Расчёт электрооборудования привода подъёма электротягача грузоподъёмностью 0,5 т, предназначенного для выполнения подъёмно-транспортных операций при обслуживании ленточного конвейера бункерной эстакады доменной печи. Характеристики электродвигателей.
Аннотация к работе
Важным фактором является то, что для приводов с асинхронными двигателями могут быть использованы простые и надежные разомкнутые системы автоматического управления. С помощью пульта управления (8) можно управлять передвижением электротягача, подъемом и спуском груза как любой из талей, так и двумя; для подъема и спуска груза предусмотрены две скорости: номинальная и доводочная. Подъем груза осуществляется при помощи двух двигателей, приводящих в движение две цепные тали, на каждой из которых находится по крюку. Статическая мощность, КВТ, на валу двигателя в установившемся режиме при подъеме где - КПД механизма, определяется по кривым [1], приближенно можно принять при подъеме груза =0,8, при подъеме пустого крюка =0,3; , - сила тяжести грузозахватного устройства и груза, соответственно, Н; - скорость подъема, м/с. В данном случае используется сеть напряжением 380 В и частотой 50 Гц для асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором и напряжение 220 В частотой 50 Гц для цепи управления.В данном курсовом проекте был произведен расчет и выбор электрооборудования привода подъема электротягача грузоподъемностью 0,5 т, который предназначен для выполнения подъемно-транспортных операций при обслуживании ленточного конвейера бункерной эстакады доменной печи. Для данного привода был произведен расчет статических нагрузок и выбор двух двухскоростных асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором 4А63А4/2У3 мощностью Рн=0,19/0,265 КВТ и построены их естественные механические характеристики. Для питания двигателей предусмотрена сеть напряжением 380 В и частотой 50 Гц. В качестве защитной аппаратуры для двигателей выбраны автоматический выключатель АЕ2026 с Ін=16 А, Ірасц=1,25 А, Ісраб=15 А и реле максимального тока РТ-40.
Введение
электрооборудование привод тягач конвейер
В приводах с механическим и электрическим регулированием скорости и в нерегулируемых приводах производственных механизмов наиболее целесообразно использование асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором. Малые размеры, высокая надежность и низкая стоимость обусловили широкое распространение асинхронных двигателей в электромеханических приводах станков, кузнечно-прессовых машин и другого производственного оборудования. Перспективным является применение асинхронных регулируемых приводов в станках, промышленных работах и других мехатронных системах с ЧПУ. Наиболее часто в приводах подъема используются асинхронные двигатели с фазным ротором.
Асинхронный двигатель в силу ряда достоинств (относительная дешевизна, высокие энергетические показатели, простота обслуживания) является наиболее распространенным среди всех электрических машин. В количественном отношении они составляют около 90% всего парка машин в народном хозяйстве, а по установленной мощности - около 55%.
Выбранный электрический двигатель должен обеспечивать выполнение технологического процесса при наименьших затратах энергии, установленной мощности и эксплуатационных затратах.
Приводы с асинхронными двигателями являются наиболее дешевыми, надежными, простыми и удобными в эксплуатации.
Важным фактором является то, что для приводов с асинхронными двигателями могут быть использованы простые и надежные разомкнутые системы автоматического управления.
1 Общая часть
1.1 Тип станка (механизма), его основные технические данные
Электротягач грузоподъемностью 0,5 т, предназначен для выполнения подъемно-транспортных операций при обслуживании ленточного конвейера бункерной эстакады доменной печи.
Таблица 1 - Основные параметры электротягача
№ п/п Наименование параметров Величина
1 Грузоподъемность, т 0,5
2 Скорость передвижения номинальная, м/с 0,5
3 Скорость подъема груза номинальная, м/с 0,07
4 Скорость подъема груза доводочная, м/с 0,02
5 Диапазон подъема груза, м 3
6 Наибольший угол подъема пути, град 15
7 Напряжение, В 380
8 Частота сети питания, Гц 50
9 Масса электротягача с прицепной тележкой, кг 350
Тягач (1) представляет собой четырехколесную монорельсовую тележку, который тянет за собой или толкает грузонесущий прицеп (2). Ловитель (3) предназначен для аварийной ситуации, когда тягач начинает свободное движение под уклон с ускорением, в этом случае ловитель срабатывает и тормозит свободное движение тягача. Мотор-редуктор (4) предназначен для понижения числа оборотов двигателя, усиления момента его вращения, что необходимо для движения тягача. Таль электрическая цепная (5) осуществляет подъем и спуск груза при помощи цепи, которая входит в состав этой тали. Барабан кабельный (6) содержит силовой кабель для питания всего электротягача, который автоматически с помощью пружины накручивает на себя кабель при отключении электротягача от сети. Шкаф электроаппаратуры (7) содержит в себе всю электроаппаратуру управления электротягачом, который содержит в себе автоматические выключатели, магнитные пускатели, аппараты контроля и регулирования и т. д. С помощью пульта управления (8) можно управлять передвижением электротягача, подъемом и спуском груза как любой из талей, так и двумя; для подъема и спуска груза предусмотрены две скорости: номинальная и доводочная. Лыжа (9) предназначена для дополнительной устойчивости электротягача при передвижении. Сцепка (10) обеспечивает соединение тягача с грузонесущим прицепом. Направляющий ролик (11) позволяет более удобно доставать и убирать силовой кабель, находящийся на барабане
1.3 Циклограмма (последовательность операций), режимы работы главного привода
Электротягач передвигается по наклонному монорельсу под углом . Подъем груза осуществляется при помощи двух двигателей, приводящих в движение две цепные тали, на каждой из которых находится по крюку. Эти два двигателя могут работать совместно, выборочно или поочередно, поднимая или опуская транспортируемый груз.
Привод подъема груза работает в повторно-кратковременном режиме с продолжительностью включения в среднем ПВ=25%.
2 Расчет статических нагрузок, выбор электропривода
2.1 Расчет мощности электродвигателя главного привода
Статическая мощность, КВТ, на валу двигателя в установившемся режиме при подъеме где - КПД механизма, определяется по кривым [1], приближенно можно принять при подъеме груза =0,8, при подъеме пустого крюка =0,3; , - сила тяжести грузозахватного устройства и груза, соответственно, Н; - скорость подъема, м/с.
Мощность при подъеме груза
Мощность при подъеме пустых крюков
Статическая мощность, КВТ, при опускании грузозахватного устройства где ? 0,5, можно принять ?=0,3.
Статическая мощность, КВТ, при опускании груза где ? 0,5, можно принять ?=0,8.
Скорость спуска принимается равной скорости подъема.
Выбор мощности двигателя производится исходя из нагрузочной диаграммы механизма за цикл работы. Расчетный цикл состоит из четырех операций: подъем груза , спуск груза , подъем пустого грузозахватного устройства , спуск грузозахватного устройства .
Время работы, с, на каждой операции где - высота подъема, м.
По нагрузочной диаграмме определяется эквивалентная статическая мощность, КВТ, приведенная к ближайшей стандартной продолжительности включения ПВНОМ=40%.
где ПВ - фактическая продолжительность включения.
Аналогично определяется статическая мощность при доводочной скорости подъема и спуска.
Подъем груза
Подъем пустых крюков
Спуск пустых крюков
Спуск груза
Время на каждой операции
Суммарное время работы механизма за цикл
Рисунок 3 - Нагрузочная диаграмма привода подъема электротягача с доводочной скоростью
Эквивалентная статическая мощность
По справочнику [6] выбирается асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором по условию где Кз=(1,1 - 1,4) - коэффициент запаса, учитывающий дополнительную загрузку двигателя в периоды пуска и торможения.
Выбраны два двухскоростных двигателя 4А63А4/2У3, соединение обмоток - ?/YY.
2.2 Основные требования к системе электропривода
Одним из основных вопросов электрооборудования является выбор типа электропривода.
На этот выбор оказывает влияние ряд факторов: 1. Диапазон регулирования скорости - 2/1, двигатель двухскоростной (на статоре две обмотки); регулирование - неплавное;
2. Характер нагрузки привода - повторно-кратковременный;
3. Частота включения привода - частое включение;
4. Соотношение периодов машинного и вспомогательного времени: машинное время тр=42,86 с, время паузы тп=128,58 с при поднятии и спуске груза с номинальной скоростью 0,07 м/с; машинное время тр=150 с, время паузы тп=450 с при поднятии и спуске груза с доводочной скоростью 0,02 м/с;
5. Энергетические показатели работы привода: высокий КПД; высокий коэффициент мощности;
6. Надежность привода, простота его обслуживания и наладки.
2.3 Выбор рода тока и напряжения и типа двигателя
Для питания электрооборудования станков и механизмов применяется напряжение постоянного и переменного тока различной величины.
Для питания асинхронных двигателей используется трехфазный переменный ток напряжением 380 В, для питания двигателей постоянного тока используются различные преобразователи, вырабатывающие постоянный ток напряжением 110, 220 или 440 В.
В данном случае используется сеть напряжением 380 В и частотой 50 Гц для асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором и напряжение 220 В частотой 50 Гц для цепи управления.
Для выбранного двигателя 4А63А4/2У3 из справочника [6] выписываются паспортные данные: Рн=0,19/0,265 КВТ - номинальная мощность;
М2, Н м 0,66 1,37 1,69 1,91 1,94 1,91 ?2, рад/с 304,58 292,02 282,6 270,04 260,62 251,2
Для проверки выбранного двигателя определяется величина статического момента для одного из двух двигателей
Для проверки двигателя на перегрузочную способность необходимо выполнить условие где Мс max - максимальный статический момент; Ммах - максимальный момент, для асинхронного двигателя равен критическому.
Для проверки двигателя по условиям пуска необходимо выполнить условие
Двигатель выбран верно.
2.5 Анализ электропривода и системы управления им (достоинства и недостатки)
Электроприводом называют электромеханическую систему, состоящую из электродвигательного, преобразовательного, передаточного и управляющего устройств, предназначенную для приведения в движение исполнительных органов рабочей машины и управления этим движением.
Электроприводы с асинхронными двигателями надежны, просты в эксплуатации, дешевы. Обладают высокими энергетическими показателями. Недостатком таких двигателей является сложность регулирования частоты вращения.
3 Расчет и выбор проводов и аппаратуры
3.1 Выбор проводов и питающих кабелей
Сечение проводов и кабелей для напряжения до 1000 В по условию нагрева определяется по справочнику [4] в зависимости от расчетного значения длительно допустимой токовой нагрузки из соотношения
, (56) где Ідл - ток расчетной длительной нагрузки, Ін - номинальный ток для электроприемников, имеющих в установке одиночный асинхронный двигатель.
14 А 0,88 А Выбран провод медный гибкий с учетом четырех проводов в трубе
ПВ3 4(1 1).
3.2 Выбор защитной аппаратуры и аппаратуры управления
В качестве защитной аппаратуры применяются автоматический воздушный выключатель, предохранитель, реле максимального тока - для защиты от короткого замыкания, тепловое реле - для защиты от перегрузки.
Номинальный ток комбинированного расцепителя автоматического выключателя
(59)
Ток срабатывания комбинированного расцепителя автоматического выключателя
, (60) где Іп - пусковой ток двигателя: .
По справочнику [3] выбирается автоматический выключатель с параметрами Ін=16 А, Ірасц=1,25 А, Ісраб=12 1,25=15 А. Выбран автоматический выключатель АЕ2026.
Ток срабатывания реле максимального тока где Кнад=1,1 - 1,25 - коэффициент надежности; Ксз=2 - 3 - коэффициент самозапуска, учитывающий увеличение тока нагрузки при самозапуске двигателя; Квзв=0,8 - 0,85 - коэффициент возврата.
Тип реле выбирается по справочнику [8]. Выбрано реле типа РТ - 40.
В качестве аппаратуры управления применяется магнитный пускатель. Тип пускателя определяется по справочнику [7]. Номинальный ток пускателя
Выбран магнитный пускатель Ін=10 А ПМЛ 1500.
4 Специальная часть
Целью специальной части является модернизация электрооборудования главного привода. Предлагается два возможных варианта: 1. Установка преобразователя частоты для питания асинхронного двигателя главного привода;
2. Замена асинхронного двигателя на двигатель постоянного тока с упрощенной коробкой скоростей.
4.1 Выбор преобразователя частоты, расчет характеристик двигателя
Наиболее перспективным способом регулирования скорости асинхронного двигателя является регулирование изменением частоты подводимого напряжения с помощью преобразователя частоты, который состоит из выпрямителя, преобразующего переменное напряжение в постоянное, инвертора, преобразующего постоянное напряжение в переменное и блоков управления выпрямителя и инвертора.
При этом изменяется скорость холостого хода, т. к. . Для того, чтобы при изменении частоты максимальный момент двигателя оставался постоянным, необходимо также изменять напряжение, так чтобы соблюдался закон управления U/f=const.
Таблица 3 - Скорость асинхронного двигателя при изменении частоты, где p=1 f, Гц 50 40 30 25 20 15 5
0, рад/ с 314 251,2 188,4 157 125,6 94,2 31,4
Таблица 4 - Скорость асинхронного двигателя при изменении частоты, где p=2 f, Гц 50 40 30 25 20 15 5
0, рад/ с 157 125,6 94,2 78,5 62,8 47,1 15,7
4.2 Выбор двигателя постоянного тока и тиристорного преобразователя
По мощности и частоте вращения двигателя главного привода выбирается ДПТ из условия
Исходя из мощности (Рн 3 КВТ) и наличия реверса двигателя главного привода, выбрана трехфазная нулевая реверсивная схема.
4.3 Определение параметров трансформатора, тиристоров, реактора
Трансформатор выбирается на основе расчетных вторичных напряжения и тока, а также расчетной мощности.
Расчетное значение вторичного фазного напряжения трансформатора
, (69) где KU - коэффициент напряжения; Ud - напряжение преобразователя при угле открывания тиристоров ?=0, принимается равным номинальному напряжению питания двигателя; КС=(1,05 - 1,1) - коэффициент учета колебания напряжения сети на 10%; К?=(1,05 - 1,1) - коэффициент, учитывающий неполное открывание вентилей при максимальном сигнале управления; KR=1,05 - коэффициент, учитывающий падение напряжения в трансформаторах и вентилях.
Расчетное значение тока фазы вторичной обмотки трансформатора
, (70) где Кі - коэффициент тока; Кф=1,05 - 1,1 - коэффициент формы анодного тока; Id - выпрямленный ток, равный номинальному току двигателя Ін.
Коэффициент трансформации трансформатора
Действующее значение тока первичной обмотки трансформатора
Расчетная типовая мощность трансформатора
, (72) где KS - коэффициент мощности.
По полученным данным выбирается трансформатор с номинальными параметрами: Sн Stp; U2фн U2ф; I2фн I2ф
Номинальное напряжение первичной обмотки трансформатора должно быть равно напряжению сети.
Тиристоры выбираются по среднему значению тока через вентиль с учетом увеличения тока двигателя в переходных режимах и по максимальному значению обратного напряжения.
Среднее значение тока через тиристор с учетом того, что тиристор в трехфазных схемах открыт треть периода где Кз=(2 - 2,5) - коэффициент запаса по току; Кох - коэффициент охлаждения (1 - при принудительном охлаждении; (0,3 - 0,35) - при естественном воздушном охлаждении со стандартным радиатором.
Максимальная величина обратного напряжения где КЗU=(1,5 - 1,8) - коэффициент запаса по напряжению; КUОБР - коэффициент обратного напряжения.
По каталогу выбираются тиристоры с номинальными данными: Ідоп Іср; Uобр. доп Uобр. max
Индуктивность уравнительного реактора где Іур - действующее значение уравнительного тока, обычно принимают Іур=0,1 Ін=0,1 2=0,2 (А); f1 - частота питающей сети 50 Гц; Кд - коэффициент действующего значения уравнительного тока; для трехфазной встречно-параллельной схемы при согласованном управлении Кд=0,62.
В каждый из контуров уравнительного тока устанавливается два ненасыщающихся реактора, причем индуктивность каждого из них должна быть равна полной расчетной величине.
Индуктивность цепи выпрямленного тока из условия сглаживания пульсаций где k - номер гармоники, для управляемых преобразователей k=1; p - число пульсаций, для трехфазной нулевой схемы p=3; p1% - допустимое действующее значение основной гармоники тока, принимается (2 - 15) в зависимости от мощности привода; Udnm - амплитудные значения гармонических составляющих выпрямленного напряжения; для первой гармоники и минимального рабочего угла ?=300 при нулевой схеме Udnm=0,434 UD0=0,434 1,1 1,1 1,05 220=121,31 (В).
Индуктивность двигателя где ?=(0,15 - 0,25) - для компенсированных машин; ?=0,6 - для некомпенсированных машин; p - число пар полюсов двигателя.
Требуемая величина индуктивности сглаживающего реактора
(78)
4.4 Расчет механических характеристик двигателя постоянного тока
Расчет естественной характеристики двигателя при U=Uн, Ф=Фн, R=Rдв
Сопротивление цепи якоря, приведенное к 750 С
где Rя - сопротивление обмотки якоря; Rдп - сопротивление дополнительных полюсов.
Номинальная скорость двигателя
Для нахождения скорости холостого хода необходимо найти величину
Скорость холостого хода
Номинальный момент двигателя
Расчет характеристики в разомкнутой системе при
U=Uн, Ф=Фн, R=(Rдв Rп), где Rп - сопротивление преобразователя, в приближенном случае Rп=Rдв.
В общем случае сопротивление якорной цепи помимо сопротивления обмотки якоря и дополнительных полюсов включает сопротивление реакторов, трансформатора, щеточного контакта, которое обозначается Rп.
Номинальная скорость в разомкнутой системе
Расчет характеристик в замкнутой системе при изменении Uзс от 0 до Uзс max
Уравнение механической характеристики в замкнутой системе по скорости имеет вид где Uзс - задающее напряжение Uзс=15 - 20 В;
- коэффициент передачи обратной связи по скорости, Uoc=15 В (напряжение обратной связи);
;
Кс=Ку Кп - коэффициент усиления усилителя и преобразователя.
Скорость холостого хода и номинальная скорость при максимальном задающем напряжении
Номинальная скорость при различном задающем напряжении
Таблица 5 - Номинальная скорость и скорость холостого хода при различном задающем напряжении ?0, рад/с 200 190 180 170 160 ?н, рад/с 182,63 172,63 162,63 152,63 142,63
5 Электрические схемы
5.1 Описание работы схемы управления
Вводным автоматическим выключателем QF1 оборудование привода подъема электротягача вводится в сеть. Сперва подключается трансформатор Т1 через автоматический выключатель QF2 и замыкаются контакты автоматических выключателей SF1, SF2, SF3, затем автоматические выключатели QF3 и QF4 для электродвигателей, после этого закрывается дверь шкафа (конечный выключатель SQ5) и затем включается ключ-марка SQ9, после чего нажимается кнопка SB1 и подается питание на катушку главного контактора KM1, замыкаются контакты главного контактора KM1 и два вспомогательных контакта KM1, один из них запитывает катушку контактора KM1, другой подает напряжение на кнопки SB4, SB5, SB6 и переключатель SA1. Резистор и конденсатор, включенные параллельно в цепь с катушкой главного контактора, защищают от сверх-ЭДС, наводящейся в катушке главного контактора при ее отключении кнопку SB2 (стоп) и контакт KM1 от электрической дуги, выжигающей контакты.
После срабатывания контактора KM1 схема готова к работе.
Переключателем SA1 осуществляется выбор грузоподъемной тали. Если переключатель SA1 находится в нулевом положении, то можно запустить оба двигателя М1 и М2 нажатием кнопок SB4 (вниз), SB5 (вверх). При нажатии кнопки SB4 срабатывают магнитные пускатели КМ6 и КМ3, замыкаются силовые контакты КМ6 и КМ3 и размыкаются вспомогательные контакты КМ6 и КМ3. При нажатии кнопки SB5 срабатывают магнитные пускатели КМ5 и КМ2, замыкаются силовые контакты КМ5 и КМ2 и размыкаются вспомогательные контакты КМ5 и КМ2. Кнопка SB6 осуществляет подъем-спуск груза с меньшей скоростью только при одной из нажатых кнопок SB4 или SB5, при этом нормально замкнутые контакты магнитных пускателей КМ4 и КМ7 размыкаются, а нормально разомкнутые замыкаются.
При переводе переключателя SA в первое и второе положения может работать только один из электродвигателей. При этом срабатывают магнитные пускатели КМ8 или КМ9, размыкая свои нормально замкнутые контакты.
Для защитного отключения двигателей предусмотрено реле максимального тока КА1 и КА2, размыкающее нормально замкнутые контакты. Помимо кнопки SB2 (стоп) имеется еще кнопка SB3 (аварийный стоп). Предусмотрены конечные выключатели SQ1, SQ2, SQ3, SQ4, срабатывающие, когда тали достигают своих конечных положений; SQ6, срабатывающий, когда кабельный барабан размотан полностью; SQ8, срабатывающий при срабатывании ловителя, когда электротягач при передвижении по монорельсу достиг максимальной скорости, после этого замыкают SQ7, чтобы опустить груз, а затем устранить неисправность, возникшую при передвижении электротягача.
Вывод
В данном курсовом проекте был произведен расчет и выбор электрооборудования привода подъема электротягача грузоподъемностью 0,5 т, который предназначен для выполнения подъемно-транспортных операций при обслуживании ленточного конвейера бункерной эстакады доменной печи.
Для данного привода был произведен расчет статических нагрузок и выбор двух двухскоростных асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором 4А63А4/2У3 мощностью Рн=0,19/0,265 КВТ и построены их естественные механические характеристики. Для питания двигателей предусмотрена сеть напряжением 380 В и частотой 50 Гц. Для аппаратуры управления предусмотрено напряжение 220 В от понижающего трансформатора. Был произведен выбор питающего электродвигатели провода ПВ3 4(1 1), проложенного в трубе. В качестве защитной аппаратуры для двигателей выбраны автоматический выключатель АЕ2026 с Ін=16 А, Ірасц=1,25 А, Ісраб=15 А и реле максимального тока РТ-40. В качестве аппаратуры управления выбран магнитный пускатель ПМЛ 1500 с Ін=10 А.
В специальной части были рассмотрены два варианта модернизации главного привода подъема. В первом варианте рассчитаны характеристики двигателей с частотным преобразователем. Во втором варианте выбран двигатель постоянного тока 2ПБ90МУХЛ4 и рассчитаны естественная характеристика, характеристика в разомкнутой системе, характеристики в замкнутой системе по скорости при изменении задающего напряжения с максимально задающего напряжения и меньше. Недостаток второго варианта заключается в том, что даже максимальная номинальная скорость двигателя постоянного тока в замкнутой системе меньше номинальной скорости асинхронного двигателя при частоте 50 Гц, что замедлит подъем-спуск груза.
Также дано подробное описание электрической принципиальной схемы управления.
Список литературы
1. Автоматические выключатели общего применения до 630 А. Справочник. М.: Информэлектро, 1996.
2. Зимин Е. Н. и др. Электрооборудование промышленных предприятий и установок. М.: Энергоатомиздат, 1981.
3. Коновалова Л. Л., Рожкова Л. Д. Электроснабжение промышленных предприятий и установок. М.: Энергоатомиздат, 2005
4. Правила устройства электроустановок. М.: Энергоатомиздат, 2011.
5. Справочник по электрическим машинам. В двух томах. Том 1 под редакцией И. П. Копылова и Б. К. Клокова. М.: Энергоатомиздат, 1998.
6. Справочник технолога-машиностроителя. В двух томах. Том 2 под редакцией А. Г. Косиловой и Р. К. Мещерякова. М.: Машиностроение, 1986.
7. Электромагнитные пускатели. Справочник. М.: Информэлектро, 1994.
8. Электротехнический справочник. В трех томах. Том 2. Электротехнические изделия и устройства. Под общей редакцией профессоров МЭИ (главный редактор И. Н. Орлов). М.: Энергоатомиздат, 2005.