Механические характеристики электродвигателя

На рис. 9 приведена кинематическая схема механизма подъема, состоящая из двигателя, редуктора и барабана, на который наматывается канат с крюковой подвеской для подъема груза. Редуктор соединен с барабаном при помощи муфты. Для осуществления безопасной работы механизмы подъема снабжаются тормозами, которые с целью уменьшения тормозного момента располагают на быстроходном валу механизма. Тормозной шкив устанавливают на полумуфте со стороны редуктора, что обеспечивает торможение барабана при срабатывании тормоза даже в случае поломки пальцев муфты.

Рис. 9. Кинематическая схема подъемного механизма

Д - двигатель; Т - механический тормоз; Б – барабан; Р - редуктор; П - полиспаст; КП - крюковая подвеска.

Статический момент механизма М_с приведенный к валу двигателя, можно представить в виде суммы двух составляющих как:

(21)

Где - момент от веса груза, не зависящий от трения (активная составляющая ); - момент от сил трения в механизме (реактивная составляющая ).

Значение определяется по формуле:

(Н∙м) (22)

В которой обозначено: и - соответственно вес грузозахватывающего устройства и груза; - диаметр барабана; - передаточное отношение механизма, равное:

(23)

Где и - соответственно передаточные отношения редуктора и полиспаста, обычно называют кратностью полиспаста.

На рис. 10 а и б цифрами 1, 2, и 3 обозначены графики зависимости от скорости соответственно для реактивной, активной составляющих и полного момента сопротивления механизма подъема. В случае, показанном на рис. 10, а и направление при подъеме и спуске груза одинаковы. В случае же , представленном на рис. 10, б, направление при подъеме и спуске груза противоположны друг другу. Характеристика 3, показанная на рис.10, а и б, отдельно изображены на рис. 11 и представляют собой типовые механические характеристики механизма подъема. Участки этих характеристик, лежащие в первом квадранте, соответствуют подъему груза, а участки, расположенные в нижней полуплоскости – спуску груза. Спуск груза называется тормозным, если (в этом случае приводная электрическая машина механизма подъема должна работать в тормозном режиме), либо силовым, если (при этом приводная машина должна работать в двигательном режиме).

Рис. 10. Пояснение механических характеристик подъемной лебедки:

а - при ; б – при

Рис. 11. Типовые механические характеристики механизма подъема

Момент от сил трения обычно не задается, однако его можно приближенно найти, если известен КПД механизма для случая подъема груза. Поскольку при подъеме знаки моментов и совпадают, то можно записать выражение:

(24)

С помощью которого получаем значение модуля момента трения

(25)

И далее, учитывая, что при спуске знаки моментов и противоположны друг другу, находим:

(Н∙м)

Где

- КПД при спуске.

Значение механизма зависит от его загрузки и уменьшается при ее снижении. На рис. 12 для различных значений номинального КПД приведены типовые зависимости от относительной загрузки механизма. Значения при разных загрузках определяются по формуле, с помощью которой можно сопоставить значения КПД при подъеме и спуске.

При высоких КПД значения и близки друг к другу, а при низких КПД разница между и становится существенной.

Рис. 12. КПД механизма при различных загрузках

Если груз небольшой, то, согласно рис. 12, . При этом значение и, соответственно, становятся отрицательными, что обусловлено превышением реактивного момента трения над активным моментом от веса груза . Таким образом, при относительно малых весах груза в механизме подъема имеет место эффект самоторможения.

Находим выражения для момента сопротивления при подъеме груза:

(Н∙м)

(Н∙м)

И при его спуске

(Н∙м)

При изменении веса груза от нуля до номинального значение момента сопротивления соответственно изменяется в определенных пределах. Области изменения при подъеме и спуске имеют характерный вид зависимости от соотношения значений и (Рис. 11).

Определим установившуюся скорость на приводном барабане:

(26)

Для определения установившейся скорости механизма необходимо учесть передаточное отношение редуктора:

(27)

Механические характеристики рассчитываются для случая

Механические характеристики для частот рассчитываются по формуле:

(28)

для случая

принимаем равным 980 Н·м;

тогда формула принимает вид:

(29)

(30)

Произведем замену:

(31)

Тогда формула примет следующий вид:

(32)

(33)

(34)

Исходя из того, что , найдем:

(35)

Теперь определим значения для нахождения рабочий частот.

1.

2.

3.

4.

По точкам рассчитываются механические характеристики для ; 0.775; 0.71; и 0.68, т.е. для частот 35.75, 37.75, 35.5, и 34 Гц. Механические характеристики изображены на рисунке 13.

Рис. 13. Механические характеристики

На рис. 13 красной линией выделен рабочий диапазон при заданной скорости.

5. Техническое задание на регулируемый электропривод

Назначение электропривода

Электропривод предназначен для регулирования приводного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором.

Электропривод обеспечивает плавный пуск и длительную работу механизма в рабочем диапазоне частот вращения, а также автоматическое регулирование заданного технологического параметра.

Применение ЭП позволяет:

· увеличить производительность механизма за счет оптимальной реализации различных требований технологического процесса;

· осуществлять энергосбережение за счет:

· оптимизации режимов работы;

· высоких энергетических показателей;

· высокого качества выходного напряжения;

· увеличить ресурс работы электрического и механического оборудования за счет отсутствия пусковых токов, механических ударов.

Требования, предъявляемые к электроприводу

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. Крановые механизмы должны быть снабжены тормозами закрытого типа, действующими при снятии напряжения. На крановых установках допускается применять рабочее напряжение до 500В, поэтому данный крановый механизм снабжен электрооборудованием на напряжение 380 В переменного тока.

Электропривод является реверсивным, диапазон регулирования скорости - 10:1 ниже номинальной скорости.

При разработке электропривода крана должны быть соблюдены следующие требования в отношении его характеристик:

· обеспечение заданной рабочей скорости механизма при статических моментах на валу при подъеме и спуске;

· возможность реверсирования;

· обеспечение минимального времени переходного процесса;

· обеспечение плавности пуска и регулирования;

· ограничение максимального значения момента стопорным значением Мстоп.

Требования, предъявляемые к защите двигателя

Используется тепловая защита двигателя, которая обеспечивается двумя способами:

· непосредственно – с помощью обработки сигналов терморезисторов, расположенных в обмотках двигателя;

· косвенно – с помощью встроенного теплового реле. Косвенная тепловая защита обеспечивается за счет непрерывного расчета теоретического нагрева двигателя

Микропроцессорная система рассчитывает теоретический нагрев двигателя на основе:

· рабочей частоты;

· тока, потребляемого двигателем;

· времени работы;

· максимальной окружающей температуры 40º вблизи двигателя;

· типа вентиляции двигателя ( естественная или принудительная).

Тепловая защита настраивается от 0.2 до 1.5 номинального тока преобразователя. Она должна соответствовать значению номинального тока двигателя, приведенного на заводской табличке

Требования, предъявляемые к электрооборудованию

Электрооборудование должно быть приспособлено для эксплуатации в следующих внешних воздействиях:

Таблица 5.1.

Условия эксплуатации

Соответствие стандартам	Стандарты промышленного оборудования (МЭК, EN), а именно МЭК/EN 61800-5-1, МЭК/EN 61800-3 (помехоустойчивость, наведенные и излучаемые помехи ЭМС)
Сертификация изделия	UL, CSA, DNV, C-Tick, NOM 117 и GOST
Степень защиты	IP 54
Вибростойкость	Двойная амплитуда 1,5 мм от 3 до 13 Гц, 1 g от 13 до 200 Гц в соответствии с МЭК/EN 60068_2_6
Ударостойкость	15 g в течение 11 мс в соответствии с МЭК/EN 60068-2-27. Удары вызванные передвижением механизмов, характеризуются интервалом частот 1 – 50 Гц и ускорением 5 м/с2; одиночные повторяющиеся удары характеризуются ускорением 30 м/с2
Макс. степень загрязнения	Степень 2 в соответствии с МЭК/EN 61800-5-
Условия эксплуатации	МЭК 60721-3-3 класс 3C1 и 3C2
Относительная влажность	От 5 до 95 % без конденсации и каплеобразования, в соответствии с МЭК 60068_2_3
осаждение пыли	из воздуха 5 г/м3 в сутки
Диапазон рабочих температур	При работе: -10 до +50 °C без уменьшения мощности До +60 °C с уменьшением мощности и с вентиляционным комплектом для карты управления При хранении: От -25 до +70°C
Максимальная рабочая высота	1000 без уменьшения мощности От 1000 до 3000 с уменьшением значения тока на 1 % для каждых следующих 100 м. Ограничена 2000 для распределительной сети с заземленной нейтралью

Требования, предъявляемые к электросети

Таблица 5.2.

Характеристики электросети

Сетевое питание	В	от 380 - 15 % до 480 + 10 %; трехфазное
Частота	Гц	От 50 -5 % до 60 + 5 %
Выходное напряжение		Максимальное трехфазное напряжение равно напряжению сети
Уровень шума преобразователя	дБА
Гальваническая развязка		Между силовыми и управляющими цепями (входы, выходы, источники)

Требования, предъявляемые к защите преобразователя частоты

Тепловая защита преобразователя частоты. Осуществляется с помощью терморезистора, установленного на радиаторе или встроенного в силовой модуль.

Тепловая защита предусматривается:

· от чрезмерного перегрева;

· силового каскада.

Также используется защита от:

· коротких замыканий между выходными фазами;

· обрыва фазы сетевого питания;

· перегрузки по току между выходными фазами и землей;

· перенапряжений в звене постоянного тока;

· обрыва цепи управления;

· превышения ограничения скорости.

Используются функции защиты от:

· повышенного или пониженного напряжения питания;

· потери фазы для трехфазного питания.

Преобразователь осуществляет интеллектуальное управление частотой коммутации в зависимости от температуры IGBT. Если возможности по току преобразователя превышены (например: величина тока больше номинального тока преобразователя при нулевой частоте напряжения на статоре), то индуцируется предупреждение и счетчик времени запускается после появления предупреждения.

Требования, предъявляемые к блокировке преобразователя частоты

Защитная функция блокировки ПЧ (Power Removal – PWR), форсирующая остановку привода или запрещающая несанкционированный пуск двигателя.

Требования, предъявляемые к системе автоматического регулирования привода

Для осуществления автоматического регулирования предусматриваются управляемые преобразователи и регуляторы, позволяющие автоматически под воздействием обратных связей осуществлять регулирование координат электропривода, в нашем случае момента и скорости.

Существенные преимущества асинхронного двигателя определяют несомненную перспективность системы ПЧ-АД.

Пост управления состоит из 3-х кнопок («Подъем», «Спуск» и «Стоп») и 3-х сигнальных лампочек («Подъем», «Спуск» и «Срабатывание защиты»). Также в него входят: вольтметр с переключателем для контроля напряжения в каждой фазе, амперметр и трансформатор напряжения для питания сигнальных ламп.

Режимы работы электропривода:

· автоматический,

· ручной;

· режим тестирования.

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.