4. Обоснование выбора тока и напряжения

В цехах металлургических предприятий находят применение крановые электродвигатели трёхфазного переменного тока (асинхронные) и постоянного тока (последовательного и параллельного возбуждения). Создание специальных краново-металлургических серий электродвигателей вызвано особенностями кранового металлургического привода, характеризуемого повторно кратковременным режимом работы при большей частоте включения (до 2000-3000 в час), большими перегрузками, пусковыми токами. Двигатели должны обеспечивать различные режимы электрического торможения.

Электропривод постоянного тока, обладающий хорошими регулировочными свойствами, находит применение, где требуется широкое и плавное регулирование скорости. Однако использование двигателей постоянного тока связано с необходимостью установки сравнительно дорогих и сложных преобразователей (выпрямителей). Кроме того, сам двигатель постоянного тока сложен в конструктивном отношении и в уходе, что объясняется в основном наличием коллектора. Поэтому электродвигатели постоянного тока допускается применять лишь в тех случаях, когда условия работы электропривода не позволяют применить электродвигатели переменного тока из-за обеспечения требуемой работы механизма, либо из соображения экономичности.

Электродвигатели постоянного тока целесообразно применять в тех случаях, когда требуется широкое и плавное регулирование скорости, для приводов с большим числом включений в час, при необходимости регулирования скорости вверх от номинальной, для работы в системах Г-Д и ТП-Д. Создание малогабаритных и экономичных силовых полупроводниковых выпрямителей расширили область применения электродвигателей постоянного тока для кранов.

Наиболее широко для крановых механизмов применяются трёхфазные асинхронные электродвигатели с фазным ротором, обеспечивающие регулирование скорости и плавный пуск при относительно большом значении нагрузки на валу. Эти двигатели устанавливают на крановых механизмах при среднем, тяжёлом и весьма тяжёлом режимах работы. Они допускают регулирование скорости в диапазоне (1:3 - 1:4). Асинхронные электродвигатели с короткозамкнутым ротором применяются реже.

Преимуществами асинхронных электродвигателей по сравнению с электродвигателями постоянного тока являются их относительно меньшая стоимость, простота обслуживания и ремонта. Масса кранового асинхронного электродвигателя с наружной самовентиляцией в 2,2-3 раза меньше массы кранового электродвигателя постоянного тока при одинаковых номинал моментах, а масса меди примерно в 5 раз меньше. Если эксплуатационные затраты принять за единицу и для асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором, то для электродвигателей с фазным ротором эти затраты составляют 5, а для электродвигателей постоянного тока 10.

5. Расчет мощности и выбор приводного двигателя для механизма подъёма мостового крана

1). Рассчитывается и выбирается для механизма подъема асинхронный двигатель с фазным ротором типа МТ по формуле:

[1] (1)

где: К_з - коэффициент запаса, отн.ед.;

P_сэ - статическая эквивалентная мощность на валу ЭД за рабочий цикл, кВт;

ПВ_р - продолжительность включения расчетная, отн.ед.;

ПВ_к - продолжительность включения каталожная, отн.ед.

С учётом дополнительной нагрузки при пуске и торможении принимается коэффициент запаса К_з=1,1.

2). Рассчитывается статическая эквивалентная мощность на валу электродвигателя за рабочий цикл, кВт по формуле:

[1] (2)

где: P_спг -статическая мощность на валу ЭД при подъеме груза;

P_спо - статическая мощность на валу ЭД при подъеме без груза;

P_сог - статическая мощность на валу ЭД при опускании груза;

P_соо - статическая мощность на валу ЭД при опускании без груза;

3). Рассчитывается статическая мощность на валу электродвигателя при подъеме груза по формуле:

P_спг­= [1] (3)

где: G_ном - грузоподъемность номинальная;

G_о - масса грузозахватывающего устройства;

- скорость подъема (опускания) груза(грузозахватывающего устройства);

Принято, что скорости при подъеме (опускании) груза или пустого грузозахватывающего устройства равны. Для механизма подъема рекомендуется принимать:

=0,15…0,20 м/с²;

q-ускорение силы тяжести, м/с².

Для перевода массы в силу 1 кг=9,81 H (Ньютон).

η_пг- КПД подъемного механизма при номинальной грузоподъемности, отн.ед.

Рекомендуется принимать:

= 0,65…0,7 для червячной передачи.

P_спг= кВт

4). Рассчитывается статическая мощность на валу ЭД при подъеме без груза по формуле:

P_спо= [1] (4)

где: η_по- КПД подъемного механизма без груза, отн.ед.;

Во всех случаях, когда поднимаемый фактический груз (G_ф) отличен от номинальной грузоподъемности (G_ном) для определения фактического КПД применять зависимость, по рисунку 3.

Рисунок 3 - Зависимость

При силовом опускании (малый груз или только грузозахватывающее устройство).

P_{спо =} кВт

5). Рассчитывается статическая мощность на валу ЭД при опускании без груза по формуле:

[1] (5)

P_соо= кВт

6). Рассчитывается статическая мощность на валу электродвигателя при опускании груза. При тормозном опускании (большой или средний груз):

[1] (6)

P_сог= кВт

7). По формуле 2 рассчитывается статическая эквивалентная мощность на валу электродвигателя за рабочий цикл, кВт:

P_с.э= кВт

8). По формуле 1 рассчитывается и выбирается для механизма подъема асинхронный двигатель с фазным ротором типа МТ:

P_р.д.= кВт

9). Рассчитывается расчетная синхронная скорость электродвигателя (n_р.с., об/мин) по формуле:

[1] (7)

где: -скорость поднимания (опускания) груза, м/с;

i_п- передаточное число полиспаста,

i_р- передаточное число редуктора,

D- диаметр подъемной лебедки, м;

G_ф - фактическая нагрузка, кг;

G_ном - номинальная грузоподъемность, кг;

G_о - масса грузозахватывающего устройства, кг,

η_ном - номинальный КПД при G_ф=G_ном, отн.ед.

= об/мин

На основании расчетной синхронной скорости (n_р.с.=600) принимается «n_с» по шкале 600об/мин.

По мощности двигателя P_рд=37,9кВт, по скорости двигателя n_c=330,19 об/мин, и продолжительности включения ПВ_к=40% выбирается соответствующий каталогу [1] электродвигатель, МТН 611-10 основные характеристики которого представлены в таблице 3.

Таблица 3 - Основные характеристики двигателя

Тип двигателя	Рном, кВТ	ном, об/мин	I, А	cosφ	КПД, %	I2, А	Ммакс, Н·м	Масса, кг
МТН 611-10	45	570	112	0,72	84	154	2320	900

Наибольшее распространение получили крановые ЭД серий МТК (с КЗ-ротором), MTF (с фазным ротором) и металлургические ЭД серий МТКН (с КЗ-ротором), МТН (с фазным ротором). Такие ЭД выпускаются на основном напряжении 220, 380 и 500 В при f=50 Гц.

10). Выполняются условия проверки электродвигателя по нагреву:

М_ном≥М_сэ

753 438 Н∙м

где: М_ном- номинальный статический момент на валу электрического двигателя, Н∙м;

М_сэ- эквивалентный статический момент на валу электрического двигателя, Н∙м;

[1] (8)

11). Выполняется условие проверки электродвигателя по допустимой перегрузке: 0,8 М_макс≥М_смакс

где М_макс- максимальный момент выбранного ЭД, Н∙м;

М_смакс - максимальный статический момент на валу ЭД при 1,2∙G_ном(при испытании и эксплуатации), Н∙м;

0,8-коэффициент, учитывающий возможное снижение напряжения в сети до 0,9∙U_ном.

Приближенно P_{сэ макс}=1,2∙P_сэ.

M_сэ= H м

Условия проверки надежности пуска и разгона электрического двигателя:

где: М_п.макс- пусковой момент максимальный, Н∙м;

М_п.мин- пусковой момент минимальный, Н∙м.

Для ЭД серий МТК, МТКН, МТ, МТН приведены соотношения

М_макс ~ М_п=(2,3…3,2)∙М_ном

При расчетах рекомендуется принимать:

М_п.макс = М_макс;

М_п.мин=(1,2…1,3)∙М_ном;

[1] (9)

где: М_ном- момент номинальный ЭД, Н∙м;

P_ном­- мощьность номинальная ЭД, кВт;

n_ном- скорость вращения ЭД, об/мин.

M_ном= H м

Выполняются проверки выбранного асинхронного двигателя:

- по нагреву М_ном>М_сэ;

По формуле (9): M_ном=753,9 H м

По формуле (8): M_сэ= 438 H м

- по допустимой перегрузке:

*М_макс>М_с.макс

1630 H м

- на надежность пуска и разгона асинхронного двигателя:

М_п.мин=

Принимается: М_п.мин=683,75 H м

М_с.макс= H м

- построение характеристики М=F(S) для АД с фазным ротором и механизма

а). Результаты расчетов представлены в таблице 4, где внесены данные для построения характеристик (М_ном,М_макс,М_п.мин,М_сэ,S_п), М_кр=М_макс

б). Дополнительно в таблицу внесены вычисленные недостающие данные:

М_нб=(0,85…0,9) M_макс=

Принимается: М_нб= 1426,25 H м

М_нм=(1,1…1,15) M_ном=

Принимается: М_нм= 615,4 H м

S_ном= 1 - =

Согласно формулы Клосса приближенно вычисляется:

Таблица 4 - Данные для построения характеристик(М_ном,М_макс,М_п.мин,М_сэ,S_п), М_кр=М_макс

Моменты, Н·м	Мном	Мкр	Мп.мин	Мсэ	Мнб	Мнп
	547	1630	683,75	298	1426,25	615,4
Скольжение, отн.ед	Sном	Sкр	Sn	-	-	-
	0,04	0,43	1.0	-	-	-

в)_. По данным таблицы строится график характеристик для асинхронного двигателя с фазным ротором при трехступенчатом пуске М_д=F(S) и механизма подъема мостового крана М_н=F(S) представленный на рисунке 4;

Рисунок 4 - График характеристик асинхронного двигателя с фазным ротором при трехступенчатом пуске М_д=F(S) и механизма подъема мостового крана М_н=F(S)

г). На пересечении двух характеристик определяется рабочая точка (РТ) и выполняется небольшой анализ:

S_рт= S_ном =

Трехступенчатый пуск АД с фазным ротором будет успешным т.к. М_сэ<М_мин;

РТ находится ниже М_ном(М_ном>М_сэ), что означает работу АД с недогрузкой (-45%) при максимальном КПД

Наибольший КПД АД достигается, если выполняется условие

М_сэ=(0,85…0,9)М_ном

Вывод: в качестве механизма подъема мостового крана выбран асинхронный двигатель с фазным ротором типа Т.МТН 712- 6 со следующими технические данными P_ном=55, n_ном=960; ПВ=40%.