Технологические требования, предъявляемые к приводу

1.3 Технологические требования, предъявляемые к приводу

В настоящее время к электроприводу механизмов крана составляются на основе конкретного технологического процесса цеха, условий и режима работы крана.

В тоже время технологические требования определяют правильный выбор системы электропривода механизмов крана.

Электрооборудование крановых механизмов должно отвечать как общим, так и специальным технологическим требованиям. К общим требованиям относятся:

- надёжность;

- бесперебойность;

- экономичность;

- безопасность эксплуатации;

К специальным требованиям относятся:

- диапазон и плавность регулирования угловой скорости электродвигателя;

- ускорение и замедление транспортируемого груза без раскачивания в минимально возможное время;

- обеспечение необходимой жесткости механических характеристик привода;

- большие пусковые моменты при трогании с места;

- большая частота включений в час;

- точность установки;

- реверсирование двигателя;

- на первых положениях подъёма двигатель должен развивать такой пусковой момент, чтобы исключалась возможность спуска номинального груза при напряжении питающей сети 90% номинального и в тоже время желательная минимальная скорость составляла при наименьшей нагрузке не более 30% номинального значения;

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

- движение груза должно происходить только в направлении, устанавливаемое командоаппаратом, даже при неисправностях в схеме, в последнем случае груз может оставаться неподвижным.

2. Специальная часть

 

2.1 Обоснование и выбор системы электропривода

В настоящее время для механизмов металлургических предприятий применяются следующие основные системы электропривода:

- сеть переменного тока – асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором с контроллерной, релейно-контакторной или бесконтактной схемой управления.

- тиристорной или машинный преобразователь частоты – асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором.

- сеть переменного тока – асинхронный двигатель с фазным ротором с контроллерной, релейно-контакторной или бесконтактной схемой управления.

Бесконтактная схема управления может одновременно использоваться в цепи статора и ротора, а также только в цепи ротора или статора.

- источник постоянного тока (ИП) – двигатель постоянного тока (параллельного (независимого), смешанного или последовательного возбуждения) с контроллерной или релейно-контакторной схемой управления.

- тиристорный преобразователь (ТП) – двигатель постоянного тока соответственно системы МУ-Д, УРВ-Д, ТП-Д.

- сеть переменного тока – синхронный двигатель с электронным или тиристорным возбудителем и ручным или автоматическими регулировками.

В соответствии с технологическими требованиями предъявляемые к электроприводу выбираем систему - сеть переменного тока – асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором с контроллерной, релейно-контакторной схемой управления со ступенчатой регулировкой скорости и динамическим торможением.

2.2 Расчёт мощности, выбор двигателя по каталогу и его проверка

на нагрев

Целью расчета является выбор приводного электродвигателя по справочнику и проверка его по перегрузочной способности и по условиям осуществимости пуска механизма подъёма мостового крана.

Исходными данными являются технические характеристики мостового крана из таблицы 1.1 пункта 1.2

Рассчитаем максимальную статическую мощность электродвигателя, не для подъёма номинального груза по следующей формуле:

 Р_с =  (2.1)

где m_т - масса поднимаемого груза, т;

 m_о - масса грузозахватного устройства, т;

 V_п - скорость подъёма, м/с;

 ή_н - коэффициент полезного действия механизма;

  (2.1)

Рассчитываем предварительную мощность электродвигателя и выбор его по каталогу.

Предварительная мощность электродвигателя:

 P´_пред. = К∙Р_с (2.2)

где К – коэффициент, учитывающий цикличность работы механизма = 0,8

 P´_пред. = 0,8∙34,54 = 27,632 кВт (2.2)

Ориентировочная продолжительность включения:

  (2.3)

где К_i - количество операций в течении одного цикла К_i = 4;

 t_p - время одной операции (подъёма или спуска), с;

 t_ц - время цикла, с;

  (2.4)

где H - высота подъёма, м;

  (2.5)

где N_c - число циклов в час;

 t_ц =  = 400 (2.5)

 t_p =  = 55,5 (2.4)

  (2.3)

Находим окончательно предварительную мощность электродвигателя при каталожной продолжительности включения. Электродвигателя, предназначенного для работы в повторно-кратковременном режиме, выпускают с ПВ_кат. = 15;25;40;60;

 Р_{пред. =} Р´_пред.∙ = 27,632∙ = 26,45 кВт (2.6)

Частотой вращения η_н об/мин электродвигателя задаёмся по каталогу. По значениям Р_пред. и η_н по каталогу выбираем двигатель типа MTF, MTH или HMT соблюдая условие, что номинальная мощность должна быть равна или несколько больше (до 20%) предварительной Р_пред., т.е. Р_H≥ Р_пред.

Согласно условию изложенного выше выбираем электродвигатель по каталогу типа МТН512-8 ,паспортные данные которого занесены в таблицу 2.1

Таблица 2.1 - Технические данные асинхронного электродвигателя с

 фазным ротором типа МТН512-8

Тип  электродвигателя	Рн   кВт	ηн об/ мин	ωн рад/с	Ic A	Uc В	Iрн А	Uрн В		Mmax Hm	Jдв кг∙м2	ПВ %	Степень защиты
МТН 512-8	31	715	74,8	79	380	63	304	9,56	1370	1,42	60

Рассчитываем номинальный момент двигателя.

  (2.7)

где Р_н - мощность выбранного двигателя по каталогу, кВт;

 ω_н – угловая скорость вращения выбранного двигателя, рад/с;

Имея значение частоты вращения η_н об/мин считаем угловую скорость по формуле:

 (2.8)

  (2.8)

  (2.7)

Рассчитываем нагрузочную диаграмму привода.

Нагрузочная диаграмма электродвигателя строится на основании уравнения движения электропривода М = М_с + М_дин.

Как видно из приведённого уравнения, для построения нагрузочной диаграммы электродвигателя М = ƒ(t) необходимо иметь график изменения во времени приведённых статических моментов М_с = ƒ(t) , т.е. нагрузочную диаграмму механизма подъёма мостового крана и график изменения во времени динамического момента  , для определения которого необходимо знать график изменения угловой скорости электродвигателя ω = ƒ(t) и приведённый момент инерции J.

Алгебраическая сумма статических и динамических моментов дает график изменения суммарного момента на валу электродвигателя, т.е. нагрузочную диаграмму электродвигателя.

Статические моменты, приведённые к валу электродвигателя при подъёме номинального груза:

  (2.9)

где m_г - масса груза, т;

 m_o - масса грузозахватного устройства, т;

 D_б - диаметр барабана, м;

 η_н - коэффициент полезного действия механизма;

 i - передаточное отношение редуктора и полиспаста.

  (2.10)

  (2.10)

где ω_н – угловая скорость вращения электродвигателя, рад/с;

 V_п – скорость подъёма, м/с;

  (2.9)

 Статические моменты, приведённые к валу электродвигателя при тормозном спуске номинального груза:

  (2.11)

  (2.11)

Статические моменты, приведённые к валу электродвигателя при подъёме пустого грузозахватного устройства:

  (2.12)

где η_о – коэффициент полезного действия механизма при данной нагрузке. Определяется по кривым η_о = ƒ(К₃) , η_о = 0,1

Коэффициент нагрузки определяется по формуле:

  (2.13)

  (2.13)

  (2.14)

Статические моменты, приведённые к валу электродвигателя при спуске пустого грузозахватного устройства:

  (2.15)

  (2.15)

Значение М_со может быть как положительным , так и отрицательным. Для приводов, у которых момент инерции не зависит от угла поворота, приведённой к валу электродвигателя динамический момент находится из уравнения:

  (2.16)

где  - ускорение или замедление ротора электродвигателя, рад/с²;

 J_э - приведённый к валу электродвигателя эквивалентный момент инерции системы при работе с грузом и без груза, т.е. J_эг и J_эо

Определяем приведённый к валу электродвигателя эквивалентный момент инерции системы при работе с грузом:

  (2.17)

где К = 1,15 - коэффициент, учитывающий приближенно момент инерции редуктора и барабана;

J_дв - момент инерции электродвигателя (по каталогу), кгм²;

J_ш - момент инерции тормозного шкива, кгм²;

J_м - момент инерции муфты и быстроходного вала редуктора, кгм²;

В ряде случаев J_ш и J_м определяют приближенно в долях от момента инерции ротора электродвигателя:

J_ш = 0,3∙J_дв , (2.18)

J_ш = 0,3∙1,42 = 0,42 кгм² (2.18)

J_м = 0,15∙J_дв , (2.19)

J_м= 0,15∙1,42 = 0,21 кгм² (2.19)

J_п.д.г. – момент инерции поступательно-движущихся элементов инерции, приведенный к валу электродвигателя

  (2.20)

  (2.20)

где V_п – скорость подъёма, м/с;

 ω_н – угловая скорость вращения электродвигателя, рад/с;

  (2.17)

Определяем приведённый к валу электродвигателя эквивалентный момент инерции системы при работе без груза:

  (2.21)

где J_п.д.о. – момент инерции поступательно-движущихся элементов системы без учёта веса груза, приведённый к валу электродвигателя;

 (2.22)

 (2.22)

 (2.23)

Определяем допустимое ускорение электродвигателя:

  (2.24)

где а_доп – максимально допустимое линейное ускорение груза, м/с²;

Обычно а_доп = а_ср. = (0,1÷0,3) м/с² ,следовательно берём а_доп = 0,2 м/с²;

  (2.24)

Динамический момент системы при подъёме груза:

  (2.25)

  (2.25)

Расчёт среднего пускового момента двигателя.

Зная величину статических и динамических моментов, можно определить средний пусковой момент, развиваемый электродвигателем при подъёме груза по формуле:

 М_ср.п. = М_пг + М_дин , (2.26)

 М_ср.п. =464 + 202,4 = 666,4 Нм (2.26)

Обычно М_ср.п недолжно превышать (1,7÷2)∙N_н

Определение времени разгона при подъёме груза:

  (2.27)

где ω_кон и ω_нач - соответственно конечное и начальное значение угловой скорости, ω_кон = ω_н , ω_нач = 0, рад/с;

Среднее время пуска для механизма подъёма обычно находится от 1 до 5 с;

  (2.27)

Определение времени разгона при тормозном спуске.

Двигатель работает в режиме электронного тормоза (тормозной спуск) и груз ускоряется под действием собственного веса, т.е. разгон системы происходит под действием момента, равного М_сг и определяется по формуле:

 (2.28)

 (2.28)

Определение времени разгона при подъёме грузозахватного устройства:

  (2.29)

где М´_срп = (1,15÷ 1,25)∙М_н

 М_н – средний пусковой момент при подъёме и опускании

 грузозахватного устройства.

 М´_срп = 1,2∙414,4 = 497,28 Нм (2.30)

 

  (2.31)

Определение времени разгона при спуске грузозахватного устройства:

 (2.32)

 (2.32)

Определение времени торможения.

Схемы управления электродвигателями механизмов подъёма предусматривают экстренное наложение механических тормозов при отключении статора электродвигателя от сети, т.е. при установке силового или командоконтроллера в нулевое положение.

В связи с этим для механизмов подъёма электрическое торможение электродвигателя можно не учитывать.

Время торможения для различных режимов определяется с учётом момента, развиваемого только механическим тормозом.

Момент тормоза М_т определяется максимальным статическим моментом М_с.макс, приведенным к тормозному валу (обычно это вал электродвигателя) и коэффициент запаса К_т

 

М_т = К_т∙К_с.макс. (2.33)

где М_с.макс. – максимальный статический момент на тормозном валу

М_с.макс = М_сг Нм;

К_т - коэффициент запаса.

По правилам Госгортехнадзора коэффициент имеет следующие значения:

- для легкого режима работы = 1,5;

- для среднего режима работы = 1,75;

- для тяжелого режима работы = 2;

- для весьма тяжелого режима работы =2,5;

При этом механизмы подъёма кранов, транспортирующих жидкий металл, ядовитые и взрывчатые вещества, должны иметь два тормоза. Коэффициент запаса каждого из них должен быть не менее 1,25.

М_т = 1,75∙297,8 =521,15 Нм (2.34)

По рассчитанному значению М_т выбираем тормоз с номинальным тормозным моментом равным или несколько больше, чем М_т, т.е. М_нт ≥ М_т.

Время торможения при подъёме груза:

 (2.35

 (2.35)

Время торможения при спуске груза:

 (2.36)

 (2.36)

Время торможения при подъёме грузозахватного устройства:

 (2.37)

 (2.37)

Время торможения при спуске грузозахватного устройства:

 (2.38)

 (2.38)

где ω_нач – скорость, с которой начинается режим торможения;

 ω_кон – скорость, при которой заканчивается режим торможения.

Пути, пройденные грузом или грузозахватным устройством во время пусков и торможений:

- при подъёме груза:

 (2.39)

 (2.39)

 (2.40)

 (2.40)

где V_п - скорость подъёма груза, м/с;

t_р.пг - время разгона при подъёме груза, с;

 t_.т.пг - время торможения при подъёме груза, с;

- при спуске груза:

 (2.41)

 (2.41)

 (2.42)

 (2.42)

- при подъёме грузозахватного устройства:

 (2.43)

 (2.43)

 (2.44)

 (2.44)

- при спуске грузозахватного устройства:

  (2.45)

  (2.45)

  (2.46)

  (2.46)

Пути, пройденные грузом или грузозахватным устройством с установившейся скоростью:

- при подъёме груза

S_у.пг = H – S_р.пг. – S_т.пг. , (2.47)

S_у.пг =10 - 0,081 - 0,019 = 9,9 м (2.47)

- при спуске груза

S_у.сг = H – S_р.сг. – S_т.сг. , (2.48)

S_у.сг =10 - 0,054 - 0,072 = 9,87 4м (2.48)

- при подъёме грузозахватного устройства

S_у.по = H – S_р.по. – S_т.по. , (2.49)

S_у.по =10 - 0,0234 - 0,030 = 9,946 м (2.49)

- при спуске грузозахватного устройства

S_у.со = H – S_р.со. – S_т.со. , (2.50)

S_у.со =10 – 0,0324 -0,029 = 9,938 м (2.50)

Время работы с установившейся скоростью и время паузы:

- при подъёме груза

 (2.51)

 (2.51)

- при спуске груза

 (2.52)

 (2.52)

- при подъёме грузозахватного устройства

 (2.53)

 (2.53)

- при спуске грузозахватного устройства

 (2.54)

 (2.54)

Время паузы:

 (2.55)

где t_п – время цикла, с;

- суммарное время работы, с;

= t_р.пг+ t_у.пг+ t_т.пг+ t_р.сг+ t_у.сг+ t_т.сг+ t_р.по+ t_у.по+ t_т.по+ t_р.со+ t_у.со+ t_т.со (2.56)

= 0,9+ 55+ 0,22+ 0,61+ 54,8+ 0,81+ 0,26+ 55,25+ 0,34+ 0,36+ 55,21+ 0,33=224,09 с (2.56)

 (2.55)

Строим скоростную и нагрузочную диаграмму электропривода (рисунок 1)

Проверяем предварительно выбранного двигателя по условию нагрева и перегрузочной способности.

Фактическая продолжительность включения

 (2.57)

 

Расчётный эквивалентный момент:

 

 (2.58)

 (2.58)

Эквивалентный момент, соответствующий продолжительности включения выбранного электродвигателя.

 (2.59)

Если эквивалентный момент равен или несколько меньше номинального, то выбранный электродвигатель проходит по нагреву, т.е.

М_э ≤ М_н (2.60)

280,1 ≤ 414,4 (2.60)

Как видно из уравнения выбранный электродвигатель проходит по нагреву.

Проверку на перегрузочную способность производим по условию:

1,3∙М_{макс.нагр} ≤ (0,8÷0,85)∙М_{макс.дв} (2.61)

где М_{макс.нагр} – максимальный момент из нагрузочной диаграммы;

М_{макс.дв} – максимальный момент электродвигателя;

В данном случае:

1,3∙666,4 ≤ 0,825∙1370 (2.61)

866,32 ≤ 1130,25 (2.61)

Как видно из условия выбранный электродвигатель проходит по перегрузочной способности.