Система управления электроприводом. Грузовая лебедка

1. Введение. 

Электропривод грузовой лебедки. Общие сведения.

 

Грузоподъемные механизмы делятся:

• по назначению — на грузовые, буксирные, шлюпочные, траловые, провизионные лебедки, краны и другие грузовые устройства;
• по режиму работы— на механизмы с повторно-кратковременным и кратковременным режимами работы;
• по роду тока — с двигателями постоянного и переменного тока;
• по способу управления — с контроллерным, релейно-контакторным и электромашинным управлением;
• по типу механической передачи — с цилиндрической или червячной передачей.

Грузовые лебедки состоят из грузовой стрелы, такелажа, лебедки, исполнительного двигателя, аппаратов управления.

Подъемные краны монтируются по бортам судна на поворотной платформе и обычно имеют три электродвигателя (поворота стрелы, подъема и опускания стрелы и подъема груза) в отличие от грузовой стрелы, которая имеет только один двигатель подъема груза. При работе одной грузовой стрелы перемещение груза осуществляется вручную посредством оттяжек.

Грузовые лебедки по сравнению с кранами занимают меньше места и обслуживают большую площадь, однако краны имеют большую производительность и не требуют времени на подготовку к работе.

Для обеспечения высокой производительности электродвигатели грузовых устройств должны иметь от трех до шести скоростей вращения, что достигается изменением схемы включения двигателя. Грузовые устройства с двигателями постоянного тока имеют преимущества перед устройствами с двигателями переменного тока, заключающиеся в плавном регулировании скорости, осуществляемом в большом диапазоне.

В последнее время для грузовых устройств все шире применяются многоскоростные электродвигатели переменного тока с повышенным скольжением (серии МАП). Эти двигатели просты в эксплуатации, надежны и имеют высокий КПД.

Грузовые лебедки устанавливают на судах, имеющих собственные краны и стрелы. Обычно в крупных портах и на пристанях погрузочно-разгрузочные работы производятся средствами портовой механизации, широко применяются также специальные плавучие краны. Вследствие этого грузовыми лебедками оснащают лишь некоторые типы судов, район плавания которых не имеет механизированных портов, обеспечивающих выполнение погрузочно-разгрузочных работ.

Судовые грузоподъемные устройства бывают с электроприводами постоянного и переменного тока.

 

 

 

 

 

При постоянном токе используют двигатели с последовательным и смешанным возбуждением с мягкой механической характеристикой, наиболее полно удовлетворяющей характеру работы грузоподъемного устройства. Недостатком этих двигателей является сравнительно медленный разгон без нагрузки, что снижает производительность лебедки.

При переменном токе применяют асинхронные электродвигатели с короткозамкнутым и фазным ротором. Асинхронные двигатели с фазным ротором используют редко, так как регулирование их частоты вращения осуществляется изменением сопротивления резисторов, включенных в цепь ротора. Резисторы получаются больших размеров, и в них теряется большое количество электроэнергии.

Чаще всего для грузовых лебедок применяют асинхронные электродвигатели с короткозамкнутым ротором, одно- и двухскоростные. Последние имеют преимущество, позволяя производить перемещение грузов с большой скоростью и обеспечивать «спокойную» установку груза на палубу при меньшей скорости.

Асинхронные электродвигатели для грузоподъемных устройств должны обладать повышенным пусковым моментом, поэтому применение двигателей нормальной серии затруднительно из-за несоответствия их механических характеристик условиям работы.

В последнее время для грузовых лебедок начали применять многоскоростные асинхронные электродвигатели, они лучше удовлетворяют требованиям скоростного режима при подъеме и спуске грузов различной массы и значительно увеличивают производительность лебедки по сравнению с односкоростными двигателями.

Для управления электроприводами грузоподъемных устройств используют системы:

-контроллерные,

-релейно-контакторные,

-Г—Д,

-с магнитным и полупроводниковыми элементами.

Схемы с контроллерным управлением применяют на лебедках малой производительности. На лебедках с этой системой управления должен работать оператор высокой квалификации, так как при большой интенсивности погрузочно-разгрузочных работ наступает быстрое утомление. На современных судах контроллерное управление грузовыми лебедками выходит из употребления.

Релейно-контакторные схемы управления позволяют более эффективно использовать мощность электродвигателя, предотвращать его перегрузки, вызванные неправильными действиями оператора. Управление с помощью командоаппарата меньше утомляет, что дает возможность одновременно работать на двух лебедках.

Система Г—Д так же, как и схемы с магнитными и полупроводниковыми элементами, наиболее полно отвечает режимам работы лебедок, обеспечивая широкий диапазон регулирования частоты вращения электродвигателя.

Однако значительные масса и габариты этих устройств пока ограничивают их применение в грузовых механизмах.

Для грузоподъемных лебедок, кранов и стрел обязательны следующие требования:

• органы управления должны находиться непосредственно около лебедки или в специальной кабине, обеспечивающей хороший обзор;
• выключатель силовой цепи должен быть установлен непосредственно у поста управления лебедкой;
• электропривод должен быть снабжен ограничителем подъема груза, предотвращающим случайный переброс его через верхний блок стрелы;
• электропривод должен быть снабжен механическим тормозом с электромагнитным управлением, надежно затормаживающим груз в любом положении при исчезновении напряжения питающей сети.

Большинство грузоподъемных устройств работает в повторно-кратковременном режиме с частыми пусками. Исключение составляют шлюпочные и неавтоматические буксирные лебедки, работающие в кратковременном режиме. В связи с этим электродвигатели их приводов должны обладать большой перегрузочной способностью и малым временем разгона.

Работа грузоподъемного механизма характеризуется цикличностью процессов и повторно-кратковременным режимом работы электродвигателя. Весь цикл может быть разделен на следующие этапы: подъем груза, поворот стрелы, спуск груза, разгрузка, подъем гака без груза, поворот стрелы, спуск гака, погрузка.

Каждому этапу соответствует определенная нагрузка электродвигателя, как статическая, так и динамическая. Учитывая то, что электродвигатели грузоподъемных устройств работают с большой частотой включений в час, пренебрегать в расчетах динамической нагрузкой нельзя, это может привести к перегреву двигателей.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Расчет электропривода судовой грузовой лебедки

   2.1 Исходные данные

 

1	Грузоподъемность	Q	2,6	т
2	Вес гака и стропов	q	48	кг
3	Скорость подъема и спуска грузов	u1	0,45	м/с
4	Скорость подъема и спуска гака	u0	0,8	м/с
5	Высота подъема груза из трюма	Н1	13	м
6	Высота спускания груза	Н2	7	м
7	Передаточное число редуктора	i	21
8	КПД механических передач	h	0,68
9	Радиус барабана лебедки	RБ	0,22	м
10	Напряжение судовой сети	U	220	В

 

Усилие подъема

Сила тяжести

Дополнительные условия:

1. торможение при остановке механическое;
2. опускание груза производится под действием силы собственного веса и гака на механическом тормозе при включенном электродвигателе;
3. опускание холостого гака производится работающим электродвигателем (силовой спуск).

 

2.2 ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЙ ВЫБОР МОЩНОСТИ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ

 

Выбираем мощность электродвигателя по максимальным параметрам (подъем номинального груза):

1). Вращающий  момент (Нм) на валу электродвигателя  – постоянный:

2). Скорость  вращения (рад/с) электродвигателя при  установившемся движении 

.

3). Статическая  мощность (Вт) на валу электродвигателя при подъеме полного груза

.

4). Выбираем  по каталогу электродвигатель  постоянного тока независимого возбуждения с номинальным напряжением 220В, МП-42, мощностью Рном = 16 кВт при ПВ=25%, номинальная скорость вращения пном = 700 об/мин и соответственно , КПД hдв=0,87; момент инерции якоря двигателя J=0,95 кг×м2, Iн=85А, Rя+Rдп=0,168 Ом, исполнение закрытое с естественным охлаждением. Характеристики двигателя приведены на рис. 1

Рис. 1 Универсальные характеристики двигателя постоянного тока серии МП смешанного возбуждения

 

5). Номинальный  момент на валу выбранного  электродвигателя 

 

          2.3 ПРОВЕРКА ВЫБРАННОГО ДВИГАТЕЛЯ.

 

       ПЕРИОД 1. Подъем с грузом.

1). Вращающий  момент (Нм) на валу электродвигателя  в период разгона:

2). Динамический (избыточный) момент (Нм) при разгоне 

3). Приведенный момент инерции к валу электродвигателя с учетом моментов инерции механических передач и груза  , где s - коэффициент, учитывающий механические передачи и груз, принимаем равным 1,3.

4). Время  разгона (с) электродвигателя:

.

 

Остановка поднимаемого груза происходит при выключенном электродвигателе под действием сил тяжести груза.

5). Тормозной  момент (Нм), приведенный к валу  электродвигателя, от силы тяжести  груза,

.

6). Потери  в электродвигателе (кВт):

.

Для двигателей средней мощности постоянные потери Рпот1, создающие дополнительный тормозной момент, принимаются равными переменным потерям Рпот2, т.е. Рпот = Рпот1 + Рпот2, где Рпот1 = Рпот2 = Рпот / 2 = 1,4 кВт.

7). Тормозной  момент (Нм) в электродвигателе, вызываемый  постоянными    потерями, .

8). Время (с) остановки поднимаемого груза:

.

9). Путь (м), пройденный  грузом при его разгоне и  остановке во время подъема,

.

10). Время (с) подъема груза при установившемся  режиме:

.

 

 

ПЕРИОД 2. Тормозной спуск с грузом.

Разгон груза в начале спуска производится за счет силы его тяжести.

1). Статический  момент (Нм), создаваемый силой тяжести  груза при спуске и приведенный  к валу электродвигателя,

.

2). Тормозной  момент (Нм) от постоянных потерь  в электродвигателе, противодействующий  опусканию груза: .

3). Время  разгона (с) груза при тормозном  спуске с полным грузом:

.

Остановка груза при спуске производится динамическим торможением электродвигателя, тормозной момент которого зависит от величины вводимого в цепь якоря сопротивления. Примем тормозной момент, создаваемый электродвигателем, 

М2Т = 2 МН = 2× 218,27 = 436,54 Нм.

4). Динамический  момент (Нм) торможения

 М2дин = М2Т – М2ст = 436,54 – 144 = 292,51 Нм.

5). Время  остановки (с) спускаемого груза: .

6). Путь (м), пройденный  грузом за время его разгона  и остановки,

.

7). Время (с) установившегося движения груза  при тормозном спуске последнего

 

 

ПЕРИОД 3. Подъем холостого гака.

 

1). Статический  момент (Нм) сопротивления при подъеме  гака, приведенный к валу электродвигателя,

,

где - КПД механической передачи при холостом ходе, определяется по кривым рис. 2 

Рис.2  Зависимость КПД механизма от загрузки: Fх-действительная и

Fн-номинальная нагрузка механизма

Усилие подъема

Сила тяжести

 

 

 

 

2). Вращающий  момент (Нм) на валу электродвигателя  при разгоне гака так же, как  и при подъеме груза:

3). Динамический  момент (Нм) в период разгона гака 

М3дин = М3Р – М3ст = 436,54 – 70,45 = 366,09 Нм.

 

По характеристикам выбранного электродвигателя (см. рис. 1) определяем скорость вращения электродвигателя, соответствующую моменту на валу при подъеме холостого гака, , ; по графику определяем ; тогда , (рад/с)

4). Время  разгона (с)  .

Остановка холостого гака при подъеме производится при отключенном электродвигателе за счет тормозящего действия от постоянных потерь в двигателе и механической передаче, работы механического тормоза и противодействующего момента, создаваемого силой тяжести гака.

5). Примем  время, необходимое для остановки  холостого гака, (с), тогда суммарный тормозной момент (Нм)