Электропривод и автоматика подземной конвейрной линии

Электропривод большинства  грузоподъёмных машин характеризуется  повторно - кратковременном режимом работы при большой частоте включения, широком диапазоне регулирования скорости и постоянно возникающих значительных перегрузках при разгоне и торможении механизмов. Особые условия использования электропривода в грузоподъёмных машинах явились основой для создания специальных серий электрических двигателей и аппаратов кранового исполнения. В настоящее время крановое электрооборудование имеет в своём составе серии крановых электродвигателей переменного и постоянного тока, серии силовых и магнитных контроллеров, командоконтроллеров, кнопочных постов, конечных выключателей, тормозных электромагнитов и электрогидравлических толкателей, пускотормозных резисторов и ряд других аппаратов, комплектующих разные крановые электроприводы.

В крановом электроприводе начали довольно широко применять различные  системы тиристорного регулирования  и дистанционного управления по радиоканалу или одному проводу.

Номинальная грузоподъемность – масса номинального груза на крюке или захватном устройстве, поднимаемого грузоподъемной машиной.

Скорость подъема крюка  выбирают в зависимости от требований технологического процесса, в котором участвует данная грузоподъемная машина, характера работы, типа машины и ее производительности.

Режим работы грузоподъемных машин цикличен. Цикл состоит из перемещения груза по заданной траектории и возврата в исходное положение для нового цикла.

Мостовой кран, рассматриваемый  в данном дипломном проекте, находится  в электросталеплавильном цеху, в  разливочном пролёте. По условиям технологического процесса рассматриваемый мостовой кран выполняет следующую операцию: после выпуска стали дуговой сталеплавильной печи ковш со сталью перемещается мостовым краном на машину непрерывного литья заготовки.

Условия работы крана весьма тяжелые. При расположении крана  под крышей цеха электрооборудование подвержено действию высокой температуры, дыма, агрессивных газов, пыли.

Так как мостовой кран установлен в электросталеплавильном цеху металлургического производства, то электродвигатель и все электрооборудование мостового крана требует защиты общепромышленного исполнения не ниже IP 53 – защита электрооборудования от попадания пыли, а также полная защита обслуживающего персонала от соприкосновения с токоведущими и вращающимися частями, защита электрооборудования от капель воды, падающих под углом 60⁰ к вертикали.

На мостовых кранах в электросталеплавильном цехе применяются асинхронные двигатели с фазным ротором серии MTF. На 50 тонных кранах применяются двигатели следующих мощностей: ход моста – два двигателя по 22кВт; ход тележки – 1 двигатель 7,5кВт; вспомогательный подъём – 1 двигатель 37кВт; главный подъём – 1двигатель 75кВт. Это двигатели крановой серии с частотой вращения 937об/мин.

Для управления двигателем хода тележки используется силовой  командоконтроллер.

Для управления двигателями  хода моста используется магнитный  командоконтроллер, контакторы типа КПД, реле максимального ток типа РМ, реле времени РЭВ.

Для управления двигателем вспомогательного подъёма используются два контактора типа КТ.

Для управления двигателем главного подъёма используются контакторы типа КТПВ.

На 12-ти тонных кранах используются двигатели следующих мощностей: ход моста – два двигателя по 11кВт; ход тележки – 1 двигатель мощностью 7,5кВт; главный подъём – 1двигатель мощностью 45кВт.

2.2 Обоснование выбора мостового крана

В электросталеплавильном цехе, в связи с увеличением объёмов производства, возникла необходимость установки двух мостовых кранов грузоподъёмностью 80/25т. При выборе производителя мостового крана, была изучена продукция таких предприятий как «ТЯЖПРОММАШ», «УРАЛКРАН», «VELKRAN» и «KONECRANS». Предпочтение было отдано фирме Konecranes, так как это мировой лидер в области производства и технического обслуживания грузоподъемной техники, предлагающий полный диапазон передовых подъемных решений для различных отраслей промышленности во всем мире[1].

В основе стратегии компании Konecranes – сочетание двух видов бизнеса: поставка грузоподъемных кранов и их техническое обслуживание. Konecranes работает в следующих стратегических направлениях: рост, удержание лидирующих позиций в области исследований и конструкторских разработок и эффективность использования ресурсов.

Компания Konecranes применяет модульный принцип и стандартизацию в производстве компонентов и кранов. Создание унифицированной компонентной базы оптимизирует использование производственных мощностей и дает возможность быстрого перераспределения ресурсов. В целях регулирования затрат постоянно осуществляется вложение средств в развитие методологии производства и оборудование. Автоматизация процессов повышает эффективность действующей производственной схемы. Так как все компании Группы заняты в одной и той же отрасли промышленности, существуют благоприятные условия для успешной передачи знаний и аттестации во всех подразделениях Группы.

Konecranes предлагает широкий выбор взрывобезопасных кранов (рисунок 4) и компонентов к ним. Все основные компоненты, такие как канатные, цепные и ременные тельферы, передвижное оборудование, концевые балки и средства управления кранами спроектированы и изготовлены для обеспечения высочайшего уровня безопасности, необходимого в опасных средах, например, на химических и нефтехимических предприятиях, нефтеочистительных заводах, газовых энергоустановках, установках для очистки сточных вод и в окрасочных цехах.

Краны и компоненты кранов компании Konecranes разработаны с учетом требований директив ATEX, принятых Европейским союзом. Выполнение этих директив стало обязательным в Европе с 1 июля 2003 года. Продукция Konecranes также соответствует стандартам EN50014 – EN50020. Электрические аппараты для потенциально взрывоопасных сред.

Продукция Konecranes для опасных сред проходит типовые испытания, утвержденные сертифицирующими органами, все изделия снабжены CE маркировкой и документацией.

Рисунок 4 – Кран Konecranes в работе

В сталелитейной промышленности преимущество дает технология. Поэтому  технологии Konecranes сочетают интеллектуальное подъемное оборудование с современными технологиями, избавляющими от традиционных проблем технического обслуживания. Кроме того, гибкие сервисные программы улучшают общую производительность.

2.3 Режимы управления двигателем электропривода крана

Konecranes

Разомкнутая система управления электроприводом моствого крана. На рассматриваемом объекте используется частотное регулирование угловой скорости. В частотных преобразователях, применяемых в данном случае, используется векторное управление (рисунок 5). Векторное управление требует измерения величины и пространственного положения вектора потокосцепления статора или ротора, непосредственно, с помощью соответствующих датчиков, или косвенно - с использованием математической модели АД.

Частотные преобразователи, используемые на данном кране, имеют  встроенную модель (схему) двигателя, которая тысячу раз в минуту рассчитывает значения параметров двигателя. Входные данные, необходимые для расчета, представляют собой мгновенное значение напряжения двигателя от специализированной интегральной схемы ASIC и измеренное значение тока двигателя. Магнитный поток двигателя и крутящий момент вала рассчитываются в схеме двигателя на основе данных, которые указаны в заводской табличке двигателя

Рисунок 5 – Векторное управление в разомкнутой системе

Данные для регулирования  параметров поступают на ПЛК по шине данных, структурная схема которой  показана на рисунке 6.

Регулирование частоты  в разомкнутой системе (режим 0). В режиме регулирования частоты в разомкнутой системе частота двигателя соответствует сигналу заданной частоты. Фактическая частота вращения двигателя зависит от нагрузки. Даже в режиме регулирования частоты используется векторный расчет для поддержания намагничивания на надлежащем уровне.

Управление по току (режим 1). В режиме управления по току в разомкнутой системе ток двигателя соответствует заданному сигналу. Управление двигателем по току осуществляется при низких частотах (типично <10Гц); при более высоких частотах двигатель управляется по напряжению. При управлении по току при низких частотах скорость двигателя почти не зависит от нагрузки.

 

 

На рисунке 7 представлена шина входов выходов ПЛК

 

 

Схема питания ПЛК представлена на рисунке 8.

 

Векторное управление в замкнутой система. При векторном управлении в замкнутой системе (рисунок 9) также используется расчетная схема двигателя, которая имеет еще более простую конфигурацию по сравнению со схемой, используемой для векторного управления в разомкнутой системе. Схему упрощают дополнительные входные данные, так как имеется сигнал от дифференциального датчика импульсов (encoder). Данное измерение используется в качестве сигнала обратной связи на расчетную схему двигателя.

Рисунок 9 – Векторное управление в замкнутой системе

Регулирование скорости (режим 3). В режиме регулирования скорости в замкнутой системе угловая скорость вращения двигателя соответствует сигналу заданной скорости. Частотные преобразователи регулируют частоту двигателя и, благодаря данной функции, компенсируют зависящее от нагрузки скольжение. Компенсация скольжения удерживает постоянной фактическую скорость вращения вала, вне зависимости от условий нагрузки. При регулировании скорости в замкнутой системе даже имеется возможность достигнуть нулевой скорости при полном крутящем моменте. В системе используется инкрементный датчик импульсов (encoder) для обеспечения высокой точности скорости и быстродействия, а также для достижения крайне низких минимальных скоростей. Сигнал датчика импульсов также используется в целях контроля скорости. Стандартный датчик (рисунок 6) имеет 600 импульсов на оборот. Разрешается использовать датчики с 512, 1000, 1024, 1200, 2000 или 2048 импульсами на оборот в зависимости от скорости вращения двигателя и длины кабеля.

Рисунок 10 – Датчик скорости (Encoder)

Контроль по крутящему  моменту (режим 4). В режиме контроля  по крутящему  моменту крутящий  момент  вала удерживается равным заданному сигналу. Скорость вращения двигателя в значительной степени зависит от условий нагрузки, например, разгруженный двигатель будет все время работать с максимальной скоростью. В целях защиты значение скорости ограничивается в пределах регулируемых минимальной и максимальной скоростей.

2.4 Средства автоматизации, используемые на рассматриваемом  
объекте

Во избежание быстрого износа канатов, который может привести к аварийной ситуации, используется концевой выключатель балансировки канатов. В случае, если канат выходит из своего паза, срабатывает концевой и подаётся сигнал на цифровой вход ПЛК (программируемый логический контроллер) – «Канат не в ручье», а ПЛК в свою очередь не даёт разрешение на включение IGBT транзисторов.

Чтобы крюковая подвеска не поднималась слишком высоко, и не возникало аварийных ситуаций, используются ограничители подъёма. При срабатывании концевого выключателя поступает сигнал на цифровой вход ПЛК, и инвертор прекращает свою работу.

Во избежание быстрого износа механических частей механизма подъёма предусмотрено следующее: чем выше будет подниматься крюковая подвеска, тем медленнее будет скорость подъёма. Реализовано это с помощью датчика скорости «Encoder». Инвертор считывает количество импульсов, поступающих с датчика скорости, и регулирует скорость в соответствии с заданной программой.

Если по какой-либо причине  не сработал основной концевой выключатель  и подъём продолжается, то сработает  аварийный концевой выключатель, механизм прекратит свою работу. Чтобы механизм возобновил свою работу, необходим ручной взвод аварийного концевого выключателя.

Чтобы не возникало перегрузки двигателя и больших механических напряжений в балках моста, используется датчик нагрузки. Схема включения датчика нагрузки представлена на рисунке 11. Он представляет собой мост, в плечах которого включены тензоэлементы. Одно плечо этого моста находится без нагрузки, а на другое плечо давит своим весом барабан с канатом и груз, подвешенный на крюке. Когда кран начинает поднимать груз, равновесие между плечами моста нарушается, и на выходе появляется сигнал напряжением от 0 до 12В. Через усилитель этот сигнал поступает на регистратор параметров. В случае если груз превышает допустимый вес (в данном случае 80 тонн), на дисплее в кабине машиниста крана появляется сообщение о превышение веса груза. Если машинист попытается поднять этот вес, сигнал, поступивший на регистратор параметров, поступает на цифровой вход ПЛК и не даёт команду на включение IGBT транзисторов.

Рисунок 11 – Схема включения датчика нагрузки

Микроконтроллер обрабатывает данные с датчика нагрузки по  программе, блок-схема алгоритма которой приведена на рисунке 12.

Для защиты двигателя от перенапряжения используются варисторы  и реле контроля фаз. В случае если возникает перекос напряжений между фазами, срабатывает реле контроля фаз и не даёт включиться линейному контактору. Если же возникает мгновенный скачок напряжения, то срабатывают варисторы.

 

Рисунок 12 – Блок схема программы расчёта грузоподъёмности

Структурная схема системы  ограничителя грузоподъёмности представлена на рисунке 13.

Рисунок 13 – Структурная схема ограничителя грузоподъёмности

Чтобы предотвратить перегрев обмоток двигателя, используются термисторы, встроенные в двигатель. Если обмотки нагреваются до температуры  +150ºС, на экране панели оператора появляется надпись «Тревога». Если обмотки какого-либо из двигателей нагреваются до температуры 180ºС, на панели оператора появляется надпись «Стоп», и механизм, двигатель которого перегрет, останавливает свою работу до тех пор, пока обмотки двигателя не охладятся до номинальной температуры.