2.4.1 Розрахунок діаграм навантажень. Попередній вибір електродвигуна

Визначимо статичні моменти при підйомі і спуску вантажу

Н∙м

Н∙м

де g - прискорення вільного падіння;

mгр, mзп - маса вантажу і захватного пристосування;

Rб - радіус барабана лебідки;

iр - передатне число редуктора;

iп - передатне число поліспасту;

 – ККД передачі.

Визначимо час циклу

,

Де t_под - час підйому;

t_сп - час спуску;

t_п - час паузи;

t_р - час роботи.

,

де h - висота підйому;

v - швидкість підйому.

Визначимо тривалість включення

с.

Побудуємо діаграму навантаження виробничого механізму (рисунок 2.11).

Рисунок 2.11 - діаграма Навантаження виробничого механізму

Вважаючи, що двигун вибирається з режиму S3, визначимо еквівалентний момент за цикл роботи :

Н∙м.

Визначимо кутову швидкість двигуна

с- ¹.

Визначимо номінальну потужність двигуна

кВт

де kз=1,3 - коефіцієнт, що враховує відмінність діаграми навантаження механізму від діаграми навантаження двигуна.

Умови вибору двигуна : Рн

Вибираємо асинхронний двигун з короткозамкнутим ротором серії SIEMENS 1LG4253-6AA

з наступними даними: кВт, У, А, про/мін, , кг∙м2.

Т. до. у нас не виконується умова _{(н ( (расч,}ми вибираємо редуктор з іншими параметрами, компенсуючими цей недолік.

Розрахуємо в скільки разів швидкість вибраного двигуна перевищує швидкість базового варіанту

.

У стільки ж разів передатне число нового редуктора має бути більше, ніж передатне число

.

З каталогу вибираємо новий редуктор, відповідно до розрахованих параметрів: РК 500-70-22М1.

2.4.2 Перевірочний розрахунок електродвигуна по нагріву і перевантажувальній здатності

Побудуємо діаграму навантаження двигуна. Перевіримо двигун за умовами нагріву і допустимого перевантаження.

Визначимо сумарний момент інерції

кг∙м2

де Jмех - момент інерції механізму, приведений до валу двигуна.

кг∙м2.

Т.к. ми підібрали новий редуктор, то необхідно наново розрахувати моменти опорів при підйомі і спуску

Визначимо статичні моменти при підйомі і спуску вантажу :

Н∙м,

Н∙м,

де g - прискорення вільного падіння;

mгр, mзп - маса вантажу і захватного пристосування;

Rб - радіус барабана лебідки;

iр - передатне число редуктора;

iп - передатне число поліспасту;

 – ККД передачі.

Визначимо динамічний момент

Н∙м

де Мном - номінальний момент двигуна.

Н∙м.

Визначимо гальмівний момент

Н∙м

де - для важкого режиму роботи.

Визначимо кутове прискорення

с- ².

Визначимо час роботи приводу з прискоренням

с.

Визначимо висоту, на яку піднятий вантаж за час прискорення :

м.

Визначимо відстань, яка проходить вантаж без прискорення :

м.

Визначимо час роботи приводу без прискорення:

с.

Визначимо час циклу з урахуванням прискорення

с.

Діаграма навантаження двигуна представлена на малюнку 16.

Рисунок 2.12 – діаграма Навантаження двигуна

По діаграмі навантаження знаходимо нове значення еквівалентного моменту

Н∙м

Мэкв = 356,75 Н∙м

кВт

,

Мmax ( 2,5 ∙_Мн =2,5 ∙356,75 = 891,5 Н∙м.

Вибраний двигун задовольняє умовам нагріву і допустимого навантаження.

Технічні характеристики електродвигуна : трифазний асинхронний двигун з короткозамкнутим ротором, з висотою осі обертання 315 мм, призначений для комплектації приводів веж, козлових, портальних, бруківок і інших кранів у будівництві, на транспорті, в металургії і інших галузях. Тільки для частотно-регульованого приводу. Стандартна міра захисту : IP54. Розташування коробки виведень : згори; ліворуч або справа.

Номінальна напруга живлення 380/660 В.

Номінальна частота мережі 50 Гц, 60 Гц.

Двигун має систему вентиляції IC416 - незалежна вентиляція від прибудованого вентилятора. Двигун розрахований на перевантаження 1,5 номінального струму впродовж 2 хвилин відповідно до ГОСТ 28173. Клас нагрівостійкості ізоляції - F.

Умови експлуатації

– висота над рівнем моря не більше 1000 м;

– номінальна навколишня температура 40 С.

Такі двигуни мають наступні переваги:

– економію електроенергії завдяки високому коефіцієнту корисної дії;

– повну адаптацію до роботи в системі двигун - перетворювач частоти, забезпечуючи високі параметри регулювання;

– підвищений термін експлуатації, надійність і термічну стійкість завдяки застосуванню ізоляції класу нагрівостійкості F;

– понижені акустичні показники.

Паспортні дані вибраного електродвигуна приведені в таблиці 10.

Таблиця 2.8 – Паспортні дані двигуна SIEMENS 1LG4253-6AA

PН, кВт	nН про/мін	CosφН	λ	Статор					Ротор				KR	Jд, кг* м2
				IН, А	Iх.х, А	R1, Ом	X1, Ом	σ1	I2Н, А	R2, Ом	X2, Ом	U2ф В
37	955	0,81	3,0	80	57,8	0,032	0,071	1,06	146	0,043	0,11	181	2,5	0,75

Таблиця 2.9 – Настановний ­ приєднувальні розміри асинхронного електродвигуна крану серії SIEMENS 1LG4253-6AA

d1, мм	L1, мм	L10, мм	L31, мм	d10, мм	b10, мм	h, мм	Вал
90	170	368	190	24	457	280	Конус

Габаритне креслення двигуна SIEMENS 1LG4253­6AA представлен на

рисунку 2.13

Настановно-приєднувальні розміри вказані в таблиці 2.9

Рисунок 2.13 – Габаритне креслення двигуна SIEMENS 1LG4253-6AA

2.5 Розрахунок і вибір комплектного електроприводу і системи управління

2.5.1 Критерій вибору

Системи електроприводу крану СКЭП з перетворювачами частоти змінного струму призначені для управління механізмами підйому і пересування кранів. Система реалізована на основі сучасних частотно-регульованих перетворювачів змінного струму і високонадійного контроллера і забезпечує:

– контроль і регулювання швидкості, прискорення, моментів незалежно від маси вантажу;

– плавний розгін і гальмування механізму підйому;

– діапазон регулювання швидкості 100: 1;

– помилку при підтримці швидкості від 1 до 2%;

– автоматичний захист від перевищення гранично допустимої ваги вантажу;

– захист двигунів(максимально-струмову, із затримкою за часом);

– кероване гальмування;

– поліпшення умов роботи оператора;

– скорочення кількості релейно-контакторной апаратури, повышаю-щее надійність роботи електроустаткування.

СКЭП має модульну структуру. До складу модулів підйому СКЭП входять перетворювачі частоти, які розроблені для застосування в системах з підвищеними вимогами до точності регулювання швидкості і положення, а також до динамічних характеристик. Вони мають можливість забезпечити :

– п'ять режимів регулювання(векторне або скалярне в розімкненій системі регулювання, векторне - в замкнутій системі із зворотним зв'язком за швидкістю за допомогою энкодера, серворежим, рекуперація);

– управління положенням.

2.5.2 Перетворювач SIMOVERT MASTERDRIVE

Серія перетворювачів SIMOVERT MASTERDRIVE Vector Control складається з модульних високоефективних компонентів. Комбінуючи ці компоненти можна досягти найбільшої ефективності. Шафового виконання поставляється із стандартної міри захисту IР20. Шафові перетворювачі частоти поставляються з шафами, розрахованими для підключення до одному або декількох двигунів.

Стандартне програмне забезпечення SIMOVERT MASTERDRIVE Vector Control містить в собі два принципово способу управління, які дозволяють задовольнити будь-яким вимогам електроприводу.

Перетворювач можна підключати до живлячої мережі 3 АС від 200 В до 690 В з частотою живлення 50/60 Гц. У базовий комплект входять:

– шафа;

– головний вимикач із запобіжниками для захисту

кабелів напівпровідникових приладів;

– мережевий комутаційний дросель 2 %;

– перетворювач або блок випрямлення з інвертором;

– панель управління PMU на дверях шафи.

Опції для розширення базової версії включають механічні і електричні компоненти.

Приймаємо до установки перетворювача 6SE7031-0EE60:

Номінальний початковий струм Iнв = 37 А; базовий струм навантаження Iб = 84 А; струм перевантаження Imax = 126 А; номінальний струм DC ланки 110 А; споживаний струм(лише для перетворювача) 101 А; втрати при 2,5 кГц 1,18 кВт; потрібна витрата повітря, яке охолоджує 0,10 м3/с.

2.5.3 Вибір блоку живлення для контролера і панелі оператора

Блоки живлення PS 307 призначених для формування вихідної напруги 24 В, необхідного, для живлення центральних процесорів і цілого ряду модулів контролера SIMATIC S7 - 300. Блоки живлення PS 307 використовують для своєї роботи вхідну напругу 120/230 В. Усі блоки живлення можуть використовуватися як для живлення внутрішніх ланцюгів контролера, так і для живлення його вхідних і вихідних ланцюгів. Вибираємо стабілізований блок живлення PS 307-1BA00-0AA0.

2.5.4 Вибір автотрансформатора

Автотрансформатор, який погоджує, забезпечує наступні переваги: максимальний момент двигуна на повній швидкості при рекуперації. При переході з рухового режиму в режим рекуперації, затримка часу складає 15 мс.

Для блоків випрямлення/рекуперації потрібне підвищення напруги відносно напруги живлення на 20% для зворотного моста під час рекуперації енергії. Цей автотрансформатор призначений для такого підвищення напруги.

Вибираємо SIMOVERT MASTERDRIVES трифазний автотрансформатор фірми Siemens з параметрами Рн = 95 кВА, fн = 50 Гц, міра захисту Ир00.

2.5.5 Мережевий комутаційний дросель

Мережевий комутаційний дросель зменшує гармоніки споживаного струму перетворювачів. Мережевий комутаційний дросель також обмежує будь-які викиди струму, який викликає ті, що просіли живлячої напруги. Ефективність дроселя залежить від відношення потужності короткого замикання системи до номінальної потужності.

Вибираємо комутаційний дросель 4EP4000-2US з номінальним струмом Iн = 100 А.

2.5.6 Вибір допоміжних реле

Були вибрані допоміжні реле, DC 24 У фірми Siemens. Вони повністю влаштовують систему. Рекомендований номер: 3RH1131-1BB40.

2.5.7 Вибір програмованого контролера

SIMATIC S7 - 300 - це модульний програмуючий контролер для вирішення завдань автоматизації низької і середньої міри складності. Володіє широким спектром модулів для максимальної адаптації до вимог вирішуваного завдання, зручною конструкцією і роботою з природним охолодженням. Конструкція контролера відрізняється високою гнучкістю і зручністю обслуговування.

S7 - 300 застосовується для автоматизації машин спеціального призначення, машинобудівного устаткування, устаткування, для виробництва технічних засобів управління і електротехнічного устаткування, в системах автоматизації суднових установок і систем водопостачання.

Програмовані контролери можуть включати до свого складу:

• модуль центрального процесора(CPU);

• сигнальні модулі(SM), призначені для введення і виведення дискретних і аналогових сигналів;

• комунікаційні процесори(CP) для організації обміну даними через Industrial Ethernet, PROFIBUS, As - interface і PTP, інтерфейс;

• функціональні модулі(FM) - інтелектуальні модулі для вирішення завдання швидкісного рахунку, позиціонування, автоматичної регуляції;

• блоки живлення(PS) для живлення контролера від мережі змінного або постійного струму.

Вибираємо контроллер з процесором CPU315 - 2DP з номером 6ES7315 2AG10-0AB0, оскільки CPU 315-2 DP здатний виконувати програми середнього і великого об'єму і оснащений вбудованим інтерфейсом PROFIBUS DP.

Рекомендований номер: 6ES7315-2AG10-0AB0.

Для схеми потрібні 16 цифрових входів і 8 цифрових виходів, аналогових входів, і 4 аналогових виходів. Вибираємо: цифрові модулі введенню SM 321, DI 1624 VDC(16 входів; потенційна розв'язка групами по 16; номінальна вхідна напруга 24 В), замовлений номер

6ЕS7321- 7BH01-ОАВО. Аналогові модулі введення SM 331 AI 8RTD(8 входів в 4 групах каналів), Рекомендований номер: 6ЕS7331-7РF00-ОАВО. Цифрові модулі виведення SM 322; O 824 VDC/2 А, рекомендований номер: 6ЕS7322-7BF01 - ОАAО. Аналогові модулі виведення SM 332 AО 416 біт(4 виходів в 4 групах каналів), рекомендований номер

6ЕS7332- 7ND01-ОАВО.

2.5.8. Вибір панелі оператора

Для управління процесом вибираємо панель оператора SIMATIC ОР 170В із замовленим номером 6AV6542-0BB15-2AX0. Ця панель дозволяє використати буквено-цифрову клавіатуру, інтерфейс PROFIBUS - DP. Панель оснащена мембранною клавіатурою.

2.5.9 Вибір блоку живлення

Був вибраний блок живлення SITOP MODULAR(1AC/2AC,120/230-500 VDC, 5 A), фірми Siemens. Він повністю підходить для системи, оскільки від нього живляться панель оператора і контролер, в яких напруга живлення складає 24 В. Рекомендований номер: 6ЕР1333-3ВАОО.

2.5.10 Мережеві запобіжники

Запобіжники 3NE1 серія SITOR забезпечують захист одним запобіжником, як кабелів, так і напівпровідникових елементів, це значно зменшує вартість і час їх установки. Вибираємо запобіжник 3NE1 021-0 з номінальним струмом Iн = 100 А.

2.5.11 Вибір головного контактора

Контактори застосовують як комутаційні апарати. Був вибраний контактор фірми Siemens. Параметри головного контактора : Ин = 100 А, Uн = 380 В, Рн = 50 кВт. Рекомендований номер: 3TF6844-0CM7 - ZA02.

2.5.12 Вибір автоматичного вимикача

Автоматичні вимикачі служать для відключення електричних ланцюгів при аварійних режимах роботи : коротких замиканнях, перевантаженнях, зниженні напруги.

Основними параметрами автоматичних вимикачів є: номінальна напруга, номінальний струм, час відключення.

Оскільки номінальний струм не перевищує 10 А, а номінальна напруга складає 380 В, вибираємо автоматичний вимикач фірми Siemens. Рекомендований номер: 5SX2210-7.

2.5.13 Вибір з'єднувачів для підключення до PROFIBUS

Були вибрані SIMATIC DP, з'єднувачі для підключення до PROFIBUS фірми Siemens, до 12 Мбіт/с, з похилим відгілком кабелю, зі вбудованим термінальним резистором, і як вони найбільш сучасніші, надійніші і легші у використанні з'єднувачі. Рекомендований номер: 6ES7972-0BA41-0XA0.

2.6 Статичні характеристики електроприводу

Визначимо номінальну кутову швидкість двигуна

с- ¹.

Визначимо критичний момент

.

Визначимо пусковий момент

.

Знайдемо номінальне ковзання

.

Визначимо критичне ковзання

.

Визначимо коефіцієнти:

Будуємо механічну характеристику асинхронного двигуна по уточненій формулі Клосса(дивися рисунок 2.4).

Рисунок 2.4 - Механічна характеристика асинхронного двигунаSIEMENS 1LG4253-6AA

3 Моделювання і дослідження позиційної системи електроприводу

3.1Системи регуляції положення робочого органу механізму повинні забезпечувати точне відтворення вхідного сигналу, який управляє. Функціональна схема представлена на рисунку 3.1

Функціональна схема включає:

– перетворювач частоти ПЧ;

– електродвигун змінного струму АД;

– регулятор положення РП;

– регулятор швидкості РШ;

– регулятор моменту РМ;

– датчик моменту ДМ;

– датчик швидкості ДШ;

– датчик положення ДП;

– робочий орган РО;

– тахогенератор BR.

Рисунок 3.1 - Функціональна схема системи регуляції положення

Структурна схема представлена на рисунку 3.2

Рисунок 3.2 – Структурна схема системи електроприводу змінного струму регуляції положення

У цій структурній схемі прийняті наступні позначення

Wрм(р) - передатна функція пропорційно інтегрального регулятора моменту,

U_з - напруга завдання,

w ₀ - швидкість двигуна,

w - кутова швидкість механізму,

М_д - момент розвивається на валу двигуна,

М_с - момент опору на валу двигуна,

К_рс - коефіцієнт регулятора швидкості,

К_с коефіцієнт зворотного зв'язку за швидкістю,

К_рп - коефіцієнт регулятора положення,

К_п - коефіцієнт зворотного зв'язку по положенню,

К_м - коефіцієнт зворотного зв'язку по моменту,

К_тп - коефіцієнт передачі перетворювача,

J₁ - момент інерції двигуна,

J₂ - момент інерції механізму,

C - жорсткість механічної характеристики двигуна,

р_п - число пар полюсів,

С₁₂ - приведений коефіцієнт жорсткості,

Т_е - електромагнітна постійна часу,

Т_п - постійна часу перетворювача,

Т_м1 - механічна постійна часу електричної підсистеми.

Розрахунок основних параметрів схеми системи управління.

Початкові дані

=2,5 – параметр механічної частини приводу,

Р_н=37 кВт - номінальна потужність двигуна,

η=87% - ККД,

соsφ=0,81,

I_рн=80 А - струм двигуна,

S_н=0,045 - номінальне ковзання,

S_к=0,26 - критичне ковзання,

М_к/М_н=3,0 - перевантажувальна здатність,

R₁=0,032 Ом - активний опір статора,

X₁=0,071 Ом - реактивний опір статора,

R₂=0,043 Ом - активний опір ротора,

Х₂=0,11 Ом - реактивний опір ротора,

J_д=0,75 кгм2 – момент інерції двигуна,

n₀=1000 про/мін - частота обертання двигуна,

J₂=1,125 кгм2 - момент інерції,

С₁₂=1774,73 - приведений коефіцієнт жорсткості,

р=3 - число пар полюсів.

Визначення коефіцієнтів зворотних зв'язків по моменту, швидкості і положенню.

Визначення коефіцієнтів зворотних зв'язків по моменту(розрахунок вироблений в програмі Mathcad)

c ^{- 1},

c ^{- 1},

Нм

У/Нм.

Визначення коефіцієнтів зворотних зв'язків за швидкістю

Вс.

Визначення коефіцієнтів зворотних зв'язків по положенню

.

Електромагнітна постійна часу

.

Визначимо електромеханічну постійну двигуна

з

,

,

де - момент інерції двигуна.

Визначення приведеного коефіцієнта жорсткості

.

Визначення параметрів регуляторів.

Компенсуємо постійну часу ланцюга ротора підбором передатної функції регулятора моменту, зворотної передатної функції об'єкту регуляції :

,

де - постійна часу інтеграції розімкненого контура моменту.

;

Нм;

Регулятор швидкості

,

Регулятор положення

,

,

,

.

Моделювання електроприводу в середовищі MATLAB Simulink. Дослідження динамічних процесів що протікають в ЕМС зробимо в пакеті застосовних програм MATLAB Simulink представлено на малюнку 21.

Рисунок 3.3 – Математична модель системи позиціонування в середовищі MATLAB Simulink

Побудуємо графіку перехідних процесів за розрахунковими даними, і зображуватимемо на малюнках 3.4, 3.5, 3.6, 3.7

Рисунок 3.4 – Графік перехідних процесів кута φ (t)

Рисунок 3.5 – Графік перехідних процесів кутової швидкості ω (t)

Рисунок 3.6 – Графік перехідних процесів моменту

статичного Мс(t)

Рисунок 3.7 – Перехідні процеси в середовищі MATLAB Simulink

Показники якості регуляції системи позиціонування приведені в таблиці 3.1

Таблиця 3.1 ­ Показники якості системи позиціонування

Показники	Значення
Статична помилка регуляції швидкості%	1,2 %
Статична помилка регуляції положення%	0 %
Перерегулювання	0
Час перехідного процесу, tp, с.	0,3