Проектирование электропривода тележки мостового крана

При небольших может оказаться, что <+ и по формуле (11.2) получится, что tу < 0. Это означает, что при заданном пути и принятых значениях пускового и тормозного моментов двигатель должен переключаться на торможение, не достигнув установившегося режима работы. В этом случае приходится определять скорость, при которой двигатель должен быть переключен на торможение, чтобы к моменту времени, когда закончится торможение и двигатель остановится, был бы пройден заданный путь . Скорость переключения обычно определяют графически, как точку пересечения заданного пути с кривой ( +) = f(ω), представляющую собой суммарный путь, проходимый двигателем при разгоне и торможении в зависимости от скорости вращения двигателя.После расчета времени переходных процессов на всех участках движения и расчета времени установившегося движения в течение цикла работы определяется фактическое время работы электропривода в циклеИсследование соответствия заданнойтехнологии заключается в сравнении рассчитанного времени движения электропривода tРФАКТ в периоде времениtР, заданным по техническомуданным для разработки.Если привод не проходит проверку, нужно пересмотреть режимы его работы с целью увеличения времени протекания переходных процессов, а также увеличения скорости в установившихся режимах работы.Согласно рис. 11.1 электропривод проходит проверку на соответствие технологической производительности11.4 Проверка по нагреву двигателя, преобразователя, резисторовИсследование соответствия двигателя температурному режиму следует выполнятьспособом эквивалентного момента:где Mi – среднеквадратичное значение момента на i-м участке;Δti – длительность i-го участка работы;βi – коэффициент ухудшения теплоотдачи двигателя;MДОП – допустимый по нагреву момент.Среднеквадратичный момент на участке за отрезок времени Δtк.На рисунке 11.1 приведены значения среднеквадратичного моментав течение разгонаtk, в течение остановаtt и в течение работы на установившейся скоростиt1У для участка движенияпрямогоперемещения загруженной тележки. Продолжительности перемещенияна установившейся скоростиопределено по (11.2). Рассчитав переходные процессы, а также установившиеся режимы на всей продолжительности работы привода в течение цикла, возможнонайти аналогичные указанным выше значения среднеквадратичных моментов и продолжительностей участков работы, затем вернуться к числителю (11.4).Коэффициент снижения теплоотдачи остановленного двигателя β0определяется исходя из исполнения и типа вентиляции. Примерные величины коэффициента β0асинхронных двигателей указаны ниже.Исполнение двигателя – закрытый тип вентиляции – крыльчатка на валу, β0 = 0,45…0,55.Ухудшение условий охлаждения электродвигателя при переходных режимах учитывают коэффициентом ухудшения теплоотдачи βii, который находитсяисходя из скорости вращения вала двигателя.Нагрузочные диаграммы скорости ω(t) каждого из вариантов работы в цикле разбиваются на участки движения с разными скоростями по таблице 11.1, рассчитываются времена t02, t08, t10 работы в цикле с такими скоростями и подставляются в знаменатель формулы (11.4).Таблица 11.1Рекомендуемые значения коэффициента ухудшение условий охлаждения двигателяωβiβ0(1+β0)/2 1tt02t08t10Эквивалентный момент электродвигателярассчитывают лишь за период работы, найденный по результатам построения диаграмм нагрузки и скоростиПродолжительность паузы в (11.4) не включается.Предельный по температурному режимумомент двигателя находят через каталожный моментMКАТ, соответствующий каталожной ПВкат, Проверяяэлектродвигатель по температурному режиму эквивалентный моментMЭ сравнивается с предельныммоментомMДОППревышение эквивалентного моментанаддопустимым недопустима, а недогрузка электродвигателя в пределах 10…15% является нормальной.По расчетам эквивалентного момента с учетом переходных процессов эквивалентный моментМомент эквивалентный не превышает момент допустимый, следовательно электродвигатель проходит по нагреву.11.5 Расчѐт энергетических показателей электроприводаЭнергетические показатели электропривода характеризуют экономичность преобразования энергии системой электропривода (коэффициент полезного действия) и экономичность потребления энергии от сети (коэффициент мощности).Для электропривода, работающего в повторно-кратковременном режиме работы, универсальной оценкой энергетических показателей является их средневзвешенные значения за цикл работы (цикловые значения). Мгновенные значения КПД и cosφ могут характеризовать экономичность работы электропривода только в установившихся режимах работы.Цикловыйкоэффициент полезного действия - отношение произведенной работы за цикл PV к потребленной в этотцикл электроэнергии РC [7]Определяя уикловыйКПД нужно брать временные отрезки, началу и концу которых соответствует одинаковая энергия, запасенная в частях привода. Этим отрезком является цикл работы, в котором механизм идет назад в исходное состояние.Для расчета энергетических показателей в данном проекте могут быть использованы результаты расчета переходных процессов на ЭВМ в тех программах, где выводятся значения механической PV, активной РC и реактивной QC энергий. [13].Механическая энергия за период переходного процесса Активная мощность из сетиРеактивная энергия из сетиЭнергия за время цикла складывается из суммы энергий за время переходных процессов (2 пуска и 3 торможения) и за время работы в установившихся режимах.Значения КПД и cosφ в установившемся режиме можно получить непосредственно (там, где эти показатели рассчитываются по программе) или расчѐтом по координатам и параметрам установившихся режимов.Механическая мощность за период работыАктивная энергияпотребляемая в течение циклаРеактивнаяэнергиязациклЦикловые величины КПД,cosφнаходятся по соотношениям:12. ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА ЭЛЕКТРОПРИВОДА. ВЫБОР АППАРАТОВПринципиальная схема привода должна включать в себя главные (силовые) цепи, цепи управления, элементов защиты, сигнализации.При разработке принципиальной схемы привода в проекте должны быть определены электрические аппараты электрической цепи, выполняющие управление приводом (автоматические выключатели, контакторы, предохранители) исходя из токов и напряжений. Все электрические аппараты следует выбирать из действующих каталогов.Принцип действия и устройство электропривода поясняет силовая схема цепей АТ, а также функциональная схема системы контроля, представленная на рис. 12.1.Названия блоков в схеме:В – силовой блок выпрямительный/рекуперации;ФС – силовой конденсатор звена постоянного тока;Рис. 12.1 Схема силовых цепей и функциональная схема управления электропривода АТО5.ТК – транзисторный ключ инверторного торможения;БТР – сопротивление торможения;АИН – автономный инвертор напряжения;ДТ – датчики тока;М – асинхронный электродвигатель;ИП – источник питания (конвертор);ДН – датчик напряжения;ФИ – формирователь задающих сигналов IGBT (драйвер);УВВ – устройство ввода/вывода (внешний интерфейс);МК – микропроцессорный контроллер;ПУ – пульт управления.Силовой канал осуществляет двухступенчатое преобразование электроэнергии – выпрямление напряжения из сети с помощью диодного выпрямителя В, выполняющего работу при двигательном режиме, и затем инвертирование выпрямленного постоянного по значению напряжения посредством автономного инвертора напряжения. В режиме рекуперации двигатель переводится в генераторный режим, АИН обеспечивает передачу на двигатель реактивнойсоставляющей тока заданной частоты, а диодный мост автономного инвертора напряжениявыпрямляет статорный ток, который подается на фильтрующие конденсаторы. С изменением направления движения тока звена постоянного токаначинает работать транзисторный мост выпрямителя В, обеспечивая подачу в сеть лишней электроэнергии.Широтно-импульсная модуляция делает возможным взаимосвязанное регулирование частоты f и величины U выходного напряжения по определенному закону, и формирует синусоидальныйвид кривой тока АД.Датчики тока, а также напряжения в силовойчасти электропривода используются для ограничения, регулирования и измерения электрических параметров электропривода, а также для защиты при перегрузке и к.з., недопустимых изменений напряжениянапряжения.Схема контроля предусматривает отладкуэлектропривода с местного ПУ, дистанционного пульта или АСУТП при наладке, и работе на производственном объекте. Отладкаэлектропривода выполняется с помощью редактирования параметров, сведенных в функциональные группы.Электропривод АТО5 обеспечен защитой от аварийных и нештатных режимов:– от токов недопустимой перегрузки и к.з., в том числе от замыкания на «землю»;– от недопустимых перенапряжений на силовых элементах;– от недопустимых отклонений и исчезновения напряжения питания;– от неполнофазного режима работы сети и электродвигателя;– от недопустимых отклонений технологического параметра;– от неисправности в узлах и блоках привода и др.Рис. 12.2 Схема подключения защитной и коммутационной аппаратуры ПЧФильтры, автоматические выключатели, тормозной резистор выбираются по рекомендациям изготовителя, который поставляет необходимые комплектующие.На рис. 12.2 показана схема подключения коммутационной и защитной аппаратуры преобразователя частоты. Коммутационная и защитная аппаратура, дроссели и фильтры используются для устранения вредного влияния ПЧ на электродвигатель и питающую сеть, защиты преобразователя и питающих кабелей, аварийного отключения преобразователя и двигателя от силового питания. Выбор аппаратов защиты для ПЧ определяется их номинальным входным токам, указанным в каталоге. Подключение ПЧ к сети осуществляется автоматическим выключателем QF, выбор которого определяется максимальной перегрузкой преобразователя ( в течение 60 с). Выбираем автоматический выключатель А0320 32876 NB600N с номинальным током и номинальным напряжением фирмы SchneiderElectric.Контактор КМ1на входе ПЧ обеспечивает функцию аварийного останова привода и может быть использован для его безопасного отключения.На объектах с использованием чувствительных к радиопомехам устройств автоматики, телеметрии, связи для снижения уровня радиопомех, генерируемых силовым преобразователем АТО, устанавливают блок БФ1 входного фильтра из дросселя L1 и помехоподавляющего фильтра Z1.Сетевой коммутационный дроссель L1 уменьшает гармоники тока, вырабатываемые в преобразователе блок выпрямления/рекуперации. Эффект от применения дросселя зависит от отношения мощности короткого замыкания питающей сети к мощности привода. Рекомендуемое значение этого отношения более 33:1,используются 2…4%-ные дроссели (2…4% – падение напряжения при номинальном токе). Сетевой коммутационный дроссель L1 также снижает броски тока, вызванные скачками напряжения в сети.Следует учитывать следующие условия:– номинальный длительный ток дросселя должен бытьне меньше максимального длительного тока, потребляемого преобразователем от сети;–магнитопровод дросселя не должен входить в насыщение;– на дросселе падает напряжение и при неправильном выборе дросселя (слишком высокое сопротивление на частоте 50Гц) напряжение на входе ПЧ может быть меньше допустимого для его нормальной работы. А при маленькой индуктивности дросселя его полезные свойства могут быть сведены до нуля;– дроссель должен быть выбран на соответствующее напряжение сети.Выбираем сетевой дроссель L1 типа ED3N-0,046/320 AL (0,046 мГн, 320 А).Для ограничения перенапряжений на зажимах приводного электродвигателя и защиты изоляции его обмоток от пробоя, если длина силового кабеля превышает 10…15 м, в непосредственной близости от двигателя рекомендуется подключать выходной du/dt - фильтр Z2 и дроссель L2.Выходные моторные дроссели L2 устанавливаются на выходе преобразователя частоты и обеспечивают:– подавление высокочастотных гармоник в токе статора. Формирование синусоидального закона изменения тока в обмотках двигателя осуществляется ПЧ с помощью широтно-импульсной модуляции напряжения по синусоидальному закону. При низких частотах ШИМ высокочастотные пульсации тока могут достигать 5-10%. Высокочастотные гармоники тока вызывают дополнительный нагрев двигателя.– ограничение амплитуды тока короткого замыкания. При внезапном коротком замыкании на выходе преобразователя ток короткого замыкания не увеличивается внезапно, так как в контуре тока к.з. есть индуктивности. При достижении током к.з. уставки срабатывания защиты ПЧ двигатель обесточивается.Максимальное значение тока к.з. при использовании моторного дросселя намного меньше максимального значения тока без дросселя. Без моторного дросселя многие ПЧ не способны защитить транзисторы ПЧ от одного или нескольких внезапных К.З на выходе ПЧ.– снижают темп нарастания аварийных токов короткого замыкания и задерживают время достижения максимума тока короткого замыкания, этим обеспечиваянужное время для срабатывания цепей электронной защиты ПЧ;– компенсируют емкостные токи длинных кабелей для подключения двигателя, то есть не дают развиваться большим емкостным токам и следовательно препятствуют ложным срабатываниям защиты преобразователя частоты от сверхтоков;– снижают броски напряжения на обмотках двигателя. При питании асинхронного двигателя от преобразователя частоты к обмоткам двигателя прикладывается импульсное напряжение со значительными пиками перенапряжений, суммарная величина которых превышает амплитуду номинального питающего напряжения асинхронного двигателя. Это способнопривести к пробою изоляции обмоток двигателя, особенно при длительной эксплуатации, когда изоляция проводов и обмоток теряет свои первоначальные свойства.Выходные дроссели компенсируют емкостные токи в длинных кабелях, и совместно с емкостью кабеля ограничивают производную напряжения на обмотке статора на уровне .Выбираем моторный дроссель L2 типа ED3S-0,067/240 AL (0,067 мГн, 240 А).Радиочастотные фильтры РЧ Z1, Z2 используются для снижения уровня радиочастотных помех, излучаемых преобразователем в питающую сеть.Для того, чтобы выполнялись требования стандарта электромагнитной совместимости, описанных в европейских директивах ЕМС, для ПЧ разработаны специальные фильтры. Однако для полного удовлетворения требований ЕМС установка данных фильтров должна сопровождаться соответствующим правильным монтажом и подключением преобразователя частоты. При использовании внешнего РЧ фильтра класса В совместно с преобразователем достигается снижение помех до уровня, соответствующего категории непроизводственных помещений.Для того, чтобы система правильно и надежно функционировала, необходимо, выбирая защитные устройства, учитывать токи утечки и обеспечить надежное заземление фильтра.Рекомендации по выбору фильтров для конкретных моделей ПЧ даны в руководствах по эксплуатации на преобразователи.Выбор блоков тормозных резисторов ПЧ–АД.При переводе электродвигателя в генераторный режим энергия возвращается в звено постоянного тока преобразователя частоты через обратные диоды транзисторного инвертора, заряжая при этом конденсаторы силового фильтра до напряжения, которое запирает диоды силового выпрямителя.Преобразователь пытается уменьшить напряжение, увеличивая выходную частоту, тем самым, уменьшая скольжение двигателя. Интенсивность торможения в этом случае зависит от потерь мощности в преобразователе частоты и электродвигателе.Асинхронный двигатель можно тормозить с мощностью примерно 20% от номинальной за счет собственных потерь электродвигателя и преобразователя частоты. Этого обычно хватает для небольших нагрузок, т.е. там, где кинетическая энергия невелика или время торможения не критично.В случаях, когда требуется быстро затормозить электропривод, необходимо использовать тормозной прерыватель и резистор.При включении тормозного ключа тормозной резистор разряжает фильтрующие конденсаторы и рассеивает избыточную энергию торможения. Блоки торможения используются при редких и кратковременных торможениях механизма, например при аварийном торможении.Выделяемая мощность, определяющаяся изменением кинетической энергии приводного механизма при уменьшении скорости двигателя, зависит от интенсивности этого изменения. Выражение для мощности, обусловленное уменьшением кинетической энергии механизма и возвращаемой в звено постоянного тока, имеет вид [6]:где РС – мощность на выполнение полезной работы, преодоление сил трения в механизме и потерь в двигателе и инверторе, Вт;ω – угловая скорость двигателя,1/с;t1 – интенсивность торможения, с.Сопротивление R и рассеиваемая мощность Р тормозного резистора выбирается из соотношенийМаксимальный ток, коммутируемый ключом тормозного резисторагде Ud – порог срабатывания тормозного прерывателя преобразователя частоты.Тормозные резисторы поставляются производителями преобразовательной техники и выбираются исходя из конкретных режимов торможения по данным из катологов. Как правило, табличные данные:– номинальное сопротивление R;– продолжительность включения в процентах от общего времени цикла;– пиковой мощности торможения в течение определенного времени;– мощности торможения в продолжительном режиме.Указываются производителями для конкретных преобразователей частоты с учетом порога срабатывания тормозного прерывателя, настроенного по умолчанию.Но в некоторых случаях значение порога срабатывания может настраиваться пользователем.Например, параметры тормозных резисторов для приводов серии Simovert VC указываются из расчета цикличности торможения 90 с (рис. 12.3). Величина характеризует номинальную мощность торможения в течение 20 с с цикличностью 90 с, – максимальную (пиковую) мощность торможения в течение 3 с с последующим ее снижением в течение 20 с, а – это максимально допустимая длительная мощность торможения. При этомПри выборе тормозного резистора необходимо учитывать цикличность и параметры режима торможения привода.Рис. 12.3 Нагрузочная диаграмма для выбора тормозного резистораВыбираем тормозной резистор BR1K2W008 мощностью 4800 Вт и сопротивлением 32 Ом с тормозным модулем VFDB2022.При необходимости принудительного торможения двигателя для преобразователей от 15 кВт и выше требуются внешний тормозной модуль и тормозные резисторы.При предельной температуре тормозного сопротивления контактор КМ2 отключает двигатель.ЗАКЛЮЧЕНИЕПри выполнениикурсовогопроектабылавыполненаразработка электропривода для механизма передвижения тележки мостового крана.Предварительно рассчитали нагрузки и время работы электропривода на базе нагрузочной диаграммы и тахограммы, по которым был произведенпредварительныйрасчет эквивалентного (среднеквадратического) значения момента на валу электродвигателя и величины мощности, приведённой к мощности двигателя, предназначенногонастандартныйдлительный режим работы. Был предварительно выбран двигатель марки4А315М8.Была уточнена нагрузочная диаграммы с учётом динамического момента, необходимого для обеспечения заданных ускорений и замедлений привода. С использованием данной нагрузочнойдиаграммыбылапроизведенапроверкавыбранногодвигателя марки 4А315М8 по условиям перегрузки и перегрева. На основании результатов данных проверок былсделанвыводотом,чтомощностидвигателямарки4А315М8 достаточно.Для выбранной марки двигателя 4А315М8 были построены естественные статические механические характеристики для прямого пуска, были построены искусственныехарактеристики для режимов работы данного электропривода.Построены графики изменения значений развиваемого двигателем механического момента и скорости вращения ротораходе переходного процесса. В качестве переходного процесса рассматривался запуск двигателя придвижении с грузом, самый тяжелый режим запуска двигателя. Построение графиков изменения тока ротора, скоростивращения двигателя и развиваемого им механического моментабылнеобходимдляанализахарактерапереходныхпроцессов в приводе при его запуске, а также для определениявремени запуска двигателя.Перемещения тележки выполняются в пределах заданного времени (пуск до рабочей скорости 68,571рад/с за 1,5с; время работы на рабочей скорости 68,571рад/с составляет 4,25с; торможение с рабочей скорости 68,571рад/с до пониженной скорости 13,714рад/с за 1,2с; работа на пониженной скорости 13,714рад/с составляет 5,783с; торможение с пониженной скорости за 0,3c; пуск до скорости возврата 57,143рад/с за 1,25с; работа на скорости возврата 57,143рад/с в течение 6,75с; торможение со скорости возврата за 1,5с).Ускорение тележки во всех динамических режимах составляет 0,4 м/с2. Отклонения скорости установившихся режимов не превышают 5%.Величина эквивалентного тока составляет 0,96 от от допустимого значения.Двигатель и преобразователь выдерживают кратковременные перегрузки при переходных процессах (2,3Мн и1,8Iн).КПД системы ПЧ-АД составляет 85%, а cosφ=0,95.Двигатель нагревается на 80% от допустимого значения. Преобразователь выдерживает ток при пуске двигателя с грузом.С помощью выбранной системы можно регулировать скорость выше номинальной при пониженной нагрузке, выполнять рекуперативное торможение с отдачей энергии в сеть, реверс.В целом предложенная схема автоматизированного электропривода, разработанная в ходе курсового проектирования, удовлетворяет требованиям исходных данных.БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙСПИСОК1. Анфимов, М.И. Редукторы: конструкция и расчѐт: альбом / М.И. Анфимов.– М.: Машиностроение, 1993. – 432 с.2. Асинхронные электродвигатели серии 4А: Cправочник / А.Э. Кравчик, М.Н. Шлаф, В.И. Афонин и др. – М.: Энергоатомиздат, 19823. Вешеневский, С.Н. Характеристики двигателей в электроприводе.– С.Н. Вешеневский.– М.: Энергия, 1977. – 432 с.4. Гельман, М.В. Преобразовательная техника: учебное пособие/ М.В.Гельман, М.М. Дудкин, К.А. Преображенский. – Челябинск: Издательский центр ЮУрГУ, 2009. – 425 с.5. Драчев, Г.И. Теория электропривода: учебное пособие в 2 ч. / Г.И. Драчев. – Челябинск: Изд. ЮУрГУ, 2005. – Ч.1. – 207 с; Ч.2. – 203 с.6. Инжиниринг электроприводов и систем автоматизации: учеб.пособие / под ред. В.А. Новикова, Л.М. Чернигова. – М: Изд. Академия, 2006. – 368 с.7. Ключев, В.И. Теория электропривода: Учебник для вузов / В.И. Ключев. – М.: Энергоатомиздат, 2001. – 704 с.8. Ковчин, С.А. Теория электропривода: Учебник для вузов. / А.С. Ковчин, Ю.А. Сабинин – СПб.: Энергоатомиздат. Санкт-Петербургское отделение, 1994. – 496 с.9. Крановое электрооборудование: справочник / под ред. А.А. Рабиновича. – М.: Энергия, 1979.10. Москаленко В.В. Автоматизированный электропривод: Учебник для вузов. / В.В. Москаленко. – М.: Энергоатомиздат, 1986. – 416 с.11. Правила устройства электроустановок. Раздел 5. Электросиловые установки. – М.:Энергоатомиздат, 2005.12. Стандарт предприятия: курсовые и дипломные проекты. Общие требования к содержанию и оформлению. СТО ЮУрГУ 04 – 2008. –Челябинск: : Издательский центр ЮУрГУ, 2008. – 56 с.13. Теория электропривода. Примеры расчетов: учебное пособие / Г.И. Драчев, М.А. Григорьев, А.Н. Шишков и др.; под ред. Г.И. Драчева, 2011.– www: teacher. momentum.ru /progs.14. Электродвигатели постоянного тока металлургического и кранового типов Д810-Д818. ОК 01.31.10-94.ЭТ.– М.; ИЭ, 1994. – 12 с15. Электротехнический справочник.– М.: Энергоиздат, 1982. Т.3. – кн.2.– 560 с.16. Яуре, А.Г. Крановый электропривод: справочник./ Яуре А.Г., Певзнер Е.М. – М.: Энергоатомиздат, 1988. – 344 с.