Типовой электропривод: Методические указания и контрольное задание

Министерство образования Российской Федерации Дальневосточный государственный технический университет им. В.В. Куйбышева

Типовой электропривод Методические указания и контрольное задание для студентов специальности 100400 заочного отделения

Владивосток 2002

Одобрено научно-методическим советом ДВГТУ УДК 62-83 (075.8) Настоящие указания содержат перечень основных вопросов программы курса " Типовой электропривод", список литературы и задания на контрольную работу с методическими указаниями. Указания предназначены для студентов специальности 100400 “Электроснабжение”. Составитель Л. И. Токмакова, канд. техн. наук, доцент кафедры автоматического управления техническими системами. Печатается с оригинал-макета, подготовленного автором.

Корректор Л.В. Яриш Техн. редактор Н.М. Белохонова Лицензия № 020466 от 04.03.97 г. Подписано в печать . Формат 60x84/16. Печать офсетная. Усл. печ. л. 0,93. Уч.-изд. л. 0,81. Тираж 100 экз. Заказ . Издательство ДВГТУ, 690950, Владивосток, Пушкинская, 10 Типография издательства ДВГТУ, 690950, Владивосток, Пушкинская, 10

© Л.И. Токмакова, 2002 г. © Изд-во ДВГТУ, 2002 г.

Введение Типовые производственные механизмы являются основными механизмами множества разновидностей производственных установок. К их числу относятся подъёмные краны, экскаваторы, пассажирские и грузовые подъёмники, промышленные манипуляторы и роботы, канатные дороги , эскалаторы, различные конвейеры, насосы, земснаряды, вентиляторы и т.п. Они являются основными средствами механизации и автоматизации различных производственных процессов и в значительной степени своим техническим совершенством определяют уровень промышленного производства и производительность труда. Функции и задачи, возлагаемые на типовые производственные механизмы, обуславливают большое разнообразие их электроприводов. Поэтому изучение вопросов электропривода и автоматизации этих механизмов, которые составляют содержание данного курса, имеет существенное практическое значение. В результате изучения данного курса студент должен уметь для каждого из типовых производственных механизмов дать сведения о технологическом процессе, кинематической схеме, рассчитать мощность приводного двигателя, сформулировать требования к электроприводу, рекомендовать выбор системы электропривода, рассчитать статические и динамические характеристики электропривода, ориентироваться в типовых схемах управления, т.е. выбирать, проектировать, налаживать и эксплуатировать системы электроприводов промышленных установок в различных отраслях народного хозяйства. Данный курс основывается на курсе " Автоматизированный электропривод" и является в большой мере базой для дипломного проектирования. По действующим учебным планам студенты должны выполнить одну контрольную работу, пройти лабораторный практикум и сдать зачет. Перед выполнением контрольной работы необходимо изучить соответствующие разделы курса, ориентируясь на рекомендуемую литературу. Вариант задания должен соответствовать шифру, присвоенному фамилии студента. Графики и чертежи рекомендуется вычерчивать на миллиметровой бумаге.

3

ТЕМА 1. АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД КРАНОВ Основные типы кранов. Требования, предъявляемые к электроприводу кранов. Типовая аппаратура управления и защиты, подъёмные электромагниты, управление ими. Противоугонные устройства. Синхронизация хода мостовых опор. Вопросы техники безопасности. Обзор применяемых систем электропривода. Контроллерное управление электроприводами переменного и постоянного тока механизмов подъема и перемещения. Схемы магнитных контроллеров. Анализ типовых схем управления кранами на переменном и постоянном токе. Основные направления развития кранового электропривода, перспективы применения силовой полупроводниковой техники. Методические указания Особое внимание следует уделить применяемым на кранах системам электропривода, схемам контроллерного и контакторного управления и получению специальных характеристик электродвигателей при тормозном и силовом спусках. Рекомендуется тщательно изучить схемы и характеристики при работе магнитных контроллеров типов ККП, ПС, ПСА, КС, ТС, ТСА для каждого положения. Необходимо уяснить нагрузочные диаграммы работы механизмов крана, методы расчета мощности двигателя, перспективы развития кранового электропривода. Литература [1], [2], [3]. Вопросы для самоподготовки 1. Объясните понятия “силовой спуск” и “тормозной спуск” и укажите области их применения. 2. Как определяются статические нагрузки при подъёме и спуске грузов и при горизонтальномперемещении механизма? 3. Как построить нагрузочную диаграмму при подъёме и спуске грузов (силовом и тормозном) с учетом динамических моментов? 4. Объясните устройство отдельных видов крановой аппаратуры ( контроллеров, крановых защитных панелей, противоугонных устройств, конечных выключателей, тормозных устройств). 5. Проанализируйтеразвёрнутые схемы соединения и соответствующие характеристикидля нескольких положений контроллеровтипов ТС, КС, ТСА. 6. Объясните работу схемы управления крановыми двигателями с применением тиристорногопреобразователя. 4

ТЕМА 2. АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙЭЛЕКТРОПРИВОД ПОДЪЁМНИКОВ Основные виды подъёмников. Требования, предъявляемые к электроприводам лифтов. Выбор скорости, ускорения и рывка. Требования безопасности, ловители, блокировки, обеспечение точности остановки. Обзор применяемых систем электропривода. Расчет мощности двигателя подъёмника. Типовые схемы управления тихоходными лифтами. Схемы управления быстроходными и скоростными лифтами. Схемы с бесконтактными датчиками. Схемы управления шахтными подъёмниками. Основные направления развития электроприводаподъемников. Методические указания Основное внимание должно быть уделено расчету мощности двигателя подъёмника, вопросам обеспечения плавности работы, точности остановки. Следует изучить типовые схемы управления подъёмниками. Литература [1], [2], [3]. Вопросы для самопроверки 1. Какие требования предъявляют к электрооборудованию подъёмников? 2. Как определяют мощность двигателя подъёмника? 3. Какие типы электроприводовприменяются для подъёмников? 4. Как работает схема управления тихоходным лифтом? 5. Каково назначение, устройство и принцип действия специальной аппаратуры: этажных реле, ловителей, контактов пола, дверных контактов? 6. Как осуществляетсяточная остановка кабины подъёмника? 7. Какая бесконтактная аппаратура применяется для быстроходных подъёмников? ТЕМА 3. АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД ВЕНТИЛЯТОРОВ, НАСОСОВ, КОМПРЕССОРОВ Краткие сведения о конструкции насосов, вентиляторов и компрессоров, их характеристики. Определение статических нагрузок и выбор двигателей. Регулирование подачи механизмов с вентиляторным моментом. Электропривод установок с постоянной скоростью вращения, электропривод с асинхронными и гидравлическими муфтами. Регулируемый электро5

привод переменного тока. Общие рекомендации по выбору электропривода насосных, вентиляционных и компрессорных установок. Автоматизация работы насосных, вентиляторных, компрессорных станций. Дистанционное управление. Основные направления развития электроприводов насосов, вентиляторов и компрессоров. Методические указания При изучении этой темы следует ознакомиться с принципом работы различных типов компрессоров, насосов и их каталожными данными. Особое внимание следует уделить вопросу регулирования подачи, изучению схем автоматического управления этими установками, конструкции применяемых аппаратов, автоматическому включению резервных агрегатов. Литература [1], [2]. Вопросы для самопроверки 1. Как устроены компрессоры, насосы, вентиляторы? 2. Как определяют мощность электродвигателя для компрессора, насоса, вентилятора? 3. Какие типы электродвигателей применяют для компрессоров, насосов, воздуходувок, вентиляторов? 4. Объясните способы регулирования подачи компрессоров, воздуходувок, насосов. 5. Работа схем управления. 6. Какова зависимость между производительностью (подачей), напором, мощностью и скоростью вращения центробежного насоса? 7. Начертите характеристику центробежного насоса. 8. Объясните принцип действия и устройство поплавкового реле, реле уровня, струйного реле, реле давления. 9. Какие применяют способы заливки и способы пуска насосных агрегатов? ТЕМА 4. АВТОМАТИЗАЦИЯ ПОТОЧНО-ТРАНСПОРТНЫХ СИСТЕМ Преимущества непрерывного транспорта. Классификация механизмов непрерывного транспорта: конвейеры, канатные дороги, эскалаторы, многокабинные подъемники. Их устройство и техническая характеристика. Основные требования к системам электропривода. Обзор применяемых систем электропривода. Вопросы техники безопасности. Диаграмма натя6

жений тягового органа. Выбор места установки двигателя. Выбор мощности электродвигателя механизмов непрерывного транспорта. Схемы автоматического управления. Согласование вращения нескольких двигателей конвейеров. Дистанционное управление группой конвейеров. Блокировки и сигнализация. Диспетчеризация и автоматизация управления участков, где основным оборудованием является конвейер. Схема управления электроприводом эскалатора. Основные направления развития электроприводов механизмов непрерывного транспорта. Методические указания В этой теме особое внимание должно быть обращено на определение статических нагрузок для приводов транспортеров и конвейеров и выбор месторасположения приводных электродвигателей при многодвигательном приводе. Следует изучить управление сложными технологическими потоками с применением поточно-транспортных систем (ПТС). Необходимо ознакомиться с электрооборудованием и схемами управления эскалаторов и канатных дорог. Литература [1], [2]. Вопросы для самопроверки 1. Как строится диаграмма тяговых усилий конвейера? 2. Как определяют мощность приводного двигателя для транспортеров и конвейеров? 3. Как выбирают и размещают электродвигатели на конвейере с несколькими приводными станциями? 4. Как работает схема согласованного вращения нескольких двигателей конвейеров? 5. Как осуществляются блокировки в схемах управления механизмами непрерывного транспорта? 6. Как осуществляется управление электродвигателем канатной дороги с рекуперациейэнергии и динамическим торможением? 7. Какие блокировки применяют в схемах пуска электроприводаэскалаторов? ТЕМА 5. АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД ЭКСКАВАТОРОВ Одноковшовые экскаваторы. Основные типы экскаваторов. Требования, предъявляемые к электроприводу экскаваторов и обзор применяемых систем. Электроприводы экскаваторов с электромашиной, магнитной и 7

полупроводниковой автоматикой. Электроприводы механизмов экскаваторов со статическими управляемыми преобразователями. Основные направления развития электроприводов экскаваторов. Методические указания В этой теме следует уяснить конструкции рабочего оборудования экскаваторов и их нагрузочные диаграммы. Необходимо изучить методы получения экскаваторных характеристик: в системе электропривода генератор-двигатель - ЭМУ и МУ, в системе тиристорный преобразовательдвигатель, трёхобмоточный генератор-двигатель. Следует также ознакомиться с методами расчета и выбора мощности электродвигателей главных рабочих механизмов (поворотного, подъемного и напорного). Литература [1], [2]. Вопросы для самопроверки 1. Объясните схему работы экскаваторов типов "механическая лопата" и "драглайн". Начертите нагрузочные диаграммы их рабочих механизмов. 2. Объясните принципиальные схемы систем с ТГ-Д, ГД с ЭМУ и МУ, ТП-Д, процесс получения токов стопорения и отсечки в этих системах и их регулирование. 3. Как определяется мощность двигателей механизмов напора, подъема, поворота экскаваторов?

8

Варианты заданий

9

№ варианта

Номинальная грузоподъемность, mном, кг

Номинальная скорость кабины, vном, м/с

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

320 500 320 1000 500 1600 500 2000 1000 3200 100 5000 500

0,71 0,5 1 0,5 1 0,36 1,4 0,5 1 0,5 1,4 0,25 0,5

Таблица 1.

Число этажей, N

Высота между этажами, hэ, м

Диаметр канатоведущего шкива, Dк.ш., мм

Передаточное число редуктора, iр

Номинальный КПД лифта, η Л . НОМ

Масса кабины, mо, кг

9 12 16 12 16 14 16 6 16 5 16 4 8

4 3,5 3,5 4 4 3 4 4 4 5 4 6 4

800 500 800 500 930 500 930 700 950 700 950 700 600

50 50 40 25 45 35 35 35 45 35 35 35 59

0,6 0,6 0,55 0,55 0,6 0,52 0,63 0,54 0,58 0,53 0,6 0,52 0,58

550 735 550 1210 810 1310 810 1730 2310 2120 1330 3190 1200

Максимально допустимое ускорение и замедление, а доп , м / с 2 1,5 1,6 1,7 1,8 1,6 1,7 2 1,8 1,5 1,6 2 1,7 1

Число циклов в час Nц

40 50 60 65 24 30 35 60 25 30 40 50 60

Контрольная работа Задача 1 1) Выбрать асинхронный двигатель с фазным ротором для грузового лифта с двухкольцевой подъемной лебедкой, кинематическая схема которой представлена на рис. 1. 2) Вычертить схему управления лифтом и дать ее описание. Технические данные лифта взять в соответствии с вариантом в табл. 1: скорость - v ном , м/с; диаметр канатоведущего шкива - DК.Ш, м; передаточное число редуктора - i р; масса кабины - m0, кг; масса номинального груза - mном , кг; коэффициент уравновешивания - α; КПД лифта с учетом трения в направляющих - ηл.ном; требуемое ускорение при пуске - aдоп , м/с2. Цикл работы: подъем номинального груза, пауза, спуск пустой кабины, пауза. Число циклов в час- N ц, высота между этажами- h э, м и число этажей- N.

Рис. 1. Кинематическая схема двухконцевой подъемной лебедки: Д - двигатель; Т-тормоз; Р - редуктор; КШ- канатоведущий шкив; К – кабина; Пр - противовес; УК- уравновешивающий канат

10

Методические указания к задаче 1 Мощность электродвигателя определяется на основании среднеквадратичного момента нагрузки МСК (с учетом цикличности работы объекта) и скорости приводного вала редуктора ω p . P = M CK ⋅ ω P ⋅ 10 −3 , кВт . Если действительная продолжительность включения двигателя ПВД отличается от стандартной, то требуемая мощность РТр приводится к мощности при стандартном ПВСТ: P Tp = P ⋅

ПВ Д ПВ СТ

.

По каталогу выбирается двигатель с мощностью Ркат = РТр· К3, где К3 коэффициент запаса, учитывающий динамические нагрузки; ωР =

2 ⋅ v ном ⋅ i p D КШ

, с −1 .

Момент нагрузки на валу двигателя зависит от результирующего усилия на канатоведущем шкиве, определяемого разностью натяжений ветвей подъемного каната (рис. 1). Fрез = F1 – F2 . С учетом сил трения в направляющих кабины F’Тр и противовеса F’’Тр, а также веса 1м подъемного каната qк ′ , H; F1 = G + G 0 + q к ⋅ x ± FTp ′′ , H . F2 = G пр + q к ⋅ ( H − x ) ± FTp

Приведенный к валу двигателя статический момент M Cт =

(G + q к ⋅ (2 ⋅ x − H ) − α ⋅ G ном ) ⋅ D КШ +M / Tp , H ⋅ м 2 ⋅ ip

с учетом G пр = G 0 + α ⋅ G ном , H , где α - коэффициент уравновешивания. 11

При малой высоте подъема q к = (2 ⋅ x − H ) ≈ 0 . Тогда при подъеме номинального груза (G = G ном) и пустой кабины (G = 0) статический момент можно определить с помощью соотношений: М Ст1 = М гр + М Тр =

(1 − α) ⋅ G ном ⋅ D КШ ; 2 ⋅ i P ⋅ η л.ном

М Ст2 = − М гр + М Тр = −

α ⋅ G ном ⋅ D КШ ⋅ η л.ном , 2 ⋅ iP

где ηл.ном - КПД подъемной установки с учетом трения в направляющих при номинальной нагрузке. Статический момент при спуске М Ст1 = М гр − М Тр =

(1 − α) ⋅ G ном ⋅ D КШ ⋅ η л.ном ; 2 ⋅ iP

М Ст 2 = − М гр − М Тр = −

α ⋅ G ном ⋅ D КШ . 2 ⋅ i P ⋅ η л.ном

Если цикл состоит из подъема номинального груза и спуска пустой кабины, то М Ск =

М 2 Ст1 ⋅ t p1 + M 2 Cт 2 ⋅ t p 2 t p1 + t p 2

,

где tp1 и tp2 – соответственно время работы двигателя при подъеме и спуске (при торможении двигатель отключается от сети и накладывается механический тормоз). tp1 = tp2 = tуст + tn , с, где tуст – время движения с установившейся скоростью. t уст =

Н уст v ном

,

где Нуст – путь, проходимый лифтом с установившейся скоростью, м.

12

Н уст = Н − 2 ⋅

v ном ⋅ t n , м, 2

где tn - время пуска и торможения при заданном ускорении адоп tn = tT =

v ном . а доп

Время цикла tц =

3600 . Nц

Действительная продолжительность включения ПВ Д =

t p1 + t p 2 tц

⋅ 100% .

При расчете мощности принять коэффициент запаса КЗ=(1,1÷1,5). В расчетах учесть, что G = m ⋅ g = m ⋅ 9,81, H . Задача 2 Для данного варианта типа и положения кранового контроллера вычертить фрагмент принципиальной схемы и диаграмму механических характеристик двигателя с этим контроллером. Рассчитать характеристику двигателя для заданного положения контроллера. В качестве двигателя взять двигатель, выбранный по задаче 1. Методические указания к задаче 2 Для типовых крановых контроллеров в литературе приводятся диаграммы механических характеристик для различных положений в относительных единицах. Во-первых, следует представить диаграмму в абсолютных единицах, учитывая, что i * =

I I ном

, M* =

ω M , ω* = , и имея данные выбранного в M ном ω0

задаче 1 двигателя.

13

Чтобы построить характеристику для заданного выбранного положения контроллера, сначала следует определить сопротивление в роторной цепи по положению этой характеристики в диаграмме. Тип и позиция контроллера Вариант

ТС

1

1П

2

2П

3

3П

4

1С

5

2С

6

3С

7

4С

ТСА

8

2П

9

3П

10

1С

11

2С

КС

12

2П

13

2С

Таблица 2. ККТ-65А

14

3П

15

4П

Примечание: обозначение 2П – положение контроллера 2 на подъем; 3С – положение 3 на спуск Это можно сделать графическим способом. При Мном падение скорости на естественной характеристике пропорционально внутреннему сопротивлению ротора (R р). Таким образом можно определить масштаб сопротивления, умножив который на величину отрезка от горизонтали до заданной характеристики на той же вертикали (Мн) можно вычислить величину сопротивления роторной цепи на данной характеристике.

14

Рассчитать и построить требуемую характеристику можно либо по уравнению Клосса M=

2⋅M , S SK + SK S

либо по точкам, взятым с естественной характеристики, используя выражение S u = Se ⋅

R p + R доб R доб

.

Фрагмент принципиальной схемы для заданного положения контроллера не включает те цепи, которые на данном положении контроллера не функционируют. Например, в положении контроллера «Вперед» остается разомкнутой цепь контактора « Назад» и др. Поэтому вычерчивается цепь только для контактора «Вперед» и т. п. Схемы управления электроприводами подъёма магнитными контроллерами с панелями типов ТС, ТСА и КС построены по одному принципу с небольшими отличиями. Так, в панели типа ТС не предусмотрены автоматические выдержки времени между отдельными позициями контроллера, как это сделано в панелях ТСА и КС. В панели КС цепи управления выполнены на постоянном токе, а защитные аппараты, включая линейный контактор, рубильник, максимальное реле, предохранители, находятся непосредственно на панели, и защита является индивидуальной. А в электроприводах с панелями ТСА используется защитная панель. Схемы электроприводов с такими панелями обеспечивают пуск двигателя в несколько ступеней, реверсирование, торможение и ступенчатое регулирование скорости на реостатных характеристиках. На положениях спуска регулирование скорости производится в режиме противовключения. У панели ТСА добавляется режим однофазного торможения, переход в который осуществляется при отключении одной фазы питания. В ряде современных панелей этот режим заменён на режим динамического торможения, который получается подачей в статор выпрямленного (постоянного) тока. Использование этих режимов расширяет возможности регулирования скорости спуска легких и средних грузов. Для получения больших скоростей спуска в зависимости от массы груза двигатель работает либо в двигательном режиме (при силовом спуске), либо в режиме рекуперативного торможения ( при тормозном спуске). Электропривод переводится в режим противовключения не только при опускании грузов, но и при торможении с положений спуска. 15

Крановый контроллер типа ККТ-65А относится к типу силовых контроллеров, силовые контакты которых рассчитаны на переключение силовых цепей двигателя и замыкаются и размыкаются в последовательности, определяемой диаграммой замыкания в зависимости от положения рукоятки контроллера. В схеме контакты силового контроллера обеспечивают реверс двигателя, регулирование сопротивлений, управление релейноконтакторной аппаратурой, обеспечивающей характеристики с динамическим торможением, и аппаратами на защитной панели. В режиме подъёма схема обеспечивает пять реостатных характеристик, используемых, в основном, для плавного разгона двигателя. В направлении спуска двигатель переводится в режим динамического торможения с самовозбуждением. При этом в статор двигателя подаётся выпрямленный ток ротора. При подъёме и спуске предусматривается автоматический пуск под контролем реле времени. Режим динамического торможения реализуется на всех положениях спуска, кроме последнего, на котором двигатель работает от сети с минимальным невыключаемым сопротивлением в роторе. При остановке привода со спуска в ряде схем в течение определенной выдержки времени осуществляется динамическое торможение, что необходимо для облегчения работы тормоза. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Ключев В.И., Терехов В.М. Электропривод и автоматизация общепромышленных механизмов: Учебник для вузов. - М.: Энергия, 1980. 360 с. 2. Соколов М.М. Автоматизированный электропривод общепромышленных механизмов: Учебник.-М.: Энергия, 1976.-188 с. 3. Яуре А.Г., Певзнер Е.М. Крановый электропривод: Справочник. М.: Энергоатомиздат, 1988. –344 с. 4. Алиев И.И. Справочник по электротехнике и электрооборудованию: Учеб. пособие для студ. вузов.-М.: Высш. шк., 2000.-255с.

16