курсовая работа 1. Электропривод механизма передвижения крана
 Скачать 2.11 Mb.
|
|
Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» Институт электронного обучения Направление подготовки 13.03.02 - Электроэнергетика и электротехника (бакалавриат) Кафедра электропривода и электрооборудования БАКАЛАВРСКАЯ РАБОТА Тема работы Электропривод механизма передвижения крана УДК 62-83-583:621.873-83 Студент Группа ФИО Подпись Дата З-5Г10 Гуменный Ефим Васильевич Руководитель Должность ФИО Ученая степень, звание Подпись Дата Старший преподаватель Гнеушев Виталий Викторович КОНСУЛЬТАНТЫ: По разделу «Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение» Должность ФИО Ученая степень, звание Подпись Дата Доцент Мелик-Гайказян Мария Вигеновна Кандидат экономических наук, доцент По разделу «Социальная ответственность» Должность ФИО Ученая степень, звание Подпись Дата Старший преподаватель Романцов Игорь Иванович Кандидат технических наук ДОПУСТИТЬ К ЗАЩИТЕ: Зав. кафедрой ФИО Ученая степень, звание Подпись Дата Доцент Дементьев Юрий Николаевич Кандидат технических наук, доцент Томск – 2016 г. 2 Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» Институт электронного обучения Направление подготовки – Электроэнергетика и электротехника Кафедра – Электропривода и электрооборудования УТВЕРЖДАЮ: Зав. кафедрой Ю.Н. Дементьев (Подпись) (Дата) (Ф.И.О.) ЗАДАНИЕ на выполнение выпускной квалификационной работы В форме: Бакалаврской работы (бакалаврской работы, дипломного проекта/работы, магистерской диссертации) Студенту: Группа ФИО З-5Г10 Гуменному Ефиму Васильевичу Тема работы: Электропривод механизма передвижения крана Утверждена приказом директора (дата, номер) № ¬2533/С от 01.04.2016 г.. Срок сдачи студентом выполненной работы: 01.06.2016г. ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ: Исходные данные к работе (наименование объекта исследования или проектирования; производительность или нагрузка; режим работы (непрерывный, периодический, циклический и т. д.); вид сырья или материал изделия; требования к продукту, изделию или процессу; особые требования к особенностям функционирования (эксплуатации) объекта или изделия в плане безопасности эксплуатации, влияния на окружающую среду, энергозатратам; экономический анализ и т. д.). Кран мостовой опорный грузоподъемностью 10 т., режим работы – циклический. Требования к механизму подъема: диапазон регулирования D=1:100, при плавном регулировании скорости в момент пуска и торможения. 3 Перечень подлежащих исследованию, проектированию и разработке вопросов (аналитический обзор по литературным источникам с целью выяснения достижений мировой науки техники в рассматриваемой области; постановка задачи исследования, проектирования, конструирования; содержание процедуры исследования, проектирования, конструирования; обсуждение результатов выполненной работы; наименование дополнительных разделов, подлежащих разработке; заключение по работе). Обзор и современное состояние электрооборудования мостовых кранов, постановка задачи; выбор оборудования и расчет системы управления электропривода механизма передвижения; выбор оборудования и расчет системы управления электропривода механизма передвижения; исследование работы мостового крана с помощью имитационной модели. Перечень графического материала (с точным указанием обязательных чертежей) Структурная схема электропривода передвижения мостового крана Графики переходных процессов подъема Консультанты по разделам выпускной квалификационной работы Раздел Консультант «Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение» Мелик-Гайказян Мария Вигеновна «Социальная ответственность» Романцов Игорь Иванович Названия разделов, которые должны быть написаны на русском и иностранном языках: Реферат Дата выдачи задания на выполнение выпускной квалификационной работы по линейному графику 11.04.2016г. Задание выдал руководитель: Должность ФИО Ученая степень, звание Подпись Дата Ст.преподаватель Гнеушев Виталий Викторович Задание принял к исполнению студент: Группа ФИО Подпись Дата З-5Г10 Гуменный Ефим Васильевич 4 Реферат Выпускная квалификационная работа 80 с., 22 рис., 18 табл., 12 источников, 1 приложение. Ключевые слова: мостовой кран, система ПЧ-АД. Объектом исследования является кран мостовой Цель работы – исследование механизма передвижения мостового крана с использованием частотно-регулируемого асинхронного электропривода В процессе исследования проводились исследования с помощью программы Matlab Simulink Область применения машиностроение. Выпускная квалификационная работа выполнена в текстовом редакторе Мicrosoft Word 2010). Также при работе использовались программы Matlab Simulink, Microsoft Visio 2010 и MathCAD. 5 Введение Из всего многообразия общепромышленных механизмов, работающих на металлургических предприятиях, можно выделить группу, для которой особенно остро стоит проблема чрезмерно высокого уровня динамических нагрузок. В такую группу оборудования промышленных предприятий в первую очередь входят подъемно-транспортные механизмы: мостовые и козловые краны, крановые перегружатели, транспортеры, конвейеры, питатели и т.д. Среди этих механизмов в наиболее тяжелых условиях и интенсивных режимах работают мостовые краны. Многочисленными исследованиями установлено, что упругие механические колебания в подавляющем большинстве случаев отрицательно влияют на работу электропривода, вызывая повышение динамических нагрузок, снижение точности работы механизма, появление механических вибраций и опасных резонансных явлений. Возникающий при этом чрезмерно высокий уровень динамических нагрузок, особенно при пусках, реверсах и торможениях ведет к преждевременному выходу из строя элементов механизмов кранов и подкрановых конструкций. При исследованиях, посвященных проблеме снижения динамических нагрузок было установлено, что самым эффективным способом снижения динамических нагрузок, а, следовательно, повышения долговечности механизмов передвижения кранов и подкрановых конструкций является модернизация существующих схем электроприводов и внедрение новых, которые обеспечивают снижение разницы в скоростях передвижения опор крана. В связи с тем, что главную роль в создании условий высокой производительности подъемно-транспортного оборудования отводится электроприводу, то с учетом сложной специфики работы такого оборудования необходимо отдавать предпочтение простым и высоконадежным системам электроприводов. 6 1 Обзор и современное состояние электрооборудования мостовых кранов, постановка задачи 1.1 Краткая техническая характеристика мостового крана Кранами называются грузоподъемные устройства, циклического действия, служащие для вертикального и горизонтального перемещения грузов на большие расстояния. По особенностям конструкций, связанным с назначением и условиями работы, краны разделяются на мостовые, портальные, козловые, башенные и др. В цехах предприятий электромашиностроения наибольшее распространение получили мостовые краны, с помощью которых производится подъем и опускание тяжелых заготовок, деталей и узлов машин, а также их перемещение вдоль и поперек цеха. Вид мостового крана в основном определяется спецификой цеха и его технологией, однако многие узлы кранового оборудования, например механизмы подъема и передвижения, выполняются однотипными для различных разновидностей кранов. На электрических кранах устанавливают электродвигатели, пусковые и регулировочные сопротивления, тормозные электромагниты, контроллеры, защитную, пускорегулирующую, сигнальную, блокировочную и осветительную аппаратуру, конечные выключатели, токосъемники. Питание на кран подается или через троллейные проводники, неподвижно закрепленные на строительных конструкциях, и токосъемники, закрепленные на кране, или при помощи гибкого шлангового кабеля. Электродвигатели, аппараты и электропроводку кранов монтируют в исполнении, соответствующем условиям окружающей среды [1]. В зависимости от вида транспортируемых грузов на мостовых кранах используют различные грузозахватывающие устройства: крюки, магниты, грейферы, клещи и т.п. В связи с этим различают краны крюковые, магнитные, грейферные, клещевые и т.п. Наибольшее распространение получили краны с крюковой подвеской или с подъемным электромагнитом, служащим для 7 транспортировки стальных листов, стружки и других ферромагнитных материалов. Мостовые краны в зависимости от назначения и характера выполняемой работы снабжают различными грузозахватными приспособлениями: крюками, грейферами, специальными захватами и т.п. Мостовой кран весьма удобен для использования, так как благодаря перемещению по крановым путям, расположенных в верхней части цеха, он не занимает полезной площади. Электропривод большинства грузоподъѐмных машин характеризуется повторно - кратковременном режимом работы при большей частоте включения, широком диапазоне регулирования скорости и постоянно возникающих значительных перегрузках при разгоне и торможении механизмов. Особые условия использования электропривода в грузоподъѐмных машинах явились основой для создания специальных серий электрических двигателей и аппаратов кранового исполнения. В настоящее время крановое электрооборудование имеет в своѐм составе серии крановых электродвигателей переменного и постоянного тока, серии силовых и магнитных контроллеров, командоконтроллеров, кнопочных постов, конечных выключателей, тормозных электромагнитов и электрогидравлических толкателей, пускотормозных резисторов и ряд других аппаратов, комплектующих разные крановые электроприводы. В настоящее время грузоподъемные машины выпускаются большим числом заводов. Эти машины используются во многих отраслях народного хозяйства в металлургии, строительстве, при добыче полезных ископаемых, машиностроении, транспорте, и в других отраслях. Развитие машиностроения, занимающиеся производством грузоподъемных машин, является важным направлением развития народного хозяйства страны. Мостовые краны состоят из несущих элементов, непосредственно опирающихся на крановый путь, и моста, перемещающегося по уложенным на стенах или внешних эстакадах рельсам (рисунок 1.1). Пути укладываются на 8 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. Рисунок 1 – Общий вид мостового крана Любой современный грузоподъемный кран в соответствии с требованиями безопасности, может иметь для каждого рабочего движения в трех плоскостях, следующие самостоятельные механизмы: механизм подъема - опускания груза, механизм передвижения крана в горизонтальной плоскости и механизмы обслуживания зоны работы крана (передвижения тележки). Грузоподъемные машины изготовляют для различных условий использования: по степени загрузки, времени работы, интенсивности ведения операций, степени ответственности грузоподъемных операций и климатических факторов эксплуатации. Кинематическая схема механизма передвижения крана представлена на рисунке 2. 9 Тележка имеет приводные ходовые колеса 1, редуктор 2, электродвигатель 3 и тормоз 4. Рисунок 2 – Кинематическая схема механизма передвижения тележки мостового крана Механизм передвижения тележки выполнен с центральным приводом, состоит из электродвигателя соединенного с редуктором муфтой. Выходной вал редуктора при помощи муфт и промежуточных валов соединен с валами приводных колес [3]. 1.2 Условия работы и требования, предъявляемые к электроприводу мостового крана Повышенная опасность работ при транспортировке поднятых грузов требует при проектировании и эксплуатации соблюдение обязательных правил по устройству и эксплуатации подъемно-транспортных машин. На механизмах подъема и передвижения правилами по устройству и эксплуатации предусмотрена установка ограничителей хода, которые воздействуют на электрическую схему управления. Конечные выключатели механизма подъема ограничивают ход грузозахватывающего приспособления вверх, а выключатели механизмов передвижения моста и тележки ограничивают ход механизмов в обе стороны. Предусматривается также установка конечных выключателей, предотвращающих наезд механизмов в случае работы двух и более кранов на одном мосту. Исключение составляют установки со скоростью движения до 30 м/мин. Крановые механизмы должны быть снабжены тормозами закрытого типа, действующими при снятии напряжения [4]. 10 На крановых установках допускается применять рабочее напряжение до 500 В, поэтому крановые механизмы снабжают электрооборудованием на напряжения 220, 380, 500 В переменного тока и 220, 440 В постоянного тока. В схеме управления предусматривают максимальную защиту, отключающую двигатель при перегрузке и коротком замыкании. Нулевая защита исключает самозапуск двигателей при подаче напряжения после перерыва в электроснабжении. Для безопасного обслуживания электрооборудования, находящегося на ферме моста, устанавливают, блокировочные контакты на люке и двери кабины. При открывании люка или двери напряжение с электрооборудования снимается [5], [6]. Для качественного выполнения подъема, спуска и перемещения грузов электропривод крановых механизмов должен удовлетворять следующим основным требованиям: - регулирование угловой скорости двигателя в сравнительно широких пределах в связи с тем, что тяжелые грузы целесообразно перемещать с меньшей скоростью, а пустой крюк или ненагруженную тележку – с большей скоростью для увеличения производительности крана. Пониженные скорости необходимы также для осуществления точной остановки транспортируемых грузов с целью ограничения ударов при их посадке и облегчают работу оператора. Обеспечение необходимой жесткости механических характеристик привода, с тем чтобы низкие скорости почти не зависели от груза; - ограничение ускорений до допустимых пределов при минимальной длительности переходных процессов. Первое условие связано с ослаблением ударов в механических передачах при выборе зазора, с предотвращением пробуксовки ходовых колес тележек и мостов, с уменьшением раскачивания подвешенного на канатах груза при интенсивном разгоне и резком торможении механизмов передвижения; второе условие необходимо для обеспечения высокой производительности крана; - реверсирование электропривода и обеспечение его работы, как в двигательном режиме, так и в тормозном режиме. 11 1.3 Современные крановые электроприводы, обоснование и выбор Основное назначение электропривода крана - регулирование скорости механизмов подъема и передвижения в некотором диапазоне. В первую очередь, тип электропривода зависит от физических принципов регулирования скорости конкретных видов двигателей. На практике чаще всего применяются следующие двигатели: – электродвигатели постоянного тока; – асинхронные электродвигатели с фазным ротором; – асинхронные электродвигатели с короткозамкнутым ротором. В таблице 1 приведены достоинства и недостатки электродвигателей, используемых на кранах. Таблица 1 – Сравнение двигателей, используемых на кранах Достоинства Недостатки Двигатели постоянного тока – простота устройства и принципов управления; – практически линейные механические и регулировочные характеристики; – большой пусковой момент. – дороговизна изготовления; – износ и необходимость профилактического обслуживания коллекторно- щѐточных узлов; – необходимо дополнительно устанавливать в цеху выпрямители трехфазного напряжения. Асинхронные электродвигатели с фазным ротором – большой начальный вращающий момент; – приблизительно постоянная скоростью при различных перегрузках; – меньший пусковой ток по сравнению с электродвигателями с короткозамкнутым ротором – большие габариты; – дороговизна изготовления; – износ и необходимость профилактического обслуживания коллекторно- щѐточных узлов. Асинхронные электродвигатели с короткозамкнутым ротором – относительная дешевизна; – отсутствие коллекторно- щѐточных узлов; – легкость конструкции и простота ее изготовления; – высокий КПД и cos φ по сравнению с двигателями с фазным ротором. – большой пусковой ток (до 5-7 In); – сложное техническое оборудовании для регулирования скорости вращения. 12 Двигатели постоянного тока получили широкое распространение на тяжелых металлургических производствах, в т.ч. на литейных кранах. В настоящее время, новые краны с двигателями постоянного тока практически не изготавливаются. Асинхронные электродвигатели с фазным ротором получили наибольшее распространение на кранах в советское время и популярны в наши дни. Двигатели данного типа применяются как для реконструкции, так и для новых грузоподъемных кранов. Существует множество разновидностей систем управления для двигателей с фазным ротором. Изменение скорости и момента таких двигателей достигается путем включения в цепь ротора дополнительных электрических устройств. В зависимости от требований к диапазону регулирования скорости могут применяться: – реостатные системы; – дроссельные системы без регулирования скорости; – дроссельные системы с тиристорными регуляторами. В качестве коммутационного оборудования в цепях статора и ротора могут применяться: – силовые контакторы, пускатели, реверсоры (и другие механические устройства коммутации); – тиристоры (тиристорные ключи); – IGBT-транзисторы; – гибридные системы. На сегодняшний день такая система управления морально устарела и на фоне современных микропроцессорных систем управления мостовыми кранами зарубежных производителей с частотным регулированием отличается повышенным энергопотреблением. Явным недостатком такой системы является такое явление, как «избыточный динамический момент», который возникает в момент пуска электродвигателя. Это явление порождает ударные нагрузки, приводит к преждевременному износу элементов, появлению люфтов в 13 трансмиссии приводов, снижению точности позиционирования, повышенной утомляемости операторов и, как следствие, ухудшение качества выполняемых грузоподъѐмным механизмом работ. Текущие и капитальные ремонты дадут эффект только на несколько месяцев, а дальше снова «разбитые» элементы трансмиссии. Это явление обусловлено спецификой подбора первой ступени резисторов. В релейно- контакторных системах управления со ступенчатым регулированием скорости «избыточного динамического момента» никак не избежать – это технологическая особенность такого привода, она заключается в том, что первая пусковая ступень резисторов подбирается таким образом, чтобы пусковой момент асинхронного двигателя с фазным ротором был равен критическому моменту для устойчивости от «опрокидывания». То есть при пуске двигатель практически мгновенно развивает максимально-возможный момент, что порождает ударные нагрузки, именуемые «динамическим моментом». При проектировании и изготовлении грузоподъѐмного оборудования мощность электродвигателей в 2-3 раза превышала фактические требования механизма. Асинхронные электродвигатели с короткозамкнутым ротороммало применялись на кранах в советское время в силу технологической сложности регулирования скорости. Использование ограничивалось легкими тельферными подъемниками, кран-балками и прочими одно-, двухскоростными тихоходными механизмами. В остальных случаях заменить двигатели постоянного тока либо двигатели с фазным ротором в то время они не могли. Ситуация изменилась лишь с широким распространением и удешевлением преобразователей частоты. Снижение цен на полупроводниковые приборы в конце 90-ых годов подтолкнуло краностроителей к переходу к современным системам управления. Начиная с 2000 года в СНГ на новых кранах стали всѐ чаще применяться системы на базе преобразователей частоты. Преобразователи частоты позволяют плавно изменять величину напряжения и частоту на клеммах двигателя, благодаря чему становится возможным управлять скоростью 14 вращения двигателя, сохраняя номинальный момент во всем диапазоне регулирования. Использование асинхронного двигателя на базе преобразователя частоты обеспечит: – абсолютный контроль и безударное регулирование скорости, ускорения и момента при любой массе груза (в пределах допускаемой); – плавный разгон и торможение всех механизмов крана с заданным ускорением, что обеспечивает плавное нарастание моментов и усилий во всех узлах и механизмах крана; – регулирование скорости АД с помощью преобразователей частоты дает экономию электроэнергии до 20 %, электроприводы работают с cosφ близким к 1; – программируемый логический контроллер, использованный в системе кранового электропривода, и имеющий связь по сети с ПЧ, позволяет решить задачи диагностики, статистического сбора и обработки всех сигналов и нагрузок; – тормозные колодки не требуют частой замены, а тормоза – постоянной регулировки, поскольку управляемое торможение осуществляют ПЧ, а тормоза служат лишь для удержания после полной остановки механизма; – ограничение моментов как статических, так и динамических; – устранение перекосов и раскачивания грузов; – защита электродвигателей (максимально-токовая, время-токовая, тепловая и др.); – улучшение условий работы оператора крана за счет применения современной аппаратуры управления; – сокращение количества релейно-контакторной аппаратуры позволяет повысить надежность работы электрооборудования и уменьшить трудозатраты на профилактическое обслуживание; – уменьшение динамических нагрузок на механизмы крана и увеличение сроков службы оборудования. 15 |