ВСТУП

Істотна роль в підйомно-транспортних і інших операціях належить устаткуванню крану, незамінному при підйомі і переміщенні вантажів в цехах і портах, на складах і будівельних майданчиках, при виконанні різних монтажних операцій. Основна маса кранів безпосередньо не бере участь у виготовленні продукції. Проте, забезпечуючи заданий технологічний процес доставкою сировини і напівфабрикатів, здійснюючи транспортування готової продукції, сприяючи монтажу різного(технологічного устаткування), крани представляють дуже важливу ланку того або іншого процесу, що нерідко визначає продуктивність основної технологічної лінії.

Модернізація систем управління електроприводу механізмів кранів полягає в заміні існуючих релейно-контакторных систем управління з реостатним методом регулювання на систему частотного управління, що передбачає безконтактне плавне регулювання швидкості в широкому діапазоні при високому рівні енергозбереження, отримання малих(доводочных) швидкостей, що забезпечують необхідну точність установки, збереження вантажу, підвищення продуктивності, зменшення кількості технічних обслуговувань і ремонту як електричної, так і механічної частин крану, скорочення витрати змінно-запасних частин і, відповідно, простоїв устаткування. Зробити оцінку впроваджуваного устаткування в грошовому еквіваленті в порівнянні з витратами на продовження термінів служби старих діючих систем допомагає техніко-економічне обгрунтування.

У області електроустаткування крану сьогодні відбувається масовий перехід на частотно-керовані короткозамкнуті електродвигуни. Застосування частотного електроприводу, радіоуправління, реєстраторів параметрів, системи «Розумний кран» не лише спрощують управління і обслуговування, але і дозволяють отримувати інформацію про фактичний стан крану. Робиться розробка елементів систем електроустаткування крану різної міри складності, від перевірених часом релейно-контакторных схем до складних систем, орієнтованих на використання останніх технічних досягнень виробників електроустаткування світового рівня. Також мають високу ефективність і їх готові системні рішення електроустаткування крану.

Надзвичайно важливою є модернізація електроустаткування крану. Якщо модернізований кран відпрацював нормативний термін служби, то для збільшення терміну його експлуатації встановлюється система електроприводу з перетворювачем частоти. Це дозволяє зменшити динамічні навантаження на металоконструкцію за рахунок плавності розгону і гальмування, а також здійснювати уповільнене опускання вантажу і його переміщення в горизонтальній площині. Ця система електроприводу дає можливість регулювати швидкість в усьому діапазоні, як з номінальним вантажем, так і без вантажу.

На сьогодні вирішені такі найважливіші завдання, як вибірковість в регулюванні швидкості двигунів змінного струму з короткозамкнутим ротором, можливість роботи двигунів з короткозамкнутим ротором в чотирьох квадрантах, збільшення комутаційної здатності приводу, синхронізація частоти обертання при багаторуховому приводі, зменшення весогабаритных характеристик електроприводу.

1 Загальна частина

1.1 Опис технологічного процесу об'єкту, призначення

Мостовий електричний однобалочний кран є вантажопідйомною машиною, що пересувається по рейках на деякій відстані від землі(пола) і що забезпечує переміщення вантажу в трьох взаємно перпендикулярних напрямах. Кран призначений для виконання підйомно-транспортних операцій у виробничих цехах, машинних залах і котельних відділеннях електростанцій і інших спорудах. В якості вантажозахватних органів служать вантажні крюки.

Кран виготовляється для груп класифікації за ІСО 4301/1 ЗА, яка характеризується великими перервами в роботі, рідкісною роботою з номінальним вантажем, малими швидкостями і 5 А, яка характеризується роботою з вантажами різної величини, середніми швидкостями руху і середнім числом включень в годину.

Кран виготовляється для роботи на ливарному дворі доменної печі і відповідає виконанню У і категорії 1 ГОСТ 15150-69 в частині дії кліматичних чинників зовнішнього середовища.

Кран не призначений для роботи у вибухонебезпечному, хімічно активному і пожежонебезпечному середовищі, а також для транспортування людей, вибухових, отруйних і тому подібне вантажів.

1.2 Основні технічні дані і характеристики крану

1.2.1 Опис конструкції крану

Кран (дивися рисунок 1.1) має дві основні частини: міст і візок. Міст складається з металевої конструкції, механізму пересування, за допомогою якого кран переміщається уздовж підкранового шляху, кабіни управління і люльки. Візок складається з рами, механізмів головного і допоміжного підйомів і механізму пересування, за допомогою якого візок пересувається по рейках і що направляє уздовж моста.

1. Міст, 2.Механічне пересування моста, 3. Рама, 4.Механізм головного підйому, 5.Механізм пересування візка, 6.Механізм допоміжного підйому, 7. Крюк.

Рисунок 1.1 – Загальний вигляд мостового крану

Токоподвод до візка здійснюється за допомогою гнучкого кабелю.

Облаштування складових частин крану.

Металева конструкція крану складається з однієї головної(пролітною) балки і двох кінцевих(поперечних) балок, коробчатого перерізу, настилів і перилових обгороджувань. На верхньому поясі головної балки встановлені подтележечный рейка і напрямна, по яких пересувається візок крану. Простір усередині головної балки використовується для розміщення електроустаткування (L більше 25 м) і проходу від одного кінця балки до іншого. Входом у балку служать отвори в стінках балки. На кінцевих балках по торцях з двох сторін кріплять метельники для скидання предметів, що випадково потрапили на підкранову рейку, і гумові буфера сили удару крану, що служать для поглинання, при наїзді на тупикові упори.

Механізм пересування крану має роздільний привід і складається з наступних основних вузлів: ходових коліс, передатного пристрою, гальма і електродвигуна.

Передатний пристрій складається з циліндричного горизонтального двоступінчатого редуктора, зубчастої муфти і трансмісійного валу.

Кран має 4 двухребордных колеса, з яких 2, приводних. Колеса встановлюються за допомогою знімних букс на кінцевих балках.

Кабіна управління крану є зварною конструкцією, виконаною з тонколистового прокату. Для застекленения застосований сталинит товщиною 6 мм Кабіна обладнана стаціонарним сидінням для кранівника і кондиціонером. Є можливість регулювання положення сидіння по висоті і в горизонтальній площині. Поміщена кабіна посередині прольоту крану під майданчиком і сполучається з нею сходами. У кабіні розташовуються прилади управління краном.

Для обслуговування головних троллейных дротів і струмоприймачів до настилів кріпиться люлька, яка є майданчиком з периловим обгороджуванням, і повідомляється сходами з настилом крану.

Рама візка є зварною конструкцією з балок коробчатого і двотаврового перерізу, зашиту листами у верхній горизонтальній площині.

Для кранів великих (зверху Н/h=26/28 м) висот підйомів для можливості транспортування по залізниці рама виконана роз'ємній конструкції.

Механізм головного і допоміжного підйомів складається з наступних основних частин: крюкової підвіски, поліспасту, барабана, передатного пристрою, гальма і електродвигуна. Механізм допоміжного підйому включає також кабельний барабан. Крюкова підвіска разом з верхніми блоками закріпленими на рамі візка, і канатом, що огинає блоки, утворює здвоєний поліспаст, при якому на барабан одночасно намотується дві гілки каната. Блоки монтуються на підшипниках кочення і нерухомих осях.

В якості вантажозахватного органу застосовані однорогі крюки вантажопідйомністю 20 т і 10 т.

Барабан закріплюється на двох окремих цапфах, які спираються на сферичні підшипники кочення. У обертання барабан наводиться за допомогою вбудованої зубчастої муфти.

Механізм пересування візка складається з електродвигуна, передатного пристрою і ходової частини. Передатний пристрій складається з вертикального триступінчатого редуктора і зубчастих муфт. Ходова частина складається з двох коліс з ребордами і двох балансирних візків. Одно з коліс - приводне.

Ходові колеса встановлюються в знімних буксах.

Перевертаючий момент, що створюється вантажем, сприймається чотирма парами підтримувальних роликів, що встановлених у балансирних візках і перекочуються по тій, що направляє. Для відвертання сильного удару балансирних візків про їздову двутавр при поломці деталей балансира передбачені захоплення, укріплені у балансирних візках в площині їздового двутавра. Для стопорення консольного візка від перекидання при зміні утримуючих коліс передбачено захоплення на рамі візка. Для пом'якшення поштовхів при наїзді візка на упори на торцях рами встановлені по два гумові буфери з кожного боку.

Токопровод до візка здійснюється за допомогою пучка гнучкого кабелю, закріпленого на кабельних візках, що переміщаються на 4-ех роликах по нижньому поясу двутавра.

Двутавр за допомогою кронштейнів кріпиться до головної балки уздовж прольоту з боку розташування механізму пересування крану таким чином, що петли провисання кабелю знаходяться вище за механізми. Кабельні візки з'єднуються межу собою ланцюгом.

На кранах застосовані мастильні матеріали двох видів : пластичні (консистентні мастила) і рідкі (олії).

Для мастила підшипників, зубчастих з'єднань редукторів з барабанами шарнірних з'єднань гальм застосовані консистентні литиев мастила(ФИОЛ, УНИОЛ, ЖРО), що мають великий ресурс роботи і вимагають рідкісної заміни.

Олії використовуються для заливки в електрогідравлічні двигуни, штовхальники гальм і картери редукторів, а також для мастила зубчастих муфт. Заливка олії в редуктори робиться через спеціальні люки в кришках редукторів, в зубчасті муфти мастило подається через отвори в обоймах напівмуфт.

Рекомендовані сорти мастильних матеріалів і точки змащування вказані в карті мастила.

Електроустаткування крану включає електродвигуни, кінцеві вимикачі, апаратуру управління приводами, апаратуру освітлення сигналізації. Конкретний опис електросхеми поміщений в інструкції по електроустаткуванню на кожен конкретний тип кранів.

Основні технічні дані і характеристики крану КМ знаходяться в Додатку А, Б і В.

1.2.2 Опис роботи електроприводу головного підйому крану

Схема управління і силової частини електроприводу головного підйому крану КМ 20/10т представлена на рисунку 1.2

Управління системою здійснюється за допомогою командо - апарату SM1, що має десять положень. У положенні I двигун Ml залишається на місці, оскільки ручка командо-аппарата знаходиться на «нейтральній» швидкості, при цьому включається реле КМ11, яке своїми контактами підключає інший ланцюг управління. Перемикання в положення 3 забезпечує обертання двигуна «Вперед», при цьому спрацьовують контакти реле КМ1 і КМ4. У положенні 7 обертання двигуна «Назад» і спрацьовують контакти реле КМ2. Плавний розгін асинхронного двигуна з фазним ротором М1 здійснюється при перекладі ручки командоаппарата в положення 12. При цьому відбувається спрацьовування реле КМ8, КМ9 і КМ10 із запізнюванням за часом, які забезпечують реле часу КТ2, КТ3 і КТ4(за рахунок чого і досягається плавний пуск). У цій схемі реалізовані такі системи защит : максимальна струмова - реле КА1(FA1 - FA3), реле КА2; нульовий захист - реле KV1, RV2.

Рисунок 1.2 – Схема електрична принципова головного руху крану

1.3 Вимоги технологічного процесу до електроприводу, технічне завдання

Для якісного виконання підйому, спуску і переміщення вантажів електропривод механізмів кранів повинен задовольняти наступним основним вимогам:

- регулювання кутової швидкості двигуна порівняльне в широких межах у зв'язку з тим, що важкі вантажі доцільно переміщати з більшою швидкістю для збільшення продуктивності крану. Знижені швидкості потрібні також для здійснення точної зупинки вантажів, що транспортуються, з метою обмеження ударів при їх посадці і полегшують роботу оператора, оскільки не вимагають багатократного повторення пусків для зниження середньої швидкості приводу перед зупинкою механізму;

- забезпечення необхідної жорсткості механічних характеристик

приводу, особливо регулювальних, з тим щоб низькі швидкості практично

не залежали від вантажу;

- обмеження прискорень до допустимих меж при мінімальній тривалості перехідних процесів. Перша умова пов'язана з послабленням ударів в механічних передачах при виборі проміжку, з відвертанням тієї, що пробуксувала ходових коліс візків і мостів, зі зменшенням розгойдування підвішеного на канатах вантажу при інтенсивному розгоні і різкому гальмуванні механізмів пересування; друга умова потрібна для забезпечення високої продуктивності крану;

- реверсування електроприводу і забезпечення його роботи, як в руховому, так і в гальмівному режимі. Вибір роду струму для електроустаткування крану має важливе значення, оскільки з ним пов'язані такі показники як технічні можливості приводу, капіталовкладення і вартість эксплутационных витрат, маса і розміри устаткування, його надійність і простота обслуговування.

4. Вимоги, що пред'являються до електроустаткування крану

Підвищена небезпека робіт при транспортуванні піднятих вантажів вимагає при проектуванні і експлуатації дотримання обов'язкових правил по пристрою і експлуатації підйомно-транспортних машин. На механізмах підйому і пересування правилами по пристрою і експлуатації потрібно установку обмежувачів ходу, які впливають на електричну схему управління. Кінцеві вимикачі механізму підйому обмежують хід вантажозахватного пристосування вгору, а вимикачі механізмів пересування моста і візка обмежують хід механізмів в обидві сторони. Потрібна також установка кінцевих вимикачів, що запобігають наїзду механізмів у разі роботи двох і більше кранів на одному мосту. Виняток становлять установки із швидкістю руху до 30 м/хв. механізми Кранів забезпечені гальмами закритого типу, що діють при знятті напруги.

На установках кранів застосовують робочу напругу до 500 В, тому механізми кранів забезпечують електроустаткуванням на напругу 220/380/500 В змінного струму і 220/440 В постійного струму. У схемі управління передбачають максимальний захист, що відключає двигун при перевантаженні і короткому замиканні. Нульовий захист виключає самозапуск двигунів при поданні напруги після перерви в електропостачанні. Для безпечного обслуговування електроустаткування, що знаходиться на фермі моста, встановлюють блокувальні контакти на люку і дверях кабіни. При відкриванні люка або дверей напруга з електроустаткування знімається.

При роботі крану відбувається постійне чергування напряму руху крану, візка і крюка. Так, робота механізму підйому складається з процесів підйому і опускання вантажу і процесів пересування порожнього крюка. Для збільшення продуктивності крану використовують поєднання операцій : час пауз, впродовж якого двигун не включений і механізм не працює, використовується для навішування вантажу на крюк і звільнення крюка, для підготовки до наступного процесу роботи механізму. Кожен процес руху ділиться на періоди несталого руху(розгін, уповільнення) і період руху зі швидкістю, що встановилася.

Кран виготовляється для груп класифікації за ИСО 4301/1 ЗА, яка характеризується великими перервами в роботі, рідкісною роботою з номінальним вантажем, малими швидкостями і 5 А, яка характеризується роботою з вантажами різної величини, середніми швидкостями руху і середнім числом включень в годину.

Кран виготовляється для роботи на ливарному дворі доменної печі і відповідає виконанню У і категорії 1 ГОСТ 15150-69 в частині дії кліматичних чинників зовнішнього середовища.

1.5 Обгрунтування і вибір системи управління електроприводом

головного підйому

Для здійснення автоматичного регулювання передбачаються керовані перетворювачі і регулятори, що дозволяють автоматично під впливом зворотних зв'язків здійснювати регулювання координат електроприводу, в нашому випадку моменту і швидкості. Найширше використовуються електромашинні і вентильні керовані перетворювачі напруги постійного струму і частоти змінного струму і відповідні системи ЕП : система генератор - двигун(Г-Д); система перетворювач тиристора - двигун(ТП-Д); система перетворювач частоти - асинхронний двигун(ПЧ-АД); також швидкість і момент можна змінювати шляхом реостатного регулювання(АД з фазним ротором). Вибір раціонального способу регулювання з можливих є важливим завданням, яке вирішується при проектуванні електроприводу.

Усі вищеперелічені системи мають ряд переваг і недоліків, аналіз яких при обліку технічних вимог, що пред'являються, і специфіки виробничого механізму дозволяє здійснити правильний вибір системи регулювання.

Початковий електропривод головного підйому крану виконаний по системі «Командоконтролер - асинхронний двигун з фазним ротором». Проте такий тип електроприводу має ряд серйозних проблем.

При реостатному способі управління двигуном плавність пуску забезпечується тільки за рахунок збільшення числа пускових східців, що змушує використати громіздкі релейно-контакторные панелі з великою кількістю важкої комутуючої апаратури.

На усьому діапазоні регулювання забезпечується постійний допустимий по нагріву момент.

Регулювання швидкості введенням активного опору в ланцюг ротора має наступні недоліки:

­ механічна характеристика придбаває значну крутизну,

­ межа регулювання швидкості залежить від міри завантаження

двигуна, звужуюся при зменшенні навантаження,

­ при холостому ході регулювання швидкості практично неможливе,

­ витрата енергії у вторинному ланцюзі двигуна при регулюванні швидкості визначається діапазоном зміни останньої і характером залежності статичного моменту приведеного механізму від швидкості.

Цей спосіб використовується в тих випадках, коли тривалість роботи зі зниженою швидкістю невелика і не потрібно високу точність регулювання швидкості. Цей ряд недоліків робить не доцільним використання цього методу управління для електроприводу крану.

Так, нині продовжує успішно застосовуватися система Г-Д. Її основними достоїнствами є відсутність спотворень споживаного з мережі струму і відносно невелике споживання реактивної потужності. При застосуванні синхронного двигуна в преобразовательном агрегаті шляхом регулювання струму збудження можна забезпечити роботу ЕП для компенсації реактивної потужності.

Глибоке регулювання швидкості в таких приводах здійснюється на рахунок зміни напруги, прикладеної до якоря двигуна, і зміною струму в обмотці збудження двигуна.

Проте використання приводів постійного струму спричиняє за собою масу проблем. Одним з найбільш неприємних чинників при роботі перетворювачів тиристорів є спотворення ними живлячій мережі. Специфіка роботи перетворювача тиристора така, що для отримання потрібної(номінального) напруги перетворювач тиристора використовує частину синусоїди живлячої напруги. Включаючись в потрібні моменти часу, перетворювач проводить струм тільки в певній частині синусоїди, знижуючи тим самим напругу, яка подається на двигун. Таким чином, перетворювач тиристора споживає з мережі струм несинусоїдальної форми. Це призводить до того, що живляча мережа спотворюється і насичується перешкодами. Крім того, кидки струму в моменти комутації тиристорів перетворювача постійного струму викликають провали напруги, що викликає збої в системі електропостачання. Зі зменшенням швидкості приводу ці неприємні явища посилюються, а при установці декількох перетворювачів тиристорів зростають багаторазово. Усі ці чинники призводять до того, що в роботі механізмів кранів виникають збої, які призводять до значних матеріальних витрат.

Також варто відмітити, що при використанні двигунів постійного струму як приводів головних механізмів виникають труднощі, пов'язані з наявністю у двигунів постійного струму щітково-колекторного вузла, який потребує частого обслуговування. Наявність колектора робить привід постійного струму менш надійним і безпечним.

Для компенсації реактивної потужності, споживаної з мережі перетворювачем тиристора, необхідно передбачити фильтрокомпенсирующие пристрої, які є дуже громіздкими і дорогими.

Завдяки сучасним досягненням в області перетворювачів частоти змінного струму, представляється можливим замінити застарілу систему «Асинхронний двигун з фазним ротором» на досконалішу і надійнішу систему «Перетворювач частоти - асинхронний двигун з короткозамкнутим ротором». До того ж сучасні перетворювачі частоти, що випускаються вітчизняними і зарубіжними виробниками, є високотехнологічними, мають високу міру надійності і, як правило, не перевершують за ціною перетворювачі тиристорів постійного струму.

В порівнянні з електроприводами постійного струму електропривод змінного струму має наступні переваги:

– надійність, простота, дешевший двигун, що не вимагає постійного обслуговування(немає колекторного вузла), що дозволяє значно понизити витрати на експлуатацію двигунів,

– менша, ніж в перетворювачах тиристорів, відносна величина генерованих в мережу гармонік,

– висока електрична надійність,

– ціна комплекту «перетворювач частоти - асинхронний двигун» порівнянна з вартістю перетворювач «тиристора - двигун постійного струму».

Як і для перетворювачів постійного струму, для блокових конструкцій перетворювачів частоти характерний високий рівень ергономіки і ремонтопридатності, а також малий час відновних робіт(ремонт робиться в основному шляхом заміни блоків), що є дуже істотним. Також важливою гідністю є уніфікація схем електроприводів, конструкції елементів, функціональних вузлів і блоків регулювання перетворювачів.

Останнім часом з'явився новий перспективний напрям в області преобразовательной техніки, грунтоване на застосуванні рекуперативних приводів, оснащених IGBT- модулями. У таких приводах є два перетворювачі з модулями IGBT один на стороні блоку живлення, інший на стороні двигуна.

Окрім того, що в таких приводах з'являється можливість рекуперації в мережу надмірної електроенергії, керований випрямляч на IGBT- транзисторах дозволяє позбавитися від недоліку, властивого перетворювачам тиристорів і перетворювачам частоти з некерованим випрямлячем, тобто дозволяє позбавитися від піків струму, споживаного з мережі і споживати з мережі струм синусоїдальної форми. Крім того, IGBT- випрямляч має дуже високу, в порівнянні з перетворювачами тиристорів, стійкість до тих, що просіли живлячої мережі, дозволяючи не знижувати продуктивності при тих, що просіли напруги. Активний випрямляч(на IGBT- транзисторах) гарантує стабільну роботу приводу в тяжких умовах. Підсумовуючи вищесказане, можна відмітити достоїнства подібних перетворювачів частоти : стійка робота при виникненні перешкод в напрузі мережі; низькі мережеві гармоніки; дуже швидка і рівномірна реакція при переході з рухового режиму до режиму рекуперативного гальмування і, навпаки; економія енергії за рахунок віддачі надмірної енергії в мережу; коефіцієнт потужності при роботі перетворювача з активним випрямлячем майже досягає одиниці; тому компенсацію реактивної потужності не потрібно; краща стійкість до тих, що просіли живлячої мережі.

Таким чином, електропривод змінного струму з перетворювачами частоти, що мають в якості випрямляча на вході рекуперативний випрямляч на IGBT- транзисторах, дозволяє позбавитися від багатьох проблем, що виникають в приводах тиристорів постійного струму і перетворювачах частоти з некерованим випрямлячем на вході. Перетворювачі частоти з випрямлячем на IGBT - транзисторах є дуже перспективним рішенням як з економічної точки зору, так і з точки зору надійності електроприводу.