относится к переключению с первого положения в нулевое, когда запаздывание механического торможения не должно приводить к повышению малой скорости спуска.

Система электрического торможения должна иметь необходимый запас, обеспечивающий надежное замедление груза, равного 125% номинального, при напряжении питающей сети 90% номинального.

Движение груза должно происходить только в направлении, устанавливаемом командоаппаратом, да же при неисправностях в схеме. В последнем случае груз может оставаться неподвижным.

В данном проекте мы выбираем мостовой кран, который относится к среднему режиму работы с грузоподъёмностью до 20 тонн, со следующим циклом работы:

1. Подъём номинального груза с номинальной скоростью на расчетную высоту;

2. Пауза (перемещение груза в заданное место);

3. Опускание номинального груза с расчетной высоты на нулевую отметку с номинальной скоростью;

4. Пауза (разгрузка);

5. Подъём пустого крюка на расчетную высоту с повышенной скоростью;

6. Пауза (перемещение крана в исходное положение);

7. Опускание пустого крюка с расчетной высоты на нулевую отметку с повышенной скоростью;

8. Пауза (загрузка).

Технические данные к проекту:

Максимальная высота подъема ;

Номинальная скорость ;

Масса крюка ;

Диаметр барабана ;

Кратность полиспаса ;

Передаточное число редуктора ;

Момент инерции барабана ;

Номинальный к.п.д. передачи %;

Скорость крюка ; ПВ=40% .

Грузоподъемность 20 тонн

Кинематическая схема механизма подъема

1 --электродвигатель; 2 --муфта; 3-- тормоз; 4 --редуктор; 5--барабан; 6- полиспаст.

Механизм подъема груза (рисунок 1.1) состоит из крюковой подвески, полиспаста, барабана, передаточного устройства (редуктора, муфт, валов), тормоза и электродвигателя. Узлы механизма смонтированы на металлоконструкции крана..Грузовой канат от схода с блоков предохраняется жесткими и отодвигающимися ограничителями.

2. Выбор электродвигателя

2.1 Расчёт нагрузок и построение механической характеристики и нагрузочной диаграммы механизма

Технологические параметры механизма:

-номинальная скорость подъёма 0,35 м/с;

-максимальная высота подъёма 16,5 м;

-продолжительность включения 40%.

Технологический процесс представляет собой цикл, состоящий из:, опускания крюка, загрузки, подъёма груза на высоту шести метров, опускания груза, разгрузки, подъёма крюка.

Статическая мощность при подъёме груза:

где mк -масса крюковой подвески , кг

mном - номинальная масса груза, кг

vном - номинальная скорость подъёма (опускания) груза, м/c

зпном - номинальный КПД кинематической схемы, равный произведению её отдельных элементов

g - ускорение силы тяжести, м/с2

Статическая мощность при опускании груза:

Статическая мощность при подъёме крюка:

п - КПД передачи, величина которого зависит как от кинематической цепи, так и от величины загрузки и определяется как

,

где - коэффициент, принимаемый равным 0,07

kз - коэффициент загрузки

Статическая мощность при опускании крюка:

Рассчитаем теперь время выполнения технологических операций:

tр = 2*47.1+2*23.6 = 141.5 с

Рассчитаем время цикла:

Поскольку tц = 5.89 мин <10 мин, то режим работы повторно-кратковременный . Суммарное время пауз:

Уtо = tц - tр =353,8 - 141,5 = 212,3 с

Уtо = t01+ t02+ t03+ t04

Примем t01 = t03 = 53 с

t02 = t04 = 53 с

По результатам расчётов строим скоростную и нагрузочную диаграммы механизма.

Скоростная и нагрузочная диаграммы механизма

Размещено на http://www.allbest.ru/

2.2 Предварительный выбор электродвигателя по мощности

Определяем эквивалентную мощность.Статическая эквивалентная мощность за рабочий период:

Пересчитаем эту мощность на ПВ=100%:

Рсэ(ПВ=100%)= Рсэ(ПВ=40%)

2.3 Выбор номинальной скорости двигателя и типоразмера двигателя

Ррасч = Рсэ * Кзап = 45331 * 1,2 = 54397,2Вт

где Кзап=1,05 - коэффициент запаса

Из формулы находим :

;

Из каталога [1] в соответствии с принятым Ррасч выбираем двигатель так, чтобы Рн Ррасч.. Выбираем двигатель 4АН280М10У3 на синхронную скорость nо=600 об/мин.

Параметры выбранного двигателя из каталога [1]:

номинальная мощность Рн = 55 кВт,

номинальное напряжение Uн = 380/220 В

номинальное скольжение sном= 0.5%

номинальный кпд ном = 90,5%,

номинальный коэффициент мощности cos цном=0,81%

кратность максимального момента

кратность пускового момента

критическое скольжение sк= 10%

кратность пускового тока Iп/Iном= 5

момент инерции двигателя Jдв = 4,0 кг м2.

Параметры схемы замещения двигателя в относительных единицах:

Рассчитаем параметры электродвигателя:

Сопротивление фазы, Ом

где - номинальный фазный ток статора, А

Индуктивное сопротивление короткого замыкания, Ом

2.4 Построение нагрузочной диаграммы электропривода

Нагрузочная диаграмма электропривода используется для предварительной проверки двигателя по нагреву и перегрузочной способности.Сначала определим суммарный момент инерции электропривода в случае подъёма крюка (J2) и груза (J1).

С целью ограничения динамических нагрузок, обеспечения надёжного сцепления механизмов передвижения с рельсами и канатов со шкивами в подъёмнике, а также формирования требуемых переходных процессов ускорения механизмов ограничивается.Линейное ускорение принимаем: адоп=0,2 м/с2.

Номинальная скорость двигателя:

рад/с

Радиус приведения:

м/рад

Допустимое угловое ускорение (замедление):

рад/с2

Принимаем момент инерции барабана задан: Jб = 1200кг*м2

Момент инерции электропривода при подъёме груза:

кг*м

где д= 1,2 - коэффициент, учитывающий момент инерции вращающихся частей механизма

Момент инерции электропривода при подъёме крюка:

кг*м2

Время разгона при подъёме и опускании крюка:

Динамический момент электропривода Мдин определим, принимая линейный закон изменения скорости.

Мдин = = J ,

Динамический момент электропривода :

= * доп= 9.46 * 35.71 = 337.81 Н*м

= * доп = 8.82* 35.71 = 315 Н*м

На каждом интервале нагрузочной диаграммы момент двигателя будем рассчитывать по следующей формуле: М = Мс + Мдин = Мс + J

Рассчитаем статические моменты на всех этапах цикла:

Электромагнитный момент при разгоне и опускании крюка:

Электромагнитный момент при опускании крюка с постоянной скоростью:

Электромагнитный момент при торможении и опускании крюка:

Электромагнитный момент при разгоне и подъёме груза:

Электромагнитный момент при подъёме груза с постоянной скоростью:

Электромагнитный момент при торможении и подъёме крюка:

Электромагнитный момент при разгоне и опускании груза:

Электромагнитный момент при опускании груза с постоянной скоростью:

Электромагнитный момент при торможении и опускании груза:

Электромагнитный момент при разгоне и подъёме крюка:

Электромагнитный момент при подъёме крюка с постоянной скоростью:

Электромагнитный момент при торможении и подъёме крюка:

По результатам расчётов строим диаграмму электропривода.



Нагрузочная и скоростная диаграммы электропривода

2.5 Проверка двигателя по нагреву и перегрузочной способности

Упрощенная нагрузочная диаграмма электропривода используется для проверки двигателя по нагреву и перегрузочной способности. Электропривод работает в циклическом режиме с переменной нагрузкой. Для проверки двигателя по нагреву используем метод эквивалентного момента. Условием правильного выбора двигателя по нагреву будет:

Mэ Mном .

В повторно-кратковременном режиме эквивалентный момент определяется только для рабочих участков.

,

где

- момент на i-м интервале,

- продолжительность работы на i-м интервале

n - число рабочих интервалов в цикле,

m - количество интервалов спуска и торможения,

N - количество интервалов установившегося движения,

- продолжительность пуска (торможения) на i-м интервале,

- коэффициент, учитывающий ухудшение охлаждения при пуске (торможении),

- продолжительность установившегося движения на i-м интервале.

где - коэффициент ухудшения условий охлаждения самовентилируемого двигателя при отключении.

Этот эквивалентный момент найден при ПВ=40%, пересчитаем его на ПВ=100%:

По приближенной нагрузочной диаграмме также проверяется двигатель по перегрузочной способности, т.к. максимальный момент в нагрузочной диаграмме равен 1752, то:

Следовательно, двигатель по перегрузочной способности подходит.

3. Проектирование силовой схемы автоматизированного электропривода и выбор комплектного преобразователя электрической энергии

3.1 Определение возможных вариантов и обоснование выбора типа комплектного преобразователя

В качестве комплектного преобразователя можно использовать преобразователь частоты со скалярным управлением, либо с векторным управлением. Так как у нас преобразователь должен обеспечивать небольшой диапазон регулирования, то для наших целей подходит частотный преобразователь со скалярным управлением.

Силовая часть преобразователя должена иметь в своем составе следующие компоненты: выпрямитель, инвертор, фильтр, резистор торможения, узлы защит.

Так как амплитуда напряжения и частота регулируется преобразователем в инверторе, то выпрямитель может быть выполнен на диодах, а при неуправляемом выпрямителе схема должна иметь тормозной резистор.

Исходя из тока и мощности выбранного нами двигателя, выбираем преобразователь.

В настоящее время существует много преобразователей, которые отвечают нашим требованиям, например Hitachi, Siemens, ABB и многие другие.

Принципиальных различий между ними нет, единственное их отличие это их цена и качество.

Выбираем комплектный преобразователь фирмы ABB типа ACS 601-0070-3. Технические данные выбранного преобразователя:

- номинальная мощность, 55кВт;

- номинальный выходной ток преобразователя, 115А;

- ток кратковременной перегрузки,123A;

- трехфазное напряжение питания, 380, 50Гц

- масса преобразователя, 50 кг;

- fk= 1 кГц.

3.2 Расчет параметров и выбор элементов силовой цепи

Силовая цепь, выбранного нами преобразователя частоты имеет следующий состав:

- выпрямитель - в качестве элементов выпрямителя используются диоды;

-инвертор - в качестве ключей инвертора используется комплект IGBT транзисторов с возвратными диодами, регулирование частоты на выходе инвертора осуществляется путем изменения частоты переключения ключей инвертора, а регулирование величины напряжения на выходе инвертора осуществляется за счет широтно-импульсной модуляции;

- блок торможения - используется для резистивного частотного торможения;

- LC-фильтр - для фильтрации напряжения;

- анодные реакторы - используются для фильтрации коммутационных помех и ограничения скорости нарастания тока короткого замыкания.

- цепи защиты от перенапряжений;

- токоограничивающее сопротивление;

Исходя из выше cказанного, силовая схема электропривода имеет вид, показанный на рисунке 4.1.

Схема силовой части электропривода представлена на рисунке 4.1 и включает в себя следующие силовые элементы:

L1…L3 - токоограничивающие реакторы, предназначенные для ограничения скорости нарастания тока;

R-тормозное сопротивление;

C-емкость выпрямителя;

VT1…VT6 - транзисторы силового блока инвертора;

R-токоограничивающее сопротивление;

VD1…VD6 - диоды выпрямителя.

VD7…VD12-обратные диоды инвертора;

ДТ-датчик тока;

ЦЗП - цепи защиты от перенапряжений;

L-cглаживающий дроссель.

Принципиальная схема силовой цепи электропривода

В качестве силовых ключей рекомендуется использовать модули IGBT, в состав которого входят биполярные транзисторы с изолированными затворами и обратные диоды.

Предварительный выбор:

Номинальный фазный ток статора:

Средний ток через силовой ключ:

Iн.ср. ? kз.Imax,

где kз - коэффициент запаса, учитывающий перегрузку по току при коммутации ключа, kз =2;

Imax - амплитудное значение тока в плече силовой цепи инвертора:

где Iном - номинальный ток двигателя, А.

Выражение (4.2) примет вид:

Iн.ср. ? 2. 164.2 = 322.4 А

Рабочее напряжение на силовом ключе:

Uраб. ? Umax + Uп.н.

где Umax - амплитудное значение напряжения в силовой цепи инвертора, В;

Uп.н. - коммутационное перенапряжение на ключе, В.

В,

где Uл = 380 В - линейное напряжение сети.

С учетом рекомендаций принимается значения перенапряжения Uп.н.=600В.

Выражение (4.5) принимает вид:

Uраб. ? 537,4 + 600 = 1137,4 В

Максимально допустимое напряжение, прикладываемое к вентилю, не должно превышать допустимого значения повторяющегося импульсного напряжения:

где:

- коэффициент запаса по напряжению,

- коэффициент, учитывающий возможное повышение напряжения в сети;

- максимальное обратное напряжение на вентиле;

,

где Uф - значение напряжения питающей сети, Uф = 220 В;

.

Произведем выбор конденсаторов силового фильтра:

Суммарная емкость конденсаторов силового фильтра:

где Ud - среднее значение выпрямленного напряжения, В:

Тн =0,001- постоянная времени нагрузки (частота коммутации транзисторов), с;

Rн=0,069 Ом - активное сопротивление нагрузки, Ом;

Uс - допустимое повышение напряжения на конденсаторе.

Среднее значение выпрямленного напряжения:

Ud = kсх . Uф = 2,34.220 = 514,8 В,

где Uф =220 В - фазное напряжение сети;

kсх = 2,34- коэффициент схемы для трехфазного выпрямителя.

Допустимое повышение напряжения на конденсаторе:

Uс = 0,1. Ud = 0,1. 514,8= 51,5 В.

Активное сопротивление нагрузки:

Rн=3R1/2=3.0,069/2=0,1 Ом.

Выражение (4.13) примет вид:

Ф.

Определяется максимальное допустимое напряжение на конденсаторе:

В.

На основе результатов полученных из выражений (4.8) и (4.9) выбираются конденсаторы силового фильтра.

3.3 Выбор датчиков регулируемых координат электропривода

Датчик тока для частотного управления асинхронным двигателем с IR-компенсацией надо выбрать на основе измерения мгновенных значений токов в фазах АД, затем сформировать сигнал действующего значения тока фазы.



Выбираем 3 датчика тока производства фирмы «LEM» на основе элементов Холла серии HAS по номинальному току статора (IН=114 А).

Основные технические данные датчика тока типа HAS 120 S/SP1:

- Номинальный первичный ток, IPN=120 А;

- Диапазон преобразования, А;

- Напряжение питания, +5 В.

Характеристика датчиков тока серии HAS

4. Проектирование системы автоматического регулирования

4.1 Разработка математической модели автоматизированного электропривода

В настоящее время сформировался новый подход к построению систем асинхронного электропривода с преобразователем частоты, основанный на полных дифференциальных уравнениях асинхронного двигателя ,записанных на базе теории обобщенной электрической машины. Такой подход позволяет построить структуру системы управления частотным электроприводом, называемую системой частотного управления,и осуществить анализ и синтез асинхронного электродвигателя более простыми методами. Для этой цели управляемые координаты электропривода, измененные в неподвижной системе координат, преобразуются к вращающейся системе координат, в которой координаты электропривода рассматриваются как векторные величины. Из этих величин, расположенных в виде проекций на вращающиеся оси координат, путем координатных преобразований выделяются пропорциональные или постоянные величины координат электропривода, которые используются в качестве сигналов управления в системе электропривода. Дифференциальные уравнения для обобщенной машины записываются в различных системах координат. Приняты оси координат , неподвижные относительно статора и оси , - неподвижные относительно ротора. Запись уравнений в этих осях является частным случаем математического описания процессов машины. В общем случае уравнения записываются относительно произвольных координатных осей, например , , вращающихся со скоростью , из которых можно получить любые частные случаи работы электрической машины. Если принять ось за действительную, а ось - за мнимую, то дифференциальные уравнения могут быть записаны в векторной форме.

Характеристики должны соответствовать заданным условиям погрузки и разгрузки. Поскольку операции чередуются, характеристики должны изменяться либо искусственным путем ручного или автоматического управления параметрами , либо благодаря свойству самоуправления. Все агрегаты в необходимой мере свойствами самоуправления не обладают, поэтому характеристики необходимо изменять искусственно при помощи систем автоматического управления, так как при ручном управлении его необходимое качество не обеспечивается. Системы управления должны непрерывно обеспечивать такие характеристики агрегатов, при которых производительность крана максимальна.

Математическая модель двухфазного асинхронного двигателя в осях u- вид:

к - скорость системы координат;

i,iu - составляющие тока;

,u - потокосцепления;

R1 - сопротивление статора;

M - электромагнитный момент двигателя;

L1,L2 - индуктивности фаз статора и ротора;

L12 - индуктивность взаимоиндукции;

U1- напряжение на статоре.

Все переменные этой модели меняются с частотой тока статора.

Имитационная модель двухфазного асинхронного двигателя в осях - имеет вид:



Динамические свойства системы ПЧ-АД как объекта управления менее благоприятны, чем динамические свойства регулируемых электроприводов постоянного тока, в связи с отсутствием независимого канала регулирования потока, аналогичного обмотке возбуждения двигателя с независимым возбуждением. Так, при питании от источника напряжения потокосцепления 1,2,м сложно зависят от напряжения U1, частоты f1 и абсолютного скольжения sа.

4.2 Расчёт параметров объекта управления.

Определим коэффициенты К1,К2,К3,К4,К5,К6, для двухфазной модели АД для этого рассчитаем необходимые параметры:

- индуктивность статора

- индуктивность ротора

- эквивалентная индуктивность цепи статора

.

4.3 Определение структуры и параметров управляющего устройства

При регулировании напряжения АД по закону обеспечивается постоянство модуля жесткости механических характеристик.

Структурная схема автоматизированного электропривода представлена на рисунке.



Структурная схема автоматизированного электропривода

автоматизированный электропривод проектирование

В такой системе САУ должна обеспечить амплитуду выходного напряжения ПЧ:

,

где Ку - коэффициент усиления системы управления;

- относительная частота;

еsном - сигнал номинальной ЭДС статора

;

- действующее номинальное значение ЭДС статора;

i1 - сигнал тока статор

;

I1 - действующее значение тока статора.

5. Анализ динамических и статических характеристик электропривода

5.1 Разработка программного обеспечения для компьютерного моделирования автоматизированного электропривода

Компьютерное моделирование проектируемой установки производим в среде математического моделирования MATLAB 6.0, с использованием библиотеки Simulink. Модель построена на основе уравнений 5.1.

Имитационная модель электропривода

На рисунке показана схема моделирования, электропривода, состоящего из асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором и преобразователя частоты.

Реализация задатчика интенсивности

Блок Saturation обеспечивает линейное нарастание сигнала, релейный блок выполняет функцию ограничения сигнала, коэффициент -К- служит для регулировки интенсивности нарастания, то есть достижения необходимой скорости двигателя с определённым ускорением. На вход задатчика интенсивности подаётся ступенчатый сигнал U управления, который суммируется с выходным сигналом интегратора. На выходе задатчика получаем сигнал управления, который поступает на регулятор частоты и функциональный преобразователь.

Схема реализации задатчика интенсивности

5.2 Расчет и определение показателей качества переходных процессов

Скорость при пуске отрабатывается с перерегулированием, равным:

.

Время регулирования t.

Произведем моделирование переходных процессов для механизма подъема крана. В результате моделирования были получены следующие графики переходных процессов:



Подъем груза



- Опускание груза



Подъем крюка



Опускание крюка

5.3 Построение статических характеристик электропривода

Построим естественную механическую характеристику асинхронного двигателя в четырех квадрантах .

Для построения механической характеристики воспользуемся формулой Клосса:

М =

Формулой Чекунова:

М =

где Мк = мМном = 2880 =1760 Нм Sк=0,095

а = = 1.03

Ks =

Формулой (6.1) целесообразно пользоваться только для скольжений S<Sк. В области скольжений 1S>Sк удовлетворительные результаты дает формула (6.2)

Для более точного построения воспользуемся следующей программой в среде Matlab 6.0:

for s=-1:0.0003:1

if s<0.1

m=s/0.1+0.1/s+0.21;

w=62.8*(1-s);

M=3882.56/m;

plot(M,w);

grid on;

hold on

else

w=62.8*(1-s);

M=1760*(2+(s^2-0.1^2)*3.08)/(s/0.1+0.1/s);

plot(M,w, 'm');

grid on;

hold on

end

s=s

w=w

M=M

end

Статическая характеристика представлена на рисунке 6.5.



Естественная механическая характеристика

Размещено на Allbest.ru

...