Расчет электрического привода механизма подъема башенного крана

Подъем груза осуществляется механизмом подъема. На кранах может быть установлено до трех механизмов подъема различной грузоподъемности.

Перемещение груза по горизонтали на мостовых и козловых кранах осуществляется с помощью грузовой тележки и самого крана, а на стреловых кранах – с помощью механизмов поворота, изменения вылета стрелы или грузовой тележкой стрелы. Всеми механизмами кранов управляют из одного места – кабины или поста управления.

Конструкции башенных кранов постоянно усовершенствуют, что позволяет расширить область их применения.

Например, первые краны имели грузоподъемность 0.5…1.5 т., грузовой момент до 30 т*м., высоту подъема 20…30 м., сейчас работают краны грузоподъемностью до 50 т., грузовым моментом до 1000 т*м., высотой подъема до 150 м. Для повышения производительности кранов на новых машинах увеличены скорости рабочих движений, а также повышена мобильность кранов. 1 . Выбор типа электродвигателя. На кранах применяют главным образом трехфазные асинхронные двигатели перемен-ного тока. По способу выполнения обмотки ротора эти двигатели разделяют на электродвигатели с короткозамкнутым и с фазным роторами.

Двигатели с короткозамкнутым ротором применяются в электроприводе, где не требуется регулировать частоту вращения, или в качестве второго (вспомогательного) двигателя для получения пониженных скоростей механизмов крана.

Недостатком электродвигателей с короткозамкнутым ротором является большой пусковой ток, в 5…7 раз превышающий ток двигателя при работе с номинальной нагрузкой.

Двигатели с фазным ротором используются в приводе, где требуется регулировать частоту вращения.

Включение в цепь ротора пускорегулирующего реостата позволяет уменьшить пусковой ток, увеличить пусковой момент и изменить механическую характеристику двигателя. Они имеют значительные преимущества перед двигателями других типов: возможности выбора мощности в широком диапазоне, получения значительного диапазона частот вращения с плавным регулированием и осуществления автоматизации производственного процесса простыми средствами; быстрота пуска и остановки; большой срок службы; простота ремонта и эксплуатации; легкость подвода энергии.

Двигатели постоянного тока тяжелее, дороже и сложнее устроены, чем одинаковые по мощности трехфазные асинхронные.

Достоинства двигателей постоянного тока является возможность плавного и глубокого регулирования частоты вращения, поэтому такие двигатели применяют в специальных схемах электропривода кранов для высотного строительства.

Крановые двигатели предназначены для работы, как в помещении, так и на открытом воздухе, поэтому их выполняют закрытыми с самовентиляцией (асинхронные двигатели) или с независимой вентиляцией (двигатели постоянного тока) и с влагостойкой изоляцией. Так как двигатели рассчитаны на тяжелые условия работы, их изготовляют повышенной прочности.

Двигатели допускают кратковременные перегрузки и имеют большие пусковые и максимальные моменты, которые повышают номинальные моменты в 2.3…3.0 раза; имеют относительно небольшие пусковые токи и малое время разгона; рассчитаны на кратковременные режимы работы.

Исходя из всего вышеизложенного, для механизма подъема крана наиболее подходит трехфазный асинхронный двигатель переменного тока с фазным ротором в закрытом исполнении и рассчитанный на повторно-кратковременный режим работы. 2. Предварительный выбор мощности двигателя.

Предварительный выбор мощности двигателя для механизма подъёма башенного крана осуществляется по формуле: где Q – вес поднимаемого груза (кг.) Q 0 – вес грузозахватного приспособления, кг; V – скорость подъёма груза h - коэффициент полезного действия механизма подъёма. кВт. По каталогу находим ближайшее значение мощности к полученному: Р н = 22 кВт Исходя из расчётной мощности двигателя, выбираю для механизма подъёма башенного крана асинхронный двигатель с фазным ротором серии МТ 51 – 8 с напряжением 380 В. 3. Определение приведённого момента электропривода.

Маховой момент системы электропривода, приведённый к валу двигателя из уравнения: где: a - коэффициент, учитывающий маховые массы редуктора (находится по каталогу). Обычно он лежит в пределах от 1.1 до 1.15. В данном случае принимаем a = 1.1. GD 2 дв – маховый момент предварительно выбранного двигателя GD 2 дв = 4.4 GD 2 тш – маховый момент тормозного шкива (если таковой имеется) GD 2 тш = 3.88 ( GD 2 м – маховый момент соединительной муфты GD 2 м = 1 GD 2 рм – максимальный момент рабочей машины (барабана) GD 2 рм = где m – масса барабана, m = 334 кг; R – радиус барабана, R = 0.2 м. следовательно, GD 2 рм = 334 G – сила сопротивления поступательно движущегося элемента (Н); где Q+Q 0 – вес поднимаемого груза с крюком (кг.); g – ускорение свободного падения (постоянная величина), g = 9.8 м/с 2 ; H . n дв - номинальная скорость вращения двигателя (об/мин) ; n дв = 723 об/мин. i – передаточное отношение где n рм – скорость вращения рабочей машины (барабана) где m – число полиспастов ( m =2); D б – диаметр барабана ( D б =0.4 м) p = 3.14 V – скорость поступательно движущегося элемента об/мин; 4. Определение приведенного момента сопротивления рабочей машины. При подъеме груза величина момента сопротивления, когда поток энергии идет от двигателя к рабочей машине, находится из уравнения: где i – передаточное отношение ( i = 25.22); h - к.п.д. передачи ( h = 0.84) М рм = момент сопротивления на валу рабочей машины где Q+Q 0 – вес груза с крюком (кг) ( Q+Q 0 = 5775 кг) D б – диаметр барабана ( D б = 0.4 м) m – число полиспастов ( m = 2) h - кпд электропривода ( h = 0.84) 5. Определение времени пуска и торможения привода. Время пуска и торможения двигателя определяется по формулам: где GD 2 – маховый момент системы электропривода ( GD 2 = 12.84 n дв – частота вращения двигателя ( n дв = 723 М j – динамический момент электропривода Знак плюс у момента М g берётся в том случае, когда двигатель работает в двигательном режиме, а знак минус – при тормозном режиме. Знак плюс у момента сопротивления выбирается в том случае, когда рабочая машина помогает движению системы (при опускании груза), а знак минус, если рабочая машина мешает движению системы.

Величина момента двигателя находится из уравнения: М g = b М н где b - коэффициент, зависящий от типа двигателя и условия пуска. Для двигателя постоянного тока и асинхронных двигателей с фазным ротором b = 1.4 1.6. Для данного двигателя b = 1.6. где М н – номинальный момент двигателя Р н – номинальная мощность двигателя (Р н = 22 кВт); n дв – частота вращения двигателя ( n дв = 723 М j 1 = М g – М с = 47.47 – 32.45 = 15.02 М j 2 = - М g – М с = - 47.47 – 32.45 = - 79.92 Время пуска с; Время торможения с. В дальнейших расчётах знак минус, стоящий у времени торможения, не учитывается. 6. Определение пути, пройденного рабочим органом за время пуска и торможения. Путь, пройденный рабочим органом за время пуска и торможения, вычисляется по формулам: где t n – время пуска привода ( t n = 1.64 с); t m – время торможения привода ( t m = 0.31 с); V – скорость поступательно движущегося элемента ( V = 0.3 м/сек). м; м. 7. Определение пути, пройденного рабочим органом с установившейся скоростью. Путь, пройденный рабочим органом, с установившейся скоростью вычисляется по формуле: где Н – высота подъёма башенного крана – расстояние по вертикали от уровня стоянки крана до грузозахватного органа, находящегося в верхнем рабочем положении. Под уровнем стоянки поднимается горизонтальная поверхность основания (например, поверхность головок рельсов для рельсовых кранов, путь перемещения гусеничных и пневмоколёсных кранов, нижняя опора самоподъёмного крана), на которую опирается неповоротная часть крана. (Принимаем Н =16 м) S n – путь, пройденный рабочим органом за время пуска ( S n = 0 .25 м) S m – путь, пройденный рабочим органом за время торможения ( S m = 0 .05 м) S p = H – (S n + S m ) = 16 – (0 .25 + 0.05) = 15.7 м. 8. Определение времени равномерного хода рабочей машины. Время равномерного хода рабочей машины можно определить по формуле: где S p – путь, пройденный рабочим органом с установившейся скоростью ( S p = 15.7 м); V – скорость поступательно движущегося элемента ( V = 0.3 сек. 9. Определение времени паузы (исходя из условий технологического процесса). Исходя из условий технологического процесса принимаем время паузы равным: t 0 = 210c = 3.5 мин что удовлетворяет техническим требованиям выбранного двигателя. 10. Определение продолжительности включения. Время одного включения двигателя, его работы и последующей остановки, называется рабочим циклом.

Продолжительность цикла обычно не более 10 мин.

Промышленность выпускает крановые электродвигатели, рассчитанные на 15, 25, 40 и 60% - ную относительную продолжительность включения.

Величина ПВ показывает, сколько времени двигатель находится включенным в течение цикла: Обычно крановые двигатели рассчитаны на работу при 25% ПВ, но один и тот же двигатель может работать и при 15 % ПВ, и при 40% ПВ, но при этом должна соответственно изменяться его нагрузка. В данном случае 11. Построение нагрузочной диаграммы.

Нагрузочной диаграммой называется зависимость силы тока, момента, мощности в функции времени. Для выбранного двигателя по полученным данным строим нагрузочную диаграмму М = ¦ ( t) учитывая реальные времена протекания переходных процессов и величины пусковых и тормозных моментов, а также реальные значения пауз между временами работы двигателя. где t n - время пуска; t p - время работы; t m - время торможения; t 0 - время паузы. M n - момент пуска; M p - момент работы; M m - момент торможения. 12. Определение мощности двигателя из условий нагрева.

Электрические машины не должны нагреваться свыше допустимых пределов. При перегреве машины изоляция обмоточных проводов быстро стареет, теряет изоляционные свойства, становится хрупкой и при дальнейшей работе может обуглиться, что может привести к короткому замыканию и выходу машины из строя. По нагрузочной диаграмме определяем эквивалентный по нагреву момент двигателя за время его работы без учёта времени пауз где М n и М m – моменты, развиваемые двигателем при пуске и торможении.

Эквивалентная мощность После этого производится пересчёт эквивалентной мощности на ближайшую, стандартную продолжительность включения где ПВ д – действительная продолжительность включения двигателя ПВ к – ближайшая по величине стандартная продолжительность включения по отношению к действительной ПВ. Если полученная в результате расчёта мощность Р к Р н двигатель, который был предварительно выбран, по условиям нагрева проходит. Если же Р к > Р н , то необходимо задаваться следующим габаритом двигателя и расчёт производить вновь.

Определяем эквивалентный момент: где M n = 1.3 M н = 1.3 . 29.67 = 38.57 (кг . м) где k – поправочный коэффициент ( k = 1.5); ( Q+Q 0 ) – вес груза с грузозахватным приспособлением; D б – диаметр барабана; m – число полиспастов; i – передаточное отношение; h - кпд привода. Эквивалентная мощность: Поскольку Р к = 21.6 кВт Р н = 22 кВт то двигатель по условию нагрева проходит. 13. Выбранный по каталогу двигатель (МТ51-8) проверяется на перегрузочную способность на основании неравенства: где l - перегрузочная способность двигателя (выбирается по каталогу), l = 3; М н – номинальный момент (М н =29.67 кГ . м ) М max - максимальный момент двигателя (выбирается по каталогу ), М max = 85 кГ . м.

Проверка по пусковому моменту осуществляется на основании неравенства: где =2.8; М с – момент сопротивления (М с = 32,45 кГ . м). Если выбранный двигатель не проходит по перегрузке или пусковому моменту, то выбирается двигатель большего габарита, который удовлетворял бы этим неравенствам: 3 . 29.67 = 58 кГ . м двигатель проходит на перегрузочную способность 0.7 . 2.8 . 29.67 = 58 кГ . м > 32 .45 кГ . м двигатель проходит по пусковому моменту. 14. Выбор данных двигателя по каталогу.

Выписываем все каталожные данные двигателя МТ 51- 8

Величина	Обозначение	Значение
Продолжительность включения Мощность на валу Скорость вращения Линейный ток статора Напряжение сети Коэффициент мощности КПД Ток ротора Кратность максимального момента Напряжение между кольцами ротора Маховый момент ротора	ПВ Р н n дв I 1 н U 1 К р h I 2 н U 2 GD дв 2	25% 22 кВт 723 об/мин 56.5 А 380 В 0.7 0.84 70.5 А 3 197 В 4.4 кГ . м 2

Механической характеристикой двигателя называется, зависимость частоты вращения n от момента М нагрузки на валу.

Различают естественные и искусственные характеристики электродвигателей.

Естественной механической характеристикой называется – зависимость оборотов двигателя от момента на валу при номинальных условиях работы двигателя в отношении его параметров (номинальные напряжения, частота, сопротивление и тому подобное). Изменение одного или нескольких параметров вызывает соответствующее изменение механической характеристики двигателя. Такая механическая характеристика называется искусственной. Для построения уравнения механической характеристики асинхронного двигателя воспользуемся формулой Клоса: где М k – критический момент двигателя; S k – критическое скольжение двигателя; l - перегрузочная способность двигателя ( l = 3); S н – номинальное скольжение двигателя где n н – скорость вращения ротора; n 1 – синхронная скорость поля статора; где f – промышленная частота тока питающей сети, ( f = 50 Гц); Р – число пар полюсов (для двигателя МТ 51 – 8 Р=4) Номинальное скольжение двигателя МТ 51 - 8 Критическое скольжение двигателя Критический момент двигателя Для построения характеристики в координатах переходят от скольжения к числу оборотов на основании уравнения n = n 1 (1 – S) Скольжением задаются в пределах от 0 до 1. Так для S = 0 n = 750 . (1 – 0) = 750 об / мин; S = 0.1 n = 750 . (1 – 0.1) = 675 об / мин; S = 0.2 n = 750 . (1 – 0.2) = 600 об / мин; S = 0.3 n = 750 . (1 – 0.3) = 525 об / мин; S = 0.4 n = 750 . (1 – 0.4) = 450 об/мин; S = 0.5 n = 750 . (1 – 0.5) = 375 об/мин; S = 0.6 n = 750 . (1 – 0.6) = 300 об/мин; S = 0.7 n = 750 . (1 – 0.7) = 225 об/мин; S = 0.8 n = 750 . (1 – 0.8) = 150 об/мин; S = 0.9 n = 750 . (1 – 0.9) = 75 об/мин; S = 1 n = 750 . (1 – 1) = 0 об/мин. При тех же скольжениях находим по формуле Клоса соответствующие им моменты: S = 0 М = 0 кг . м S = 0.05 кг . м S = 0.1 кг . м S = 0.15 кг . м S = 0.2 кг . м S = 0.21 кг . м S = 0.3 кг . м S = 0.4 кг . м S = 0.5 кг . м S = 0.6 кг . м S = 0.7 кг . м S = 0.8 кг . м S = 0.9 кг . м S = 1 кг . м Пользуясь этими значениями переходим к построению естесственной механической характеристики двигателя МТ 51 – 8 (см. рис.) 16. Расчёт пускового реостата. При пуске асинхронные электродвигатели потребляют из питающей сети значительные пусковые токи. В момент пуска скольжение асинхронного электродвигателя S = 100%, а в номинальном режиме не превышает 5%. Значит, в момент пуска вращающееся магнитное поле статора в 20 раз чаще пересекает обмотку ротора. При пуске, продолжительность которого составляет доли секунды, так возрастает в 5 – 6 раз. За это время обмотка электродвигателя не успеет перегреться, и пусковой ток для него не опасен.

Однако большие толчки тока приводят к толчкам напряжения, что неблагоприятно сказывается на режиме работы других потребителей. В связи с этим принимают меры по ограничению пусковых токов асинхронных электродвигателей. В то же время эти двигатели, потребляя большие пусковые токи, развивают сравнительно небольшой вращающий момент. Цель применения искусственных схем пуска асинхронных двигателей – не только снизить пусковые токи, но и повысить пусковые моменты. Для асинхронного двигателя с фазным ротором сначала определяется сопротивление фазы ротора: где U 2 – напряжение между кольцами ротора, ( U 2 = 197 В); S н – номинальное скольжение ( S н =0.036); I 2н – ток ротора ( I 2 н = 70.5 А) Следовательно, сопротивление фазы ротора будет равно: ( Ом) Затем определяем коэффициент небаланса где Z - число ступеней пускового реостата, ( Z = 5) М% - кратность максимального пускового момента (М% = 280). Коэффициент небаланса равен: Активное сопротивление одной фазы ротора при полностью введённом реостате ( R 1 ) определяется из уравнения: (Ом) Сопротивление одной фазы ротора при работе двигателя на второй ступени ( R 2 ) определяется из уравнения: R 2 = R 1 . g R 2 = 0.575 . 0.64 = 0.368 ( Ом) Сопротивление одной фазы ротора при работе двигателя на третьей ступени ( R 3 ); R 3 = R 2 . g = R 1 . g 2 R 3 = 0.368 . 0.64 = 0.575 . 0.64 2 = 0.236 ( Ом). Сопротивление одной фазы ротора при работе двигателя на четвёртой ступени ( R 4 ); R 4 = R 3 . g = R 1 . g 3 R 4 = 0.236 . 0.64 = 0.575 . 0.64 3 = 0.151 ( Ом). Сопротивление одной фазы ротора при работе двигателя на пятой ступени ( R 5 ); R 5 = R 4 . g = R 1 . g 4 R 5 = 0.151 . 0.64 = 0.575 . 0.64 4 = 0.096 ( Ом). Сопротивление ступени реостата, закорачиваемого при переходе со ступени на ступень определяется как разность сопротивлений на двух смежных ступенях: D R 1 = R 1 – R 2 , D R 1 = 0.575 – 0.368 = 0.207 (O м); D R 2 = R 2 – R 3 , D R 2 = 0.368 – 0.236 = 0.132 (Ом); D R 3 = R 3 – R 4 , D R 3 = 0.236 – 0.151 = 0.085 (Ом); D R 4 = R 4 – R 5 , D R 4 = 0.151 – 0.096 = 0.055 ( Ом). Критическое скольжение при введённом резисторе в цепь ротора будет: а) При D R 1 = 0.207 (Ом) б) При D R 2 = 0.132 (Ом) в) При D R 3 = 0.085 ( Ом) г) При D R 4 = 0.055 (Ом) Определяем уравнение искусственной механической характеристики: а) При D R 1 , равном 0.207 (Ом); б) При D R 2 , равном 0.132 (Ом); в) При D R 3 , равном 0.085 (Ом); г) При D R 4 = 0.055 (Ом); Задаваясь значениями S, подсчитываем соответствующие им моменты.

Таблица 1. Результаты расчёта моментов.

Электрической схемой называется чертёж, на котором показаны, соединения электрических цепей.

Электрические крановые схемы дают возможность проследить прохождение тока по различным участкам цепи и рассмотреть работу любой части электрооборудования. В любой из схем электрических соединений крана должны быть предусмотрены: 1) 2) 3) 4) 5) 6) Надёжность работы кранового электропривода в значительной мере определяется контактной аппаратурой, которая, как и двигатель, работает в широком диапазоне изменения нагрузок и частоты включений.

Управление электроприводами башенных кранов осуществляется с помощью контроллёров.

Контроллёром называется многопозиционный аппарат, предназначенный для управления электрическими машинами путём коммутации резисторов и обмоток машин; он производит все переключения в цепи электродвигателя, необходимые для пуска, торможения и регулирования его частоты вращения. Из всех применяемых для управления крановыми электродвигателями контроллёров (барабанных, кулачковых и магнитных) магнитные, или контакторные, являются наиболее совершенными благодаря их надёжности и высокой производительности.

Преимущества автоматического, магнитного контроллёра перед ручным включением заключается в следующем: 1) 2) 3) 4) 5) 6) Наконец, для большинства производств решающим фактором является значительно меньшая вероятность аварийной остановки крана и связанных с ним агрегатов. В схемах управления крановыми двигателями широко применяют также разного рода реле для целей автоматики, защиты и управления. Реле – это аппарат, приводимый в действие маломощным импульсом и приводящий в действие за счёт энергии местного источника более мощное устройство. Реле реагирует на изменение режима работы электрической цепи или механизма (повышение или понижение напряжения, увеличение или уменьшение тока, изменение частоты вращения и т.п.) и замыкает или размыкает свои контакты. В схемах управления крановыми механизмами работа реле связана с работой электромагнитных контакторов. Реле, посылая импульсы тока в тяговые катушки контакторов, включают их, производя тем самым переключения в силовой цепи и изменяя режим работы электродвигателей. При выборе аппаратуры управления необходимо учитывать возможные повышения температуры окружающей среды по сравнению с расчётной. Для контактов аппаратов можно рекомендовать увеличить номинальный ток на 20% при повышении температуры на каждые 10 0 С. Однако для контакторов и пускателей температура воздуха влияет на работу не только контакторов, но и катушек электромагнитов.

Поэтому можно рекомендовать переход на аппараты тропического исполнения или снижать продолжительность включения так же на 20% при превышении температуры на каждые 10 0 С. 18. Вычерчивание схемы управления электродвигателя и описание ёё работы (подбор аппаратуры управления по каталогу). Рис.1. Рис.2. Механические характеристики электроприводов подъёма с торможением противовключения. На рисунке 1 изображена схема электропривода подъёма с панелью управления ТСАЗ. схемы всех панелей управления обеспечивают автоматический разгон, реверсирование, торможение и ступенчатое регулирование скорости на реостатных характеристиках двигателя.

Управление осуществляется от командоконтроллёра (кулачкового контроллёра малых размеров). В схеме электропривода обозначены: КН и КВ – контакторы реверсора, КЛ – линейный контактор, КТ – контактор тормоза, КУ1 – КУ4 – контакторы ускорения, КП – контактор противовключения.

Подача питания в схему осуществляется через рубильник В1,а в цепь управления – через рубильник В2. Защита воздействует на реле РН и осуществляется: максимальная (обеспечивает автоматическое отключение двигателя при его перегрузке или возникновении в его цепи короткого замыкания) посредством реле РМ, конечная (обеспечивает автоматическое отключение электропривода при переходе механизмом крана предельно допустимых положений) – конечными включателями ВКВ и ВКН и нулевая (обеспечивает контроль машиниста за работой механизмов крана, исключая возможность самопроизвольных пусков двигателей, отключённых вследствие срабатывания защитных устройств или перерыва подачи электроэнергии) – непосредственно реле РН. Для защиты панели управления от токов, возникающих при коротких замыканиях, и значительных (50% и более) перегрузок предусмотрены также предохранители П. Первое положение подъёма (см.рис.2) служит для выбора слабины троса и подъёма малых грузов на пониженных скоростях (характеристика 1 n ). На втором положении (характеристика 2 n ) производится подъём тяжёлых грузов с малой скоростью.

Последующие две характеристики 3 n и 4 ' n являются пусковыми, на которых разгон производится под контролем реле времени РУ1 и РБ (см.рис.1), причём характеристика 4 ' n является нефиксированной. На положениях спуска производится регулирование скорости двигателя в режимах: противовключения на первом и втором положениях (характеристики 1с и 2с), силового спуска или генера – торного торможения в зависимости от веса груза на третьем положении (характеристика 3с), на котором все пусковые ступени резисторов выведены.

Переход на характеристику 3с осуществляется по характеристикам 3 ' с и 3 '' с под контролем реле времени. Во всех схемах панелей для механического торможения до полной остановки используют механический тормоз ТМ. Для спуска груза на характеристиках противовключения 1с и 2с оператору необходимо нажать ВН (см.рис.1) при установке рукоятки командоконтроллёра на соответствующую позицию спуска.

Управление с помощью педали является вынужденным в связи в возможностью подъёма груза вместо спуска на характеристиках противовключения.