Тележка мостового крана

С целью сохранения части  энергии, которая могла бы быть выделена на дополнительном сопротивлении ротора, были разработаны различные модификации каскадных схем. Основная идея каскадных схем состоит во введении в цепь ротора источника ЭДС, с помощью которой энергию скольжения можно рекуперировать в сеть, либо преобразовать в механическую энергию для совершения полезной работы. Различные модификации каскадных схем были созданы с целью энергетически более эффективного управления асинхронными машинами с фазным ротором.

Однако к недостаткам  каскадных схем можно отнести: невозможность  формирования момента с заданными  динамическими свойствами, а также ограниченная область устойчивости. Учитывая все вышеизложенное, широкого распространения эти системы так и не получили, например, в сравнении с частотно-управляемым асинхронным электроприводом с короткозамкнутыми двигателями даже при незначительном диапазоне регулирования скорости.

Из-за низкой энергетической эффективности такой способ регулирования угловой скорости не является эффективным и в современных электроприводах не используется. Следовательно, в электроприводе необходимо использовать асинхронный двигатель с фазным ротором.

1.3 Технические  решения по устранению недостатков

 

Для совершенствования  технологического процесса и СУ приводом перемещения тележки с целью повышения производительности подъемного крана рационально осуществить следующее:

– в связи с необходимостью в контроле большого числа параметров и достижения высокого быстродействия заменим кинематическую и релейно-контакторную схемы управления на микроконтроллерную. Для этого необходима система автоматизации на основе современных программируемых микропроцессорных технических средств с применением вычислительной техники в виде автоматизированных рабочих мест и использованием современных информационных технологий;

– для увеличения точности контроля скорости необходимо применить импульсные многооборотные датчики, которые будут установлены на приводных парах колес;

– для контроля температуры подшипников рационально использовать датчики температуры, выдающие полный спектр температуры (датчики температуры фирмы SKF);

– для привода тележки применим асинхронный двигатель с частотным регулированием скорости.

Мостовой кран является объектом первой категории, а следовательно, система управления должна иметь очень высокий уровень надежности и живучести. В ее организационную основу положен двухканальный принцип построения со взаимным контролем двух идентичных резервируемых одновременно работающих каналов, имеющих независимые привязки к ПУ. Каждый из работающих каналов подсистемы контроля движения и защиты должен содержать контроллер с соответствующим набором модулей ввода – вывода, датчик путевой информации. Система СКХЗ должна функционировать таким образом, чтобы сигнал на срабатывание предохранительного тормоза формировался подсистемой контроля движения и защиты тогда, когда хотя бы в одном из ее каналов зафиксировано событие превышения заданной скорости.

Благодаря построению на программируемых технических средствах, система СКХЗ имеет высокий уровень  универсальности, обеспечивающий возможность  ее применения для автоматизации различных ПУ в машиностроении, а так же ПУ других отраслей промышленности (горнорудной, металлургической, ШПУ и др.).

 

 

1.4 Постановка задач на проектирование

 

На основании анализа  технологического процесса и системы  управления формируются следующие задачи дипломного проектирования:

- произвести замену используемого двигателя постоянного тока на асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором;

- разработать систему управления асинхронным двигателем с параметрами заданными в техническом задании;

- разработать систему контроля хода и защиты от аварийных ситуаций;

- обеспечить минимальные затраты на установку новой системы управления путем возможного минимального изменения уже существующей – т.е. без изменения общей структуры подъемного крана;

- обеспечить минимальную сложность технической реализации системы управления, а также применять в системе управления, серийно выпускаемые компоненты;

- проанализировать аварийные ситуаций и разработать схемы блокировок и защит для обеспечения безаварийной работы. Разработать блок-схемы алгоритмов работы.

 

2 КОНСТРУКТОРСКАЯ ЧАСТЬ

 

2.1 Выбор частотного преобразователя привода перемещения тележки мостового крана

 

Недостатком АД с фазным ротором, который подключается напрямую к сети, являются большие  пусковые токи, ограниченный момент, затруднительность регулирования скорости вращения.

В настоящее  время все вышеперечисленные  недостатки можно решить, управляя двигатель частотным преобразователем. Рассмотрим преимущества регулирования  двигателя с короткозамкнутым ротором  с помощью частотного преобразователя. Управление частотным преобразователем позволяет:

- уменьшить  пусковые токи;

- снизить расход  электроэнергии;

- осуществить  плавный запуск и управление  технологическим процессом, что  приводит к более высокой производительности  и более быстрому запуску и регулированию скорости;

- широкий диапазон  управления скоростью;

- низкие требования  по обслуживанию;

- сравнительно  небольшие капиталовложения;

- высокая надежность  и управляемость;

- быстрая самоокупаемость.

Подавляющее большинство  рабочих механизмов требует от электродвигателей изменения частоты вращения его вала в процессе работы в соответствующих пределах. В настоящее время невозможно добиться высокой производительности и качества труда без регулирования частоты вращения. При частотном регулировании стремятся так воздействовать на двигатель, чтобы его механические характеристики обеспечивали требуемую перегрузочную способность и жесткость во всем диапазоне изменения частоты вращения вала. Этим добиваются высокой стабильности частоты вращения и увеличения диапазона регулирования.

Применение  регулируемых электроприводов может  обеспечить:

• повышение качества продукции и эффективности технологического процесса;
• повышение объема выпускаемой продукции и производительности;
• равномерность ведения и возможность автоматизации технологического процесса;
• бесступенчатое регулирование скорости в зависимости от технологического процесса;
• улучшение динамики работы электропривода, что ведет к снижению износа механических звеньев и увеличению срока службы.

По сравнению  с регулируемыми приводами постоянного  тока частотно-регулируемые электроприводы позволяют сократить расходы  на эксплуатацию, поскольку основаны на применении асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором, основными  преимуществами которых являются:

• малые габариты и масса;
• простота и надежность конструкции (объектом обслуживания являются только подшипники);
• высокий уровень международной унификации и стандартизации.

Пусковые токи и токовые перегрузки двигателя  при питании его от преобразователя частоты существенно снижаются. Пусковой ток может устанавливаться на уровне (1,1... 1,5) I_HOM.

Преобразователи частоты обеспечивают следующие (основные) защиты:

• короткого замыкания;
• перегрузки;
• повышения напряжения  в цепи постоянного тока;
• снижения напряжения в цепи постоянного тока;
• обрыва фазы питающего напряжения;
• перегрева радиаторов силовых элементов;
• перегрева двигателя;
• замыканий на землю силовых цепей;
• сбоя в микропроцессорной системе.

Срабатывание  любой защиты приводит к отключению электропривода. Информация о срабатывании какой-либо из защит передается на алфавитно-цифровой дисплей панели управления, расположенный непосредственно на преобразователе, а также на пульт дистанционного управления, обеспечивая быстрый поиск и устранение неисправности.

Рассмотрим более подробно систему  регулирования скорости тележки. Входным  параметром подсистемы регулирования  скорости является напряжение эквивалентное  заданной скорости перемещения тележки, а в качестве обратной связи используется код с измерительного преобразователя скорости, эквивалентный фактической частоте вращения приводного колеса. Построенная таким образом система управления позволяет полностью реализовать алгоритм регулирования скорости тележки.

На основании  структурной схемы и алгоритма  функционирования разработана принципиальная схема регулирования скорости перемещения тележки (см. рис. 2.1). Для управления двигателя с фазным ротором привода тележки мостового крана необходимо применить частотный преобразователь Altivar71 фирмы Schneider Electric. Частотный преобразователь выбирается, исходя из требований мощности, режимов работы, контроля скорости. Выбранный преобразователь частоты имеет шестипульсное питание.

Технические характеристики:

Питающее напряжение:                           U=380 В.

Номинальный ток:                                     I=690 А.

Максимальный  ток:                                   I_max=838 А.

Частота питающей сети:                            f=50-60 Гц.

Мощность:                                                   Р=55 кВт.

КПД:                                                             η=0,98.

Габаритные  размеры:                                 1500×2000×600 мм.

Вес:                                                               800 кг.

 

Рисунок 2.1 - Принципиальная схема регулирования скорости перемещения тележки

 

Управляющие сигналы  на преобразователи частоты Altivar 71  вращения электроприводов поступают от программируемого контроллера Simatic S7-300. Сигналы задания скорости подачи трубы в индуктор передаются на частотные преобразователи через аналоговый модуль вывода ADD1 SM332 поканально (канал 0 – PQW 1, канал 1 – PQW 2, канал 3 – PQW 3). Сигналы управления направлением движения, останова и сброса ошибки вводятся с помощью цифрового модуля вывода DD1 SM322.

 

 

2.2 Расчет разрешающий способности и выбор датчиков

 

Большинство величин, характеризующих  технологических процессы, имеют  неэлектрических характер: температура, скорость, ускорение, расстояние и т.д. Поэтому в автоматических системах контроля и управления применяют разнообразные преобразователи неэлектрических величин в электрические сигналы. Главным элементом измерительного преобразователя является датчик. Важнейший параметр датчика – динамическая чувствительность К, которая равна отношению изменения выходной величины ΔY датчика к изменению входной величины ΔХ. Кроме достаточной чувствительности, датчик должен обеспечивать необходимую точность преобразования в заданном диапазоне изменений входной величины, обладать достаточным быстродействием (быть без инерционным), не оказывать заметного обратного влияния на регистрируемую величину.

Для контроля технологического процесса и определения, основных технико-технологических  параметров будем использовать аппаратуру (датчики, промышленный контроллер) фирмы Siemens. Это делается, исходя из требований точности и надежности. Фирма Siemens в настоящее время считается одним из лучших производителей электронно-измерительной аппаратуры. Достоинством аппаратуры фирмы Siemens является высокая точность, надежность, помехоустойчивость, возможность реализации очень сложных алгоритмов управления, не требуют согласующей аппаратуры при взаимодействии друг с другом, использование которой может привести к снижению точности. Основной недостаток – высокая цена.

Проведем расчет и  выбор датчика скорости.

Для контроля скорости движения главного подъёмника необходимо выбрать  датчик скорости.

Рассчитаем период дискретности:

 

 мс; (2.1)

 

где - ошибка по положению;

- допустимое ускорение двигателя.

 

Датчик определяет скорость двигателя, которая задается тиристорным преобразователем частоты. Время коммутации тиристоров составляет 3,3 мс. Для устойчивости система период дискретности должен быть Т₀=4 мс.

Диапазон регулирования  скорости:

 

; (2.2)

 

где d – цена дискреты. d=0,001,

ω – скорость двигателя.

.

Максимальная  разрешающая способность датчика:

 

.                   (2.3)

 

Определим количество разрядов для задания кода положения:

 

 разрядов. (2.4)

 

Выбираем кодовый  многооборотный датчик типа 6FX2 001-KF10-F006.

Исходя из технико-технологических  особенностей, необходимо применить 2 датчика скорости.

Выбор датчиков температуры.

Датчики выбираются из условия контроля требуемой температуры. Для контроля температуры подшипников применим датчики температуры типа CMSS 2310. Датчик устанавливается на корпусе каждого подшипника в радиальном направлении. Их встроенная электронная часть рассчитана на большие вибрационные и ударные перегрузки. Датчики имеют герметический корпус. Применяя эти датчики, появляется возможность произвести непрерывный мониторинг. При этом сигнал с датчиков поступает на монитор SKF МСМ. Монитор программируется на заданные предельные уровни температуры. На передней панели каждого монитора имеются сигнальные светодиоды, которые показывают уровень сигнала, повреждение в сети датчика, перегрузку. Монитор имеет пропорциональный температуре сигнал 0-12 В. Этот сигнал может быть передан на микроконтроллер СУ. Выбираем монитор типа CMSS672-CPHD-04.