Частотно - управляемый асинхронный электропривод для грунтопроходческого станка

Федеральное агентство по образованию

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего

профессионального образования

Тульский  государственный университет

КАФЕДРА  ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ  И  ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ

              

КУРСОВАЯ  РАБОТА

по  дисциплине:

«Электроприводы промышленных

механизмов и бытовых приборов»

Студент: Гавриков А.В.

Группа:  230711

Вариант: № 3

Руководитель: Дубальский В.Е.  Дата 21.12.2005г.

Члены комиссии: ______________

______________________________

______________________________

Тула  2005г.

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего

профессионального образования

Тульский  государственный университет

Кафедра электротехники и электрооборудования

ЗАДАНИЕ НА КУРСОВУЮ РАБОТУ

по курсу ” Электроприводы промышленных механизмов

 и бытовых приборов ”

Студент  Гавриков А.В.   Группа 230711

1.     Частотно - управляемый асинхронный электропривод для грунтопроходческого станка

2.    

        Род тока —  трёхфазный переменный, промышленная частота 50 Гц;

            Номинальное напряжение питания сети 380В с изолированной нейтралью;

            Режимы работы - максимально требуемая мощность 6,5 кВт, скорость прохода ≥ 0,5 м/мин, длинна наращиваемой секции 300 мм, количество наращиваемых секций 200 шт., длительность работы установки 1 час, длина скважины 60 м, диаметр проходимого отверстия 60 мм;

            Диапазон регулирования частоты вращения вала электропривода – 300 ÷ 2500 об/мин;

            Технология работы установки.

3.     На основе анализа работы и конструкции составить:

            Описание принципа действия и устройства механизма;

            Технические требование к электроприводу механизма.

4.     Разработать:

            Методику выбора двигателя (привода) для механизма;

            Принципиальную схему электропривода и составить перечень элементов.

Руководитель проекта ________Дубальский В.Е.____________________

Задание принято к исполнению  __________________________________

СОДЕРЖАНИЕ

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

 PAGE  * LOWER 3

ЭИЭО 747001.000 ПЗ

 Разраб.

Гавриков

 Провер.

Дубальсий

 Реценз.

 Н. Контр.

 Утверд.

Частотно - управляемый асинхронный электропривод для грунтопроходческого станка

Лит.

Листов

 SECTIONPAGES  * LOWER 2

ТулГУ, гр, 230711
 TOC o "1-2" h z u Введение.. h 4

1. Технология работы установки.. h 5

1.1. Анализ технологии работы ГС.. h 5

1.2. Режимы работы установки. h 7

2. Требования к электрооборудованию и приводу масляного насоса станка И его СОСТАВ.. h 9

2.1. Требования по назначению.. h 9

2.2. Требования по работоспособности и конструкции. h 9

2.3. Требования по электробезопасности. h 10

2.4   Состав электрооборудования ГС.. h 11

3. Обоснование выбора ПЧ.. h 13

3.1. Расчет механической характеристики установки. h 13

3.2. Выбор числа пар полюсов двигателя. h 14

3.3. Определение требуемой мощности привода. h 14

3.4. Предварительный выбор электропривода. h 18

3.5. Проверка приводов на перегрузку по моменту. h 19

3.6. Окончательный выбор электропривода. h 25

3.7. Рекомендации по использованию привода. h 27

4. Разработка электросхемы ЭО.. h 28

4.1. Назначение электрооборудования ГС.. h 28

4.2. Принцип работы электрической схемы ЭО.. h 30

4.3. Перечень элементов. h 32

Заключение.. h 33

Список используемой литературы... h 34

Введение

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

 PAGE  * LOWER 4

ЭИЭО 747001.000
Городские дороги от пригородных дорог отличаются тем, что под конструктивными слоями дорожной одежды на городских улицах и дорогах располагается достаточно большое количество подземных инженерных сетей и сооружений (водопроводы, канализационные сети, всевозможные кабели: силовые, телефонные и пр., газопроводы, тепловые сети и т. д.). Очень часто жители города спрашивают: «Почему иногда так резко ровность городских дорог отличается по своим показателям от ровности пригородных автомобильных дорог?»

Надо признать, что, в действительности, показатели ровности пригородных дорог лучше, чем городских. И в первую очередь потому, что городские дороги и улицы после траншейного восстановления, восстановления шурфов и пр. вслед за работами по ремонту подземных коммуникаций, находящихся в зоне проезжей части дорог и тротуаров, не соответствуют требованиям ГОСТ Р 50597-93 по предельным значениям показателей эксплуатационного состояния. Это обстоятельство является основной причиной.

В настоящее время существуют более совершенные (современные) технологии прокладки инженерных сетей и сооружений закрытым способом. Рассматриваемая грунтопроходческая установка функционирует по данной технологии. Она предназначена для бурения каналов, в том числе и в районах и застройки города. Она может использоваться в таких проектах, которые требуют сооружения проходов под автострадами, железнодорожными путями, взлётно-посадочными полосами и реками.

Цель работы: разработка электропривода для маслостанции  и системы управления электрооборудованием установки продавливания. В работе рассматривается технология работы грунтопроходческого станка. Приведены расчеты на основании которых был выбран электропривод установки.

1. Технология работы установки

1.1. Анализ технологии работы ГС

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

 PAGE  * LOWER 5

ЭИЭО 747001.000

Работа установки заключается в прохождении горизонтальных скважин. Прохождение осуществляется в следующих режимах:

-   управляемый прокол (подача обсадного става вперед и назад);

-  

Управляемый прокол осуществляется при вдавливании с заданным  шагом инструмента (с последующим разрушением, погрузкой грунта и выдачей его на поверхность). Сначала вдавливается непосредственно сам инструмент, затем его продавливают  с помощью труб, которые поочередно устанавливаются друг за другом. Подача и наращивание очередной секции трубы осуществляется после прохода предыдущей трубы в грунт. Во время наращивания инструмента происходит отключение нагрузки от привода, и он продолжает работать на холостом ходу (ХХ). Длина каждой такой секции составляет 0,3 м. Согласно исходным данным, скорость прохода должна быть ≥ 0,5 м/мин. Определим время работы привода под нагрузкой (tраб):

где:

lинст  ­– длина инструмента;

Vпр   – скорость прокола.

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

 PAGE  * LOWER 6

ЭИЭО 747001.000

где:

tцикл    – время цикла работы привода;

tХХ      – время работы привода без нагрузки.

Рассчитаем общее время работы привода, если инструмент состоит из 200 штанг:

где:

n – количество штанг в инструменте.

Заданное время работы составляет 60 мин (1час). Этого можно добиться, за счет уменьшения времени удлинения инструмента. Так же нужно учесть, что с уменьшением времени удлинения инструмента увеличивается ПВ привода. Определим эту возможную ПВ:

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

 PAGE  * LOWER 7

ЭИЭО 747001.000
На рис. 1.1 показан график статической нагрузки работы привода:

  Рис. 1.1. График статической нагрузки работы привода.

Из этой циклограммы нагрузки видно, что привод работает в перемежающемся режиме S6, то есть последовательность идентичных циклов, каждый из которых включает время работы tраб с постоянной нагрузкой и время работы на холостом ходу tХХ, причем длительность этих периодов такова, что температура двигателя не достигает установившегося значения.

 Нагрузка на привод маслостанции осуществляется при включении  гидравлического привода (продавливание или бурение)  установки.

1.2. Режимы работы установки

Требуемые мощности и диапазон частот вращения  масляного насоса  были определены из предварительного расчета возможных усилий возникающих при бурении и продавливании пород различной твердости. Работа ГС обуславливает следующие режимы работы масляного насоса.

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

 PAGE  * LOWER 8

ЭИЭО 747001.000
Режим 1:

-      Время работы – до 1 ч;

-      Потребляемая мощность 6,5 кВт при частоте вращения 2500 об/мин;

-      Область регулирования частоты вращения 800 – 2500 об/мин (с возможным снижением мощности).

Режим 2:

-      Время работы – до 1 ч;

-      Потребляемая мощность 2 кВт при частоте вращения 550 об/мин;

-      Область регулирования частоты вращения 300 – 1000 об/мин (с возможным снижением мощности).

Режим 3:

-      Время работы – до 1 ч;

-      Потребляемая мощность 1 кВт при частоте вращения 2500 об/мин;

-      Область регулирования частоты вращения 1000 – 2500 об/мин (с возможным снижением мощности).

2. Требования к электрооборудованию и приводу масляного насоса станка И его СОСТАВ

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

 PAGE  * LOWER 9

ЭИЭО 747001.000
При проектировании любой установки, возникают различные требования к электрооборудованию (ЭО), которые разделяются на требования по назначению, по работоспособности и конструкции и по электробезопасности[5].

2.1. Требования по назначению

1.   ЭО должно обеспечивать работу грунтопроходческого станка при прохождении горизонтальных, восходящих и нисходящих скважин.

2.   ЭО должно обеспечивать работу ГС в следующих предусмотренных режимах:

-    управляемый прокол (подача обсадного става вперед и назад);

-    бурение (подача с вращением бурового става).

2.2. Требования по работоспособности и конструкции

1.   Электропитание и управление электродвигателей, гидронасосов и блоков управления осуществляется через электрический щит (ЭЩ), в котором необходимо поместить дополнительное электрическое оборудование (ДЭО) для функционирования потребителей.

2.   ДЭО должно обеспечить:

-    контроль уровня масла и отключение маслостанции и охладителя при уровне масла ниже допустимого;

-    контроль температуры масла и включение охладителя при температуре масла +450 С;

-    отключение маслостанции и охладителя при температуре масла +500 С;

-    подачу электропитания приборам системы наведения;

3.   Аппараты управления ЭПУ должны обеспечить:

-    аварийное отключение насосов;

-    сигнализацию о подаче напряжения на пульт управления -"сеть";

-   

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

 PAGE  * LOWER 10

ЭИЭО 747001.000
включение, выключение потребителей: маслостанциии, грязевого насоса (ГН), промывочного насоса (ПН);

-    аварийное включение потребителей: маслостанциии, грязевого насоса (ГН), промывочного насоса (ПН);

-    световую сигнализацию включения насоса маслостанции, грязевого и промывочного насосов;

-    световую сигнализацию отключения маслостанции;

-    световую индикацию при срабатывании датчика уровня масла (ДУ) "низкий уровень масла" и датчика температуры (ДТ) "перегрев масла, маслостанция отключена".

4.   Подключение ЭПУ к ЭЩ и подключение к ЭПУ внешних устройств должно быть выполнено с помощью разъемных соединителей.

5.   Рабочее напряжение ЭПУ не более 36 В.

6.   Габаритные размеры ЭПУ не должны превышать 400х200х300 мм (длина х ширина х высота) и массу не более 5 кг.

7.   Корпус электрического щита (ЭЩ) должен иметь брызго- и пылезащищенность. В корпусе предусмотреть защищенное место для нанесения на него электрической схемы. Цвет покраски корпуса – серый.

8.   Блок разъемов в маслостанции должен быть обеспечивать быстрое подключение и отключение потребителей маслостанции и иметь габариты не более 150х155х195 мм (длина х ширина х высота).

9.   Все кнопки управления, расположенные на пультах управления, должны иметь резиновые колпачки.

2.3. Требования по электробезопасности

1.   Схемные и конструктивные характеристики должны соответствовать I классу защиты человека от поражения электрическим током по ГОСТ 12.2.007.0-75.

2.   Сопротивление между контактами нулевого провода вилок питания и корпусами электродвигателей должно быть не более 4 Ом.

3. 

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

 PAGE  * LOWER 11

ЭИЭО 747001.000
Покупное электрооборудование должно быть сертифицировано и соответствовать нормам электробезопасности.

2.4            Состав электрооборудования ГС  

На основе анализа требований технического задания был определен состав электрооборудования  ГС, который представлен на рис.2.1.

Электрооборудование установки предназначено для обеспечения надежной работы грунтопроходческой установки в режимах продавливания в породе с коэффициентом крепости f=1÷3 по шкале проф. Протодьяконова и разбуривания кирпичных и бетонных фрагментов крепостью f=6÷8.

В состав электрооборудования входит:

1. Электрооборудование электрощита (ЭЩ).

2. Электрический пульт управления (ЭПУ)

3. Электрооборудование маслостанции  (МС).

4. Электрооборудование системы наведения.

Общая схема ЭО представлена на рис. 1.1

Рис.2.1. Общая схема электрооборудования ГПС

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

 PAGE  * LOWER 12

ЭИЭО 747001.000
Оборудование электрощита.

В состав ЭЩ входит электроаппаратура, обеспечивающая:

- контроль фаз питающей сети;

- включение /отключение двигателей грязевого и промывочного насосов,

- включение /отключение привода насоса маслостанции,

ЭЩ обеспечивает электроснабжение всех блоков установки.

Электрический пульт управления (ЭПУ).

ЭПУ должен обеспечивать:

- запуск/останов всех компонентов ЭО;

- управление и регулирование координат привода маслостанции;

- индикацию о состоянии насосов.

Электрооборудование маслостанции (МС).

В состав маслостанции входит:

- асинхронный регулируемый электропривод

- датчики температуры и уровня масла, расположенные  в баке;

- привод охладителя:

- однофазный асинхронный двигатель мощностью 0,055кВт и напряжение питания 230 В;

- пульт индикации работы маслостанции (температура, уровень масла, сигнализация при превышении параметров привода маслостанции допустимых значений).

- электроаппаратура контроля за уровнем и температурой масла в баке.

3. Обоснование выбора ПЧ

3.1. Расчет механической характеристики установки

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

 PAGE  * LOWER 13

ЭИЭО 747001.000
Из режима работы видно, что при максимуме нагрузки проходческой установки мы имеем мощность двигателя порядка 6,5 кВт. Необходим двигатель  с номинальной частотой вращения 2500 об/мин и мощностью приблизительно 6,5 кВт. При проектировании  агрегатов коэффициент запаса по мощности двигателя берется незначительным, до 15 % от развиваемой мощности насоса.

Определим момент М, на всех трех режимах работы по формуле:

где:

P – потребляемая мощность (кВт);

n – количество оборотов в минуту.

Для режима 1:

Для режима 2:

Для режима 3:

Отсюда видно, что наиболее сложные режимы работы привода это режим 1 и 2, а частности работа в этих режимах на низких частотах вращения вала двигателя.  Поэтому все дальнейшие расчеты и выбор привода можно осуществлять исходя из этих двух режимов.

На рис. 3.1 представлена механическая характеристика требуемого привода.

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

 PAGE  * LOWER 14

ЭИЭО 747001.000
Рис 3.1. Механическая характеристика требуемого привода.

3.2. Выбор числа пар полюсов двигателя

Для регулируемого асинхронного привода в данном случае должен использоваться двигатель с числом пар полюсов равным 1.  Регулирование происходит на диапазоне частот 300 – 2500 об/мин, поэтому при выборе двигателя с  числом пар полюсов, например,  2 его мощность должна быть завышена примерно в два раза.   

3.3. Определение требуемой мощности привода

Привод должен соответствовать требуемой мощности различных режимов работы станка. Для того чтобы оценить нужную для работы мощность, выберем для каждого рабочего режима привода несколько рабочих точек и определим потребную мощность для каждой точки по формуле:

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

 PAGE  * LOWER 15

ЭИЭО 747001.000
Полученные данные занесем в таблицу 3.1:

Таблица 3.1

Требуемая мощность работы установки

Режим 1

Режим 2

Режим 3

N, об/мин

M, Н∙м

P, кВт

n, об/мин

M, Н∙м

P, кВт

n, об/мин

M, Н∙м

P, кВт

800

25

2,09

300

18

0,57

1000

4

0,42

970

25

2,54

370

18

0,70

1150

4

0,48

1140

25

2,98

440

18

0,83

1300

4

0,54

1310

25

3,43

510

18

0,96

1450

4

0,61

1480

25

3,87

580

18

1,09

1600

4

0,67

1650

25

4,32

650

18

1,23

1750

4

0,73

1820

25

4,76

720

18

1,36

1900

4

0,80

1990

25

5,21

790

18

1,49

2050

4

0,86

2160

25

5,65

860

18

1,62

2200

4

0,92

2330

25

6,10

930

18

1,75

2350

4

0,98

2500

25

6,54

1000

18

1,88

2500

4

1,05

Так как привод работает в перемежающемся режиме S6, то можно использовать менее мощный привод. Пересчитаем  потребную мощность для каждой точки с учетом работы привода в перемежающемся режиме S6 по формуле:

Полученные данные занесем в таблицу 3.2 и 3.3.

Таблица 3.2

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

 PAGE  * LOWER 16

ЭИЭО 747001.000
Требуемая мощность работы установки при работе в перемежающемся режиме (при ПВ = 50%)

Режим 1

Режим 2

Режим 3

P, кВт

ПВ, %

P­­­­S6, кВт

P, кВт

ПВ, %

P­­­­S6, кВт

P, кВт

ПВ, %

P­­­­S6, кВт

2,09

50

1,48

0,57

50

0,40

0,42

50

0,30

2,54

50

1,80

0,70

50

0,49

0,48

50

0,34

2,98

50

2,11

0,83

50

0,59

0,54

50

0,39

3,43

50

2,42

0,96

50

0,68

0,61

50

0,43

3,87

50

2,74

1,09

50

0,77

0,67

50

0,47

4,32

50

3,05

1,23

50

0,87

0,73

50

0,52

4,76

50

3,37

1,36

50

0,96

0,80

50

0,56

5,21

50

3,68

1,49

50

1,05

0,86

50

0,61

5,65

50

4,00

1,62

50

1,15

0,92

50

0,65

6,10

50

4,31

1,75

50

1,24

0,98

50

0,70

6,54

50

4,63

1,88

50

1,33

1,05

50

0,74

Таблица 3.3

Требуемая мощность работы установки при работе в перемежающемся режиме (при ПВ = 60%)

Режим 1

Режим 2

Режим 3

P, кВт

ПВ, %

P­­­­S6, кВт

P, кВт

ПВ, %

P­­­­S6, кВт

P, кВт

ПВ, %

P­­­­S6, кВт

2,09

60

1,62

0,57

60

0,44

0,42

60

0,32

2,54

60

1,97

0,70

60

0,54

0,48

60

0,37

2,98

60

2,31

0,83

60

0,64

0,54

60

0,42

3,43

60

2,66

0,96

60

0,74

0,61

60

0,47

3,87

60

3,00

1,09

60

0,85

0,67

60

0,52

4,32

60

3,35

1,23

60

0,95

0,73

60

0,57

4,76

60

3,69

1,36

60

1,05

0,80

60

0,62

5,21

60

4,04

1,49

60

1,15

0,86

60

0,67

5,65

60

4,38

1,62

60

1,26

0,92

60

0,71

6,10

60

4,72

1,75

60

1,36

0,98

60

0,76

6,54

60

5,07

1,88

60

1,46

1,05

60

0,81

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

 PAGE  * LOWER 17

ЭИЭО 747001.000
На рис. 3.2 и 3.3 приведены графики требуемых мощностей для разных значений ПВ при работе в режиме 1 и 2 соответственно.

Рис. 3.2. Требуемая мощность при работе в режиме 1.

Рис. 3.3. Требуемая мощность при работе в режиме 2.

Пересчитанная  потребная мощность с учетом работы в перемежающемся режиме S6, является минимально допустимой отдаваемой мощностью привода.

3.4. Предварительный выбор электропривода

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

 PAGE  * LOWER 18

ЭИЭО 747001.000
Для регулирования асинхронного двигателя в указанных диапазонах наиболее эффективным является использование частотного управления. Возможно два варианта реализации частотного управления асинхронным двигателем:

- отдельный блок преобразователя частоты и асинхронный двигатель;

- комплектный  привод преобразователь + двигатель.

Для уменьшения веса и габаритов установки целесообразно использовать комплектный привод.

   В работе производится сравнение, а затем и выбор из комплектных приводов: преобразователь частоты - асинхронный двигатель фирмы Danfoss серии FCM300.

В состав привода входят:

- преобразователь частоты;

- трехфазный асинхронный двигатель.

Для выбора берется два привода этой серии. В стандартной поставке предусмотрено только естественное охлаждение. Основные параметры этих приводов (исходя из которых будем осуществлять выбор) представлены в таблице 3.4[1].

Таблица 3.4

Основные параметры приводов фирмы Danfoss

серии FCM 300

Тип привода

Мощность, кВт

Момент, Н*м

Ток,             А

Напряжение, В

Количество пар полюсов

FCM355

5,5

17,5

9,3

380

1

FCM375

7,5

24,0

13,0

380

1

3.5. Проверка приводов на перегрузку по моменту

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

 PAGE  * LOWER 19

ЭИЭО 747001.000
Если учесть то, что эти приводы будут работать только при условии самоохлаждения, следует заметить – при пониженных частотах вращения вала, снижается и степень охлаждения привода. Это ведет к тому, что и допустимый момент привода будет снижаться относительно номинального. Зависимость падения момента относительно частоты вращения представлена на рис. 3.4[2].

Рис. 3.4. Падение момента при естественном охлаждении.

Из циклограммы видно, что при частоте вращения ниже 1800 об/мин, момент привода также начинает снижаться.

Вычислим, какую мощность может отдать привод FCM355 при работе в продолжительном режиме, учитывая падение момента при низких частотах вращения вала. Результат сведем в таблицу 3.5.

Таблица 3.5

Момент и мощность привода FCM 355

при ПВ=100%.

Режим 1

Режим 2

Режим 3

n, об/мин

M, Н∙м

P, кВт

n, об/мин

M, Н∙м

P, кВт

n, об/мин

M, Н∙м

P, кВт

150

6,27

0,10

800

10,69

0,90

300

7,29

0,23

1000

12,06

1,26

970

11,85

1,20

370

7,77

0,30

1150

13,08

1,58

1140

13,00

1,55

440

8,24

0,38

1300

14,10

1,92

1310

14,16

1,94

510

8,72

0,47

1450

15,12

2,30

1480

15,32

2,37

580

9,20

0,56

1600

16,14

2,70

1650

16,48

2,85

650

9,67

0,66

1750

17,16

3,14

1820

17,50

3,34

720

10,15

0,77

1900

17,50

3,48

1990

17,50

3,65

790

10,63

0,88

2050

17,50

3,76

2160

17,50

3,96

860

11,10

1,00

2200

17,50

4,03

2330

17,50

4,27

930

11,58

1,13

2350

17,50

4,31

2500

17,50

4,58

1000

12,06

1,26

2500

17,50

4,58

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

 PAGE  * LOWER 20

ЭИЭО 747001.000
Таким же образом определяем мощность привода FCM375 при продолжительном режиме работы. Полученные данные заносим в таблицу 3.6.

Таблица 3.6

Допустимые момент и мощность привода FCM 375

при ПВ=100%.

Режим 1

Режим 2

Режим 3

N, об/мин

M, Н∙м

P, кВт

n, об/мин

M, Н∙м

P, кВт

n, об/мин

M, Н∙м

P, кВт

150

8,60

0,14

800

14,70

1,23

300

10,00

0,31

1000

16,53

1,73

970

16,25

1,65

370

10,65

0,41

1150

17,93

2,16

1140

17,84

2,13

440

11,31

0,52

1300

19,33

2,63

1310

19,43

2,67

510

11,96

0,64

1450

20,73

3,15

1480

21,01

3,26

580

12,61

0,77

1600

22,13

3,71

1650

22,60

3,90

650

13,27

0,90

1750

23,53

4,31

1820

24,00

4,57

720

13,92

1,05

1900

24,00

4,77

1990

24,00

5,00

790

14,57

1,21

2050

24,00

5,15

2160

24,00

5,43

860

15,23

1,37

2200

24,00

5,53

2330

24,00

5,86

930

15,88

1,55

2350

24,00

5,91

2500

24,00

6,28

1000

16,53

1,73

2500

24,00

6,28

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

 PAGE  * LOWER 21

ЭИЭО 747001.000
Далее ориентировочно определим возможную мощность приводов при работе в режиме S6, используя формулу[3]:

Также определим допустимый момент при работе в перемежающемся режиме, исходя из соотношения[3]:

Все полученные результаты для ПВ 60% занесем в таблицы 3.7 и 3.8.

Таблица 3.7

Допустимые момент и мощность привода FCM 355

при ПВ=60%

Режим 1

Режим 2

Режим 3

N, об/мин

PS6, кВт

M­доп, Н∙м

n, об/мин

PS6, кВт

M­доп, Н∙м

n, об/мин

PS6, кВт

M­доп, Н∙м

150

0,13

10,12

800

1,16

17,25

300

0,30

11,76

1000

1,59

18,40

970

1,55

19,12

370

0,39

12,54

1150

2,04

21,25

1140

2,00

20,98

440

0,49

13,30

1300

2,46

22,43

1310

2,51

22,85

510

0,60

14,07

1450

2,98

24,74

1480

3,07

24,72

580

0,72

14,85

1600

3,48

25,92

1650

3,68

26,59

650

0,85

15,60

1750

4,06

27,66

1820

4,31

28,24

720

0,99

16,38

1900

4,49

28,24

1990

4,71

28,24

790

1,14

17,15

2050

4,85

28,24

2160

5,11

28,24

860

1,29

17,91

2200

5,20

28,24

2330

5,51

28,24

930

1,46

18,69

2350

5,56

28,24

2500

5,91

28,24

1000

1,63

19,46

2500

5,91

28,24

Таблица 3.8

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

 PAGE  * LOWER 22

ЭИЭО 747001.000
Допустимые момент и мощность привода FCM 375

при ПВ=60%

Режим 1

Режим 2

Режим 3

N, об/мин

PS6, кВт

M­доп, Н∙м

n, об/мин

PS6, кВт

M­доп, Н∙м

n, об/мин

PS6, кВт

M­доп, Н∙м

150

0,17

13,88

800

1,59

23,72

300

0,41

16,14

1000

2,23

26,68

970

2,13

26,22

370

0,53

17,19

1150

2,79

28,93

1140

2,75

28,79

440

0,67

18,25

1300

3,40

31,19

1310

3,44

31,36

510

0,82

19,30

1450

4,06

33,45

1480

4,20

33,90

580

0,99

20,35

1600

4,79

35,71

1650

5,04

36,47

650

1,17

21,41

1750

5,57

37,97

1820

5,90

38,73

720

1,35

22,46

1900

6,16

38,73

1990

6,46

38,73

790

1,56

23,51

2050

6,65

38,73

2160

7,01

38,73

860

1,77

24,58

2200

7,14

38,73

2330

7,56

38,73

930

2,00

25,63

2350

7,62

38,73

2500

8,11

38,73

1000

2,23

26,68

2500

8,11

38,73

Для ПВ 50%, данные заносим в таблицы 3.9 и 3.10.

Таблица 3.9

Допустимые момент и мощность привода FCM 355

при ПВ=50%.

Режим 1

Режим 2

Режим 3

N, об/мин

PS6, кВт

M­доп, Н∙м

n, об/мин

PS6, кВт

M­доп, Н∙м

n, об/мин

PS6, кВт

M­доп, Н∙м

150

0,14

11,08

800

1,27

18,90

300

0,32

12,89

1000

1,79

21,32

970

1,70

20,95

370

0,43

13,74

1150

2,23

23,12

1140

2,19

22,98

440

0,54

14,57

1300

2,71

24,93

1310

2,75

25,03

510

0,66

15,41

1450

3,25

26,73

1480

3,36

27,08

580

0,79

16,26

1600

3,82

28,53

1650

4,03

29,13

650

0,93

17,09

1750

4,45

30,33

1820

4,72

30,94

720

1,08

17,94

1900

4,92

30,94

1990

5,16

30,94

790

1,24

18,79

2050

5,31

30,94

2160

5,60

30,94

860

1,41

19,62

2200

5,70

30,94

2330

6,04

30,94

930

1,59

20,47

2350

6,09

30,94

2500

6,48

30,94

1000

1,79

21,32

2500

6,48

30,94

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

 PAGE  * LOWER 23

ЭИЭО 747001.000
Таблица 3.10

Допустимые момент и мощность привода FCM 375

при ПВ=50%.

Режим 1

Режим 2

Режим 3

N, об/мин

PS6, кВт

M­доп, Н∙м

n, об/мин

PS6, кВт

M­доп, Н∙м

n, об/мин

PS6, кВт

M­доп, Н∙м

150

0,19

15,20

800

1,74

25,99

300

0,44

17,68

1000

2,45

29,22

970

2,33

28,73

370

0,58

18,83

1150

3,05

31,70

1140

3,01

31,54

440

0,74

19,99

1300

3,72

34,17

1310

3,77

34,35

510

0,90

21,14

1450

4,45

36,65

1480

4,60

37,14

580

1,08

22,29

1600

5,24

39,12

1650

5,52

39,95

650

1,28

23,46

1750

6,10

41,60

1820

6,47

42,43

720

1,48

24,61

1900

6,75

42,43

1990

7,07

42,43

790

1,70

25,76

2050

7,29

42,43

2160

7,68

42,43

860

1,94

26,92

2200

7,82

42,43

2330

8,28

42,43

930

2,19

28,07

2350

8,35

42,43

2500

8,89

42,43

1000

2,45

29,22

2500

8,89

42,43

Используя полученные данные, изобразим требуемые и механические характеристики приводов. Характеристики для FCM355 и FCM375 изображены на рис. 3.5 и 3.6 соответственно.

Рис. 3.5. Механические характеристики FCM 355.

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

 PAGE  * LOWER 24

ЭИЭО 747001.000
Рис. 3.6. Механические характеристики FCM 375.

Из приведенных выше характеристик видно, что ни один из предложенных приводов не способен работать в заданных режимах. Приводы перегружаются на пониженных частотах вращения режимов 1 и 2. Решить эту проблему можно установкой независимого охлаждения. Если приводы будут работать при независимом охлаждении, то при пониженных частотах вращения вала степень охлаждения привода останется неизменной. Это приведет к тому, что и допустимый момент привода будет равен номинальному на всем диапазоне скоростей. В этом случае допустимым моментом будет являться максимальный момент, рассчитанный в таблицах 3.7 и 3.8. Это 28,24 и 38,73 Н∙м для приводов FCM 355  и FCM 375 соответственно при ПВ 60%.

С другой стороны максимально возможный момент перегрузки (Мmax = 1.6 Mном), который может выдержать в течении 1 минуты, составляет для FCM 355 – 28 Н*м, а для FCM 375 – 38,4 Н*м. Видно, что оба привода могут обеспечить требуемый момент.

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

 PAGE  * LOWER 25

ЭИЭО 747001.000
Оценим фактическую перегрузку приводов относительно их номинального момента.

Нагрузка для FCM355, будет равна:

а для FCM375:

Согласно техническим данным приводов [1], при работе с нагрузкой в 160% от номинальной в течение минуты, происходит отключение привода. Повторное включение привода  разрешено защитой преобразователя только через 5 минут в течение которых происходит охлаждение. В случае меньшей нагрузки (142,8%), при использовании привода FCM 355 для его повторного включения следует выждать приблизительно  около 3-х минут. Такой режим работы не удовлетворяет технологии работы данной установки.

3.6. Окончательный выбор электропривода

Двигатель в FCM355 допускает 200% нагрузку, из-за ограничений преобразователя частоты по току перегрузки, такой комплект использовать нельзя. А так как привода Danfoss серии FCM300 – комплектные, то нет возможности установить на двигатель мощностью 5,5 кВт преобразователь частоты с мощностью 7,5 кВт. Таким образом, для грунтопроходческого станка выбирается комплект: асинхронный двигатель – преобразователь частоты Danfoss FCM375. так как он способен работать в требуемом режиме, но только при использовании независимого охлаждения.

Приведем основные технические данные выбранного привода (см. таблицу 3.11):

Таблица 3.11

Питание от сети (L1, L2, L3):

Напряжение питания

3 x 380/400/415/440/ 460/480 V ±10%

Частота подаваемого напряжения

50/60 Гц

Макс. искажение напряжения питающей сети

± 2,0% от номинального питающего напряжения

КПД привода

0,90 от номинала при номинальной нагрузке

Коэффициент мощности (cos j)

в окрестности единицы (> 0,98)

Включение входного питания L1, L2, L3

1 раз в 2 минуты

Характеристики крутящего момента:

Пусковой момент (постоянный крутящий момент)

160 % в течение 1 мин

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

 PAGE  * LOWER 26

ЭИЭО 747001.000
Внешний вид выбранного комплекта преобразователь частоты + двигатель фирмы Danfoss FCM 375 представлен на рис. 3.7.

Рис. 3.7. Внешний вид FCM 375.

3.7. Рекомендации по использованию привода 

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

 PAGE  * LOWER 27

ЭИЭО 747001.000
На рис 1.1 показана циклограмма нагрузки. Где время tвкл зависит от скорости прохода инструмента в грунт, а tхх от времени наращивания дополнительной штанги инструмента, при котором электропривод работает на ХХ. Следует заметить, что скорость прохода определена и составляет ≤ 0,5 м/мин. Таким образом, ГС должен подать в грунт сменную штангу  не более чем за 36 секунд. Меняя время работы привода на холостом ходу можно добиться различных значений ПВ и общей скорости прохода установки.

Установку можно использовать в условиях повышенной нагрузки с моментом сопротивления до 38,4 Н×м. При таком моменте сопротивления электропривод испытывает нагрузку 160% относительно номинальной. FCM 375 может работать при такой нагрузке в течение 1 минуты, после чего происходит его аварийное отключение. Время работы под нагрузкой составляет не более 36 секунд.

Таким образом, установка не успевает  нагреться до температуры отключения.

Так как электропривод используется с независимым охлаждением с небольшой перегрузкой, можно использовать ПВ со значениями близкими к 100%.

В таблице 3.12 представлены рекомендации по использованию привода относительно ПВ и общей скорости прохода установки.

Таблица 3.12

Рекомендации относительно ПВ привода.

ПВ%

Номинальная нагрузка (время бурения), сек

Работа на ХХ

(время установки секции), сек

Скорость прохода, м/час

42

36

50

42

48

36

40

48

54

36

30

54

60

36

24

60

4. Разработка электросхемы ЭО

4.1. Назначение электрооборудования ГС

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

 PAGE  * LOWER 28

ЭИЭО 747001.000
На рис. 4.1 приведена принципиальная схема электрооборудования[6].

Электрооборудование служит для управления приводом маслостанции, управления промывочным и грязевым насосами,  защиты электрооборудования и рабочего персонала.

Далее приведено назначение элементов использованных в принципиальной схеме электрооборудования установки.

Элементы питания: клеммы XТ1, XТ2, XТ3; трансформатор TV1; блок питания БП.

Элементы защиты: автоматические выключатели Q1, Q2, Q3, Q4, Q5, Q6, Q7, Q8, Q9; ОЗУ F1; реле чередования фаз К1; реле напряжения КV1; датчики SK1, SK2, SL; охладитель М4.

Элементы управления: кнопки SB1, SB2, SB3, SB4, SB5, SB6, SB7, SB8, SB9, SB10; потенциометр R1; пульт программирования LCP 2.

Элементы сигнализации: лампы: HL1, HL2, HL3, HL4, HL5, HL6, HL7, HL8; индикатор скорости вращения привода маслостанции.

Элементы привода: пускатели KM1, КМ2, КМ3; двигатели M1, М2, М3, М4, М5.

Соединительные элементы: разъемы  X1, X2, X3, X4, X5, X6, X7, X8, X9, X10, X11, X12, X13, X14, X15.

Рис. 4.1. Принципиальная схема электрооборудования.

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

 PAGE  * LOWER 29

ЭИЭО 747001.000

4.2. Принцип работы электрической схемы ЭО

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

 PAGE  * LOWER 30

ЭИЭО 747001.000
1 Подача напряжения на электрооборудование.

1.1. Напряжение 380 В подается при включении дифференциального автоматического выключателя QF1, расположенного в ЭЩ. И на передней стенке ЭЩ загорается лампа HL8 (Сеть).

1.2. При включении выключателей  QF2,....QF8, расположенных в ЭЩ, подается напряжение на электрооборудование и на электрическом пульте ЭПУ2 загорается лампа HL7 («Напряжение на пульт подано»), подано напряжение на клеммы ХТ2 ЭЩ.

1.3. При низком уровне масла в маслобаке на панели блока, расположенного в контейнере маслостанции, загорится сигнальная лампа HL3. «Низкий уровень масла». Если уровень масла в норме лампа HL3 не горит.

1.4. При подаче напряжения на ЭПУ включится цифровой индикатор. 

1.5. Отключение напряжения со всего электрооборудования осуществляется автоматическим выключателем QF1.

Отключение напряжения 380В производится автоматическими выключателями:

с электрооборудования маслостанции - QF5,

с промывочного насоса – QF6,

с грязевого насоса - QF7,

со схемы управления QF4,

с блока питания (БП) – QF8.

Отключение напряжения 36 В с клемм ХТ2 производится автоматическим выключателем QF2.  

2. Управление приводом масляного насоса.

2.1. В качестве привода гидронасоса маслостанции используется комплектный привод ф. Danfoss типа FCM375. Он состоит из преобразователя частоты (ПЧ) и сопряженного с ним двигателя (М1). Все это выполнено в виде единого

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

 PAGE  * LOWER 31

ЭИЭО 747001.000
конструктивного блока, расположенного в контейнере маслостанции. Управление скоростью вращения двигателя маслостанции М1 осуществляется за счет изменения частоты подводимого к двигателю напряжения. Для визуального контроля частоты напряжения питания двигателя М1 используется цифровой индикатор. Цифровой индикатор расположен на ЭПУ.

2.2. Для приведения М1 во вращение сначала  подается напряжение  на ПЧ.  Для этого следует нажать кнопку SB4 (“Включение напряжения на МС”) на ЭПУ2, срабатывает пускатель КМ1 и своими контактами подает напряжение на вход ПЧ (клеммы ПЧ L1,L2,L3). Затем с помощью кнопки управления «Пуск» ЭПУ включается ПЧ и от него подается напряжение на двигатель М1.

2.3. Одновременно с пуском двигателя срабатывает реле встроенное в ПЧ, срабатывает реле KV1 и включает  вентилятор охлаждения ПЧ.

2.4. Регулирование частоты вращения осуществляется за счет изменения частоты подводимого к двигателю напряжения. Для задания частоты напряжения используется потенциометр R, установленный на ЭПУ.

2.5. Отключение  вращения двигателя М1 осуществляется кнопкой “Стоп”. Двигатель тормозится до полной остановки за счет момента сотротивления на его валу.

2.6. Для отключения напряжения с ПЧ и двигателя следует нажать кнопку SB3 «Стоп». В этом случае отпускает пускатель КМ1 и отключает напряжение с входа ПЧ,  вентилятора ПЧ и охладителя масла.  

2.7. Защита насоса маслостанции осуществляется с помощью датчиков уровня SL1 и датчиков температуры SK1и SK2.

2.7.1. При снижении уровня масла ниже допустимого уровня датчик SL1 размыкает свой контакт и отключает пускатель КМ1,  маслостанция отключается. На панели блока МС загорается лампа «Низкий уровень масла» Следует долить масла в бак.

2.7.2.При достижении температуры   +45 0 С размыкает контакты датчик SK2 и своими контактами включает двигатель вентилятора охладителя масла. При снижении температуры приблизительно до 35-400 С датчик размыкает контакты и вентилятор отключается.

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

 PAGE  * LOWER 32

ЭИЭО 747001.000
2.7.3. При достижении температуры + 650 С размыкает контакт датчик SK1 и отключает пускатель КМ1, который отключает питание с электрооборудования МС и она выключается. На панели блока МС загорается лампа «Перегрев масла» Повторное включение в штатном режиме возможно после остывания масла до рабочей температуры (около 500 С).

2.8. Защита двигателя М1 от перегрузки, коротких замыкания в двигателе осуществляется с помощью ПЧ в котором, произведены соответствующие настройки.

2.9. В соответствии с требованием о временной задержке перед повторным включением напряжения на клеммы ПЧ (L1, L2, L3), изложенными в технических характеристиках   в схеме предусмотрено  реле времени КТ1. Оно предназначено для получения выдержки времени перед повторной подачей напряжения  на входные клемм ПЧ (L1, L2, L3). Частота подачи напряжения на эти клеммы не должна быть больше, чем один раз за две минуты. Установлена выдержка около 2 минут.

4.3. Перечень элементов

Перечень элементов к предложенной схеме ЭО представлен в Приложении 1 к данной работе[4][7].

5. Конструкция Механизма продавливаия

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

 PAGE  * LOWER 32

ЭИЭО 747001.000
Механизм продавливания грунтопроходческой установки представляет собой довольно сложную конструкцию и изображен на рис. 5.1.

Рис 5.1 Механизм продавливания.

Приведем конструктивную схему механизма продавливания.

Рис 5.2 Конструктивную схема механизма продавливания.

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

 PAGE  * LOWER 32

ЭИЭО 747001.000
Сам механизм перед началом работы установки помещается в технологический колодец. После чего укрепляется там при помощи распорок 4. После чего на суппорт 3 устанавливается сменная штанга. И под давлением жидкости гидроцилиндры 1 начинают вдавливать в грунт инструмент. С помощью камеры 2 происходит отслеживание точности направления продавливания. Поворот инструмента осуществляется с помощью храпового колеса.

 

Заключение

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

 PAGE  * LOWER 32

ЭИЭО 747001.000

o  

o  

o     выбора преобразователя частоты для привода масляного насоса ГС;

o     регламенту режимов работы ГС

o     ГС.

Отдельным пунктом является обоснование выбора ПЧ к данной установке. Приведены расчеты на основании которых производится выбор электропривода установки.

Материалы и полученные по результаты работы могут использоваться при проектировании аналогичных грунтопроходческих установок.

Список используемой литературы

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

 PAGE  * LOWER 32

ЭИЭО 747001.000
1. Danfoss FCM 300 Series. – Danfoss trademark, 2004.-104 с.

2. Инструкции по эксплуатации FC 300 – Данфосс А/О, 2003.-68 с.

3. Технический каталог. Издание второе исправленное и дополненное – Владимирский электромоторный завод, 2003.-74 с.

4. Федоров А.А., Каменева В.В. Основы электроснабжения промышленных  предприятий. Учебное пособие для курсового и дипломного проектирования. - М., Энергоатомиздат, 1987.-368 с.

5. Правила устройства электроустановок. – СПб.: Издательство ДЕАН, 2001.-928с.

6. Усатенко С.Т., Каченюк Т.К., Терехова М.В. Выполнение электрических схем по ЕСКД: Справочник.-М.: Издательство стандартов,1989.-325с.

7. Электротехнический справочник Т.2. Электротехнические изделия и устройства. М.: Энергоатомиздат 1986.