СОДЕРЖАНИЕ
1.Введение и краткое содержание технологического процесса……………………… 3
2. Расчет тахограммымеханизма……………………………………………………… 6
3. Формирование требований кэлектроприводу…………………………………….. 9
4. Выбор типаэлектропривода………………………………………………………… 10
5. Предварительный выбор мощностиэлектропривода, выбор типа двигателя…… 12
6. Расчет нагрузочной диаграммы электропривода…………………………………. 13
7. Проверка выбранного двигателя понагреву………………………………………. 15
8. Анализ механической части электропривода………………………………………20
9. Выбор вентилей силовой частиэлектропривода…………………………………… 21
10.Система управления тиристорным преобразователем напряжения…………….. 22
11.Расчеты по энергетике электропривода…………………………………………… 24
Заключение………………………………………………………………………….. 25 Библиографический список………………………………………………………… 261. ВВЕДЕНИЕ ИКРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА
В данном проекте рассматривается электроприводмеханизма вертикального перемещения крана-штабелера.
В проекте рассмотреныследующие вопросы: расчет тахограммы, анализ механической части электропривода,выбор исполнительного двигателя с последующей проверкой на нагрев, выбор ирасчет параметров силовой части электропривода и системы управления силовымпреобразователем энергии, расчеты по энергетике электропривода.
Сейчас рассмотрим кратконазначение кранов, их основные функции [3].
Склады представляют собой сложное хозяйство.Наибольшее распространение получили системы с кранами-штабелерами, укладывающимигрузы в штабеля или стеллажи с помощью грузозахватывающих устройств.
Краны-штабелеры позволяютрационализировать складское хозяйство, экономить производственные площади,освободить значительное количество вспомогательных рабочих, открывают широкиевозможности складирования. Кран-штабелер — это подъемно-транспортная машинациклического действия, которая передвигаться по рельсам. Кран оборудованвертикальной колонной, по которой перемещается грузовой захват.
Рабочий цикл крана-штабелеразависит от планирования склада, он состоит в подведении грузового захвата подгруз, перед фронтом стеллажей, подъеме на небольшую высоту, в поворотеплатформы, перемещении тележки к проходу между колоннами, перемещении попроходу до нужной секции. Груз на захвате останавливается напротив выбраннойячейки, несколько выше плоскости стеллажа, затем захват опускается, при этомгруз остается лежать на опорной плоскости стеллажной ячейки, а грузовой захватвозвращается в проход.
Мостовые краны-штабелерыобслуживают большие площади складов. Их используют также для перемещения грузовиз складов в производственное помещение. Кроме вилочных захватов краныоборудуют специальными захватами, позволяющими переносить и переворачиватьгрузы, опорожнять тару и производить другие операции. Краны-штабелерыуправляются крановщиками или дистанционно.
Краны-штабелеры позволяютуменьшить проходы между стеллажами, увеличить полезную высоту складов до 10-30метров. При использовании кранов-штабелеров складское помещение используется на165-200%.
Время выполнения рабочегоцикла является основным параметром, определяющим производительностькрана-штабелера.
Кран-штабелер является подъемно-транспортной машинойциклического действия и осуществляет циклы «отнести» тару с приемного стола вячейку склада, «принести» тару из ячейки стеллажа на приемный стол.
Положение тары в стеллажахопределяется двумя координатами, соответствующими номерам вертикального игоризонтального рядов стеллажей, а также номеру одного из двух стеллажей, междукоторыми движется кран.
Кран-штабелер имеет дваэлектропривода: привод механизма горизонтального перемещения и привод механизмавертикального перемещения. Кроме того, на каретке механизма вертикальногоперемещения смонтирован грузозахват, который выдвигается при установке крана-штабелерапротив нужной ячейки стеллажа, либо против приемного стола.
Цикл работы крана повыполнению операции «отнести» тару с приемного стола в ячейку стеллажа состоитиз следующих этапов: подвод крана-штабелера к приемному столу (причем уровенькаретки установлен на 15 мм ниже уровня стола), выдвижение захвата, подъемкаретки на 30 мм, возврат грузозахвата с грузом на место, отработка приводомгоризонтального перемещения заданной координаты вертикального ряда стеллажа,отработка приводом вертикального перемещения заданной координаты ячейкистеллажа (причем каретка устанавливается на 15 мм выше уровня опорной плоскостистеллажа), выдвижение грузозахвата с грузом внутрь ячейки, опускание каретки на30 мм (груз остается лежать на опорной плоскости ячейки), возврат захвата.
После этого кран готов квыполнению следующего цикла работы.
Конструктивно-технологические параметры механизмавертикального перемещения.
№ п/п
Технологические данные Обозначение
Размерность
1
Максимальное количество ячеек по высоте
Kh
-
30
2
Высота ячейки
H
м
0.4
3
Масса грузоподъемника с тарой
Gгр
кг
1000
4
Масса груза G
кг
500
5
Номинальная скорость подъема
Vп
м/с
0.3
6
Допустимое ускорение (замедление)
a(b)
м/с2
0.5
7
Число включений в час
Z
-
30
8
Точность останова
DQ
м
0.004
9
Диаметр барабана
Dб
м
0.3
10
Путь перемещения на пониженной скорости в зоне точного останова
DS
м
0.04
11
Путь перемещения механизма подъема по условиям нормальной работы грузозахватного устройства
DL
м
0.04
Кинематическая схемамеханизма вертикального перемещения крана-штабелера представлена на рис 1.
Д
Х
Х
Х
Х Тормоз
Груз
i
РедукторРис. 1. Кинематическая схемамеханизма подъема2. РАСЧЕТТАХОГРАММЫ МЕХАНИЗМА
Кран-штабелер является механизмом циклического действия. Это механизм с интенсивнымрежимом работы, тахограмма содержит участки пуска, торможения и работы снесколькими значениями установившейся скорости. Электропривод механизма работаетв повторно-кратковременном режиме. Определим отрезки пути и времени работы наотдельных участках тахограммы (знание параметров тахограммы необходимо длярасчета мощности двигателя). Расчет будем вести согласно методике, котораяизложена в [6]:
Время разгона tр1от Vнач=0 до Vп=0.3 м/с:
Vп=0.3 м/с– номинальная скорость подъема;
Vнач=0– начальная скорость подъема;
a=0.5 м/с2– допустимое ускорение.
Путь, проходимый при разгоне Sр1:
Значение пониженнойскорости Vпон, определяемое по условию требуемой точностипозиционирования:
b=0.5 м/с2– допустимое замедление;
DQ=0.004 м– точность останова.
Время торможения tТ1:
Путь, проходимый наотрезке торможения SТ1:
Время работы научастке с пониженной скоростью tу2:
DL=0.04 м– путь перемещениямеханизма подъема по техническим требованиям грузозахватного устройства.
Время торможения tТ2:
Путь, проходимый наотрезке торможения SТ2:
Расчетный путь перемещения S:
Kh=30– максимальное количество ячеек по высоте;
h=0.4 м– высота ячейки.
Путь, проходимыйпри работе с установившейся скоростью Sу1:
Время работы на участке с установившейся скоростью tу1:
Время разгона tр2от Vнач=0 до -Vпон:
Путь, проходимыйпри разгоне Sр2:
Время работы на участке с пониженной скоростью tу3:
DS=0.04 м– путь перемещения на пониженной скорости в зоне останова.
Время торможения tТ3:
Путь, проходимый на отрезке торможения SТ3:
Время цикла tц:
z=30– число включений в час.
Время паузы t0:
Тахограмма механизма представлена на рис.2.
V VN
Vпон1 t0 tр2 tу3 tт3 t tр1 tу1 tт1 tу2 tт2
Vпон2 Рис. 2. Тахограмма механизма
3. ФОРМИРОАНИЕ ТРЕБОВАНИЙ К ЭЛЕКТРОПРИВОДУ
1.Электроприводработает в повторно-кратковременном режиме;
2.Диапазон регулирования скорости до 10:1 (в зависимости от требуемой точностиостанова);
3.Необходимость точного позиционирования электропривода в фиксированных точках;
4.Должна быть обеспечена возможность работы и регулирования скорости электроприводапри активном моменте статической нагрузки;
5.Привод должен быть реверсивным.
4. ВЫБОР ТИПАЭЛЕКТРОПРИВОДА
Конструкция кранов в основном определяется ихназначением и спецификой технологического процесса, но ряд узлов, напримермеханизм подъема и перемещения, выполняется однотипными для кранов различныхвидов. Поэтому имеется много общего в вопросах выбора и эксплуатацииэлектрооборудования кранов.
Электрооборудование крановработает, как правило, в тяжелых условиях: повышенная загазованность изапыленность, высокая влажность, влияние химических реагентов. В связи с этимоно должно выбираться в соответствующем конструктивном исполнении, оборудованиекранов стандартизировано.
К электрооборудованию крановпредъявляются следующие требования: обеспечение высокой производительности,надежности работы, безопасность обслуживания, простота эксплуатации и ремонта.
Режим работы крановыхмеханизмов – важный фактор при выборе мощности приводных электродвигателей, онхарактеризуется следующими показателями: относительная продолжительностьвключения, среднесуточное время работы, число включений за 1 час работы электродвигателя,коэффициент переменности нагрузки.
В механизмахкранов-штабелеров находят применение крановые электродвигатели трехфазногопеременного тока (асинхронные) и постоянного тока. Они работают в повторно-кратковременном режимепри широком регулировании частоты вращения, причем их работа сопровождаетсязначительными перегрузками, частыми пусками, реверсами и торможениями.
Кроме того, электродвигателикрановых механизмов работают в условиях повышенной вибрации. В связи с этим посвоим технико-экономическим показателям и характеристикам крановыеэлектродвигатели отличаются от электродвигателей общепромышленного исполнения.
Наибольшее применение длякрановых механизмов получили крановые электродвигатели серии MTKF,асинхронные с короткозамкнутым ротором, обеспечивающие высокий пусковой иноминальный моменты, регулирование скорости в широких пределах и плавный пуск[7].
Преимуществами асинхронныхэлектродвигателей перед электродвигателями постоянного тока является их меньшаястоимость, простота ремонта и обслуживания, меньшая масса.
Для электроприводов крановыхмеханизмов находят применение системы управления крановыми электродвигателями стиристорным преобразователем напряжения (ТПН).
Система управленияпреобразователем переменного напряжения для регулирования скорости асинхронногодвигателя должна быть замкнутой по скорости и току [1]. Силовая часть ТПНсодержит пять пар встречно-параллельно соединенных тиристоров. Последние двепары позволяют осуществить реверс двигателя и динамическое торможение. Магнитноеполе вращается в прямом направлении («вперед») при открывании тиристоров VS1…VS6.Порядок открывания вентилей 1-6,3-2,5-4,1-6 и т.д. Для получения поля, вращающегося в обратномнаправлении («назад»), открывают тиристоры VS5…VS10 в порядке: 5-10,7-6,9-8,5-10и т.д. В случае динамического торможения в обмотки двигателя подаетсяпостоянный ток. Чтобы ток протекал вэтом режиме в положительные полупериоды напряжения надо
открывать VS1 и VS4. В отрицательныеполупериоды следует открывать тиристоры VS9 и VS8.
ТПН включается в цепьобмотки статора и служит для регулирования напряжения статора.
Использование замкнутыхсистем автоматического управления, построенных по принципу подчиненногорегулирования, позволяет получить управляемые пуско-тормозные режимы и плавноерегулирование скорости вращения в широких пределах.
В качестве электроприводадля крановых механизмов рекомендован тиристорный асинхронный электропривод сфазовым управлением в качестве наиболее рационального для позиционныхмеханизмов, если при повторно-кратковременном режиме работы число включений вчас не превышает 150-200, мощность асинхронного двигателя 15-20 кВт.
Исходя из вышесказанного,выбираем для механизмов нашего крана тиристорный электропривод с фазовымуправлением.
Такой привод имеет ряддостоинств:
— простота силовых цепей;
— легко осуществляется формирование динамическиххарактеристик с ограничением момента двигателя;
— возможность осуществления динамического торможенияподачей постоянного тока в обмотку статора.
Недостатками данногопривода являются:
— большие потери энергии в двигатели на пониженныхскоростях;
— необходимость использования тахогенератора изамкнутой системы регулирования дляполучения достаточно жестких характеристик при сравнительно небольшом диапазоне регулирования скорости.
5.ПРЕДВОРИТЕЛЬНЫЙ ВЫБОР МОЩНОСТИ ЭЛЕКТРОПРИВОДА, ВЫБОР ТИПА ДВИГАТЕЛЯ
Статическая мощность на валу электродвигателя приподъеме груза Pc[6]:
Gгр=gmгр– вес, грузоподъемного устройства;
G=gm– вес, груза;
hмех=0.7– коэффициент полезного действия подъемного механизма.Двигатель выбираем из условия, что его номинальная мощность будет превышатьстатическую мощность на валу, т.е. PN>Pc.
Предварительно выбираем двигатель с короткозамкнутым ротором MTKF211-6, у которого PN=7.5 кВт, nN=880 об/мин, IN=19.5A [5]
Расчет передаточного числа редуктора i:
wN=92.11 рад/с– номинальная скоростьвращения двигателя;
wб=(2.mп.Vп)/Dб=(2.2.0.3)/0.3=4 рад/с — скорость вращениябарабана.
Из стандартного рядапринимаем i=22.4.С учетом принятых передаточного числа и номинальной скорости вращения двигателянайдем реальную скорость подъема:
Полученная скорость больше скорости заданной поусловию на 0.008 м/с, что не существенно, поэтому примем Vп=0.3 м/с, а, следовательно,пересчета тахограммы не требуется.
Пониженная угловаяскорость двигателя wпон:
Приведенный к валудвигателя статический момент при подъеме груза Mсп[6]:
Dб=0.3 м– диаметр барабана;
mп=2– кратность полиспаста.
Приведенный к валудвигателя момент инерции механизма подъема Jмех:
Суммарный моментинерции электропривода JS:6. РАСЧЕТНАГРУЗОЧНОЙ ДИАГРАММЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА
Момент на участке разгона Mр1[4]:
-ускорение при разгоне.
На участках с установившейся скоростью момент равенмоменту статическому. (Му1=Му2=Му3=Мс=70.31 Н.м).
Момент на участкеторможения до пониженной скорости Mт1:
-ускорениепри торможении.
Момент на участкеторможения с пониженной скорости до нуля Mт2:
-ускорение при разгоне.
Момент на участкеразгона Mр2:
-ускорение при разгоне.
Момент на участкеторможения до пониженной скорости Mт3:
-ускорениепри торможении.
Нагрузочная диаграмма представлена на рис.3.
М
Мр1 Мт3
Му1 Му2 Мр2
Мс Мт1 Мт2 Мр2
t
Рис. 3. Нагрузочная диаграмма
7. ПРОВЕРКАВЫБРАННОГО ДВИГАТЕЛЯ ПО НАГРЕВУ
Регулируемыйэлектропривод в системе ТПН-АД при сравнительно низкой стоимости, относительнойпростоте, хороших массогабаритных показателях и высокой надежности обладаетдостаточно широкими техническими возможностями при приемлемых в ряде случаевтехнико-экономических показателях. Это позволяет применять его в механизмахциклического действия, которые требуют управляемых пускотормозных режимов,кратковременного снижения скорости, точной отработки позиционных перемещений.
Важной задачей припроектировании системы ЭП является обоснованный выбор мощности электродвигателя[2]. Для АД решение задачи осложнено нелинейной зависимостью между моментомдвигателя и его током статора, т.е. нельзя использовать метод эквивалентногомомента для проверки двигателя по нагреву. Из-за этого используют методсредних потерь, для реализации которого достаточно знание лишь паспортныхданных АД, параметров тахограммы ЭП и его нагрузочной диаграммы.
В системах ТПН-АДрегулирование скорости связанно с возрастанием скольжения, следовательно и сувеличением потерь, т.к. DP2=PэмS. Нагрев двигателя в повторно-кратковременном режиме определяетсяпотерями энергии в машине на участках разгона, торможения и установившейсяскорости. При этом необходимо обеспечить нормальное тепловое состояниедвигателя, т.е. его работу без перегрева.
Исходное выражение для метода средних потерь в системе ТПН-АД выглядит так [2]:
DPср– средние потери в двигателе за цикл работы;
eгр` — приведеннаяпродолжительность включения графика нагрузки
DPN– номинальные потеридвигателя;
eN` — приведенная номинальнаяпродолжительность включения.
Для двигателей, нормированных наповторно-кратковременный режим работы:
eN — номинальная продолжительность включения;
b0– относительный коэффициенттеплоотдачи при неподвижном двигателе;
bПТ– относительный коэффициенттеплоотдачи при пуске (торможении) двигателя и при работе на пониженнойскорости.
Без учета добавочных имеханических потерь суммарные потери в АД:
DPм1(DPм2)–потери в меди статора (ротора) (DPм1N=3.I21N.r1и DPм2N=MN.w0.SN);
DPс1(DPс2)–потери в стали статора (ротора).
Потери в меди и сталиасинхронной машины могут быть определены, если известны ее параметры,напряжения, приложенные к обмоткам двигателя, и токи. Для облегчения расчетов ианализа необходимо выразить потери в относительных единицах. При этомдопустимым является пренебрежение потерями в стали на фоне потерь в меди.
Средние потери:
DWп, DWт– потери энергии в медистатора и ротора при пуске, торможении;
DPу, DPпон– мощность потерь приработе на установившейся полной и пониженной скорости.
При динамическом торможении ток протекает только подвум обмоткам статора. Поэтому для исключения перегрузки отдельных фаздвигателя условие проверки целесообразно рассматривать по отношению к мощностипотерь, выделяющихся в одной фазе:
n –количество участков тахограммы;
Dtj – время работы на j-м участке тахогаммы.