Электрификация авторемонтного цеха и автоматизация электрооборудования мостового крана

Введение

Основой экономики всех индустриальных стран мира является электроэнергетика. 20 век стал периодом интенсивного развития этой важнейшей отрасли промышленности.

Переход от централизованного управления электроэнергетической отраслью к функционированию в рамках суверенных государств показал, что изолированная работа энергосистем не может полноценно и с достаточной степенью надежности удовлетворять потребностям экономики и населенияв электрической энергии.

Начало 21 века можно охарактеризовать как годы определенной стабилизации работы электрических систем. Но электрооборудование стареет как морально так и физически, что требует разработки и введения в эксплуатацию новых видов электрооборудования.

Данный дипломный проект направлен на модернизацию системы электроснабжения авторемонтного цеха, с целью увеличения качества, надежности и безопасности работы электроприемников. При этом, частью дипломного проекта является также модернизация электрооборудования мостового крана. В конце приведены экономические расчеты, подтверждающие выгоду внедрения новых технологий в производство.

Характеристика объекта проектирования

1.1 Характеристика производственной зоны и средств механизации на объекте проектирования

Авторемонтный цех является частью «Ижевского авторемонтного завода».

Цех предназначен для ремонта и изготовления деталей и узлов автомобилей. Также цех предназначен для ремонта металлических деталей и металлических соединений.

Здание цеха железобетонное, пол бетонный. Размеры цеха AģB=24ģ18м. Грунт вокруг здания – супесь.

В цехе предусмотрено естественное и искусственное освещение.

Режим работы авторемонтного цеха - односменный.

Автоматизация оборудования

Кранами называются грузоподъемные устройства, служащие для вертикального и горизонтального перемещения грузов на небольшие расстояния. По особенностям конструкции, связанным с назначением и условиями работы, краны разделяются на мостовые, портальные, козловые, башенные и др. В цехах предприятий электромашиностроения наибольшее распространение получили мостовые краны, с помощью которых производится подъем или опускание тяжелых заготовок, деталей и узлов машин, а также их перемещение вдоль и поперек цеха. Вид мостового крана в основном определяется спецификой цеха и его технологией, однако узлы кранового оборудования, например механизмы подъема и передвижения, выполняются однотипными для различных разновидностей кранов.

Нагрузка кранов, как правило, изменяется в широких пределах: для механизмов подъема – от 0.12 до 1; а для механизмов передвижения – от 0.5 до 1 номинального значения. Характерно для кранов также то, что их механизмы работают в повторно-кратковременном режиме, когда относительно продолжительные периоды работы, связанные с перемещением грузов, чередуются с небольшими паузами на загрузку или разгрузку и закрепление груза. Поскольку в кранах применяется многодвигательный привод, и двигатели через передачи связаны с механизмами подъема или передвижения, то они, как и другие элементы оборудования кранов, работают также в повторно-кратковременном режиме при большом числе включения в час.

3.1 Патентный поиск и литературный обзор прогрессивных технологий.

1. Современный преобразователь частоты для кранового электропривода.

Основным элементом современных электроприводов переменного тока является преобразователь частоты. Несмотря на многооборазие существующих на данный момент алгоритмов управления и вариантов аппаратной реализации преобразователе, можно говорить о типовых решениях применяемых большинством производителей. Фактически, выработались негласные стандарты на структуру преобразователей частоты и выполняемые ими функции.

В общем случае можно выделить две основные задачи, решаемее регулируемым электроприводом: управление моментом и скоростью врашения двигателя. Необходимость регулирования момента диктуется предъявляемыми к электроприводу техническими и технологическими требованиями. Для нормального функционирования привода необходимо ограничить момент и ток двигателя допустимыми значениями в переходных процессах пуска, торможения и и приложения нагрузки. Для механизмов, испытывающих при работе значительные перегрузки, возникает необходимость непрерывного регулирования момента двигателя в целях ограничения динамических ударных нагрузок.

Наибольшее распростанение получили преобразователи частоты с промежуточным звеном постоянного тока, построенные по схеме выпрямитель – автономный инвертор. Принцип работы и области применения таких ПЧ зависят от типа используемого выпрямителя и автономного инвертора.

Наибольшее распространение получили неуправляемые выпрямители. Выполняемые на самых простых и дешевых полупроводниковых приборах – диодах, они характеризуются максимальной простотой и надежностью, высоким КПД, а также достаточно высоким качеством выходного напряжения и гармонического состава тока, потребляемого из сети.

Однако неуправляемость процесса преобразования энергии не позволяет реализовать режимы рекуперации, необходимые во многих случаях.

Управляемее выпрямители, выполняемые обычно на низкочастотных тиристорах, лишены как недостатков, так и большинства достоинств диодных выпрямителей. Они обладают высокими КПД и свойством обратимости по направлению преобразования энергии и обычно используются совместно с автономными инверторамитока для регулирования величины выходного тока преобразователя. Недостатки управляемых выпрямителей заключаются в повышенном уровне пульсаций выпрямленного напряжения, в пониженном значении коэффициента мощности, который уменьшается пропорционально выходному напряжению, и в одностороннем направлении выходного тока. При необходимости обеспечить протекание выпрямленного тока в обоих направлениях используют реверсивные тирристорные преобразователи, состоящие из двух включенных встречно – параллельно включенных тиристорных выпрямителей, один из которых предназначен для протекания тока нагрузки в прямом, а другой в обратном направлении. Это усложняет и удорожает преобразователь.

Современный асинхронный привод динамично развивается и характеризуется широким спектром предлагаемых технических и алгоритмических решений.

Преобразователи частоты производства ОАО «Электровыпрямитель»

В течении ряда последних лет ОАО «Электровыпрямитель» совместно с НТЦ электротехники и транспорта ведет работы по освоению промышленного производства преобразователя для асинхронного электропривода переменного тока. Преобразователи разрабатываются на основе отечественных материалов и комплектующих, в том числе на силовых приборах, выпускаемых ОАО «Электровыпрямитель», - тиристорах, диодах, ограничителях напряжения, полупроводниковых резисторах, IGBT – транзисторах.

Преоборазователи частоты для асинхронного электропривода предназначены для обеспечения энергосбережения и повышения эффективности применения за счет плавного регулирования скорости, а также для установки на новых объектах. Кроме энергосбережения использование преобразователей частоты обеспечивает также оптимизацию технологических процессов и ресурсосбережение, устранение пусковых токов двигателей, механических ударов в нагрузке.

Преобразователь частоты содержит следующие основные части:

- узел ввода с ограничением перенапряжений;

- тиристорный выпрямитель;

- фильтр звена постоянного тока;

- ШИМ – инвертор на IGBT – транзисторах;

- фильтр выходного переменного тока.

Интеллектуальные силовые модули International Rectifier

Модули нового семейства, как и их аналоги, предназначены для реализации управления трехфазными бесконтактными электродвигателями – асинхронными и бесконтактными двигателями постоянного тока. поэтому в их состав также входит трехфазный инвертор со схемой управления и защиты. Однако по сравнению с аналогами они обладают рядом преимуществ.

В отличие от своих аналогов модули IR выпускаются с несколькими версиями исполнения электрической схемы. В настоящее время серийно производятся две версии модулей – А и В. Версия А – вариант с открытыми эмиттерами нижних ключей инвертора, версия В – вариант со встренными шунтом в цепи шины нулевого потенциала. Это позволяет реализовать различные комбинации токовых обратных связей и выбирать оптимальную применительно к конкретному случаю.

В состав модулей, как и в их аналоги, входит по шесть кристаллов IGBT – транзисторов и антипараллельных ультрабыстрых диодов.

3.2 Разработка структурной схемы технологического процесса.

Мостовой кран работает в повторно-кратковременном режиме. За смену кран перевозит от 10 до 15 различных деталей. Максимальная грузоподъемность крана равна 10 тоннам.

Структурная схема для мостового крана представляет собой описание технологических операций по перемещению груза в вертикальном и в горизонтальном направлениях. Для осуществления технологического процесса, необходимо точно знать, в каких условиях будет работать кран, в каком помещении он будет находиться, на какой высоте, при каком освещении будет работать персонал и т.д. Для подъема, перемещения и спуска груза необходимо выбрать двигатель нужной мощности, иначе может произойти перегрев и перегрузка. Структурная схема технологического процесса состоит из простейших элементов, таких как, спуск пустого крюка – закрепление груза на крюке – подъем груза – перемещение груза на расстояние – спуск груза в точке назначения – снятие груза с крюка.

Таким образом обеспечиваетя технологический процесс работы мостового крана.

3.6 Разработка схемы электрической принципиальной.

Электрический привод мостового крана состоит из асинхронного фазного электрического двигателя, силового блока тиристоров с цепи статора, силового блока тиристоров в цепи ротора.

Тиристорные блоки работают в режиме ключей. Тиристор – управляемый полупроводниковый прибор, состоящий из четырехслойного кристалла кремния со структурой р-п-р-п. Внешние выводы от крайних слоев служат катодом и анодом, а вывод от одной внутренней базовой области – управляющим электродом. Если на управляющий электрод ток не подается, то тиристор заперт. Если на управляющий электрод подан ток, то тиристор, находящийся под анодным напряжением, переходит в состояние проводимости.

Цепь остается включенной в течение всего времени, пока подаются управляющие импульсы. При снятии запирание тиристоров происходит автоматически после прохождения переменного тока в силовой цепи через нуль. Следовательно, время отключения составляет полпериода, т.е. 0,01 с, что в 1020 раз меньше, чем у традиционных выключателей. Тиристоры включены встречно-параллельно. Если на управляющие электроды подаются маломощные импульсы, то один тиристор проводит ток в первую половину периода а второй тиристор проводит ток во вторую половину периода.

Сигнал на управляющие электроды тиристоров статора и ротора подается от схемы микроконтроллера. С помощью переключателя SA2 задается направление движения и скорость подъема.

Электрический привод содержит асинхронный двигатель с фазным ротором. Разгон двигателя происходит в три ступени. И осуществляется с помощью тиристоров цепи ротора двигателя. С помощью переключения тиристорного блока ротора, двигатель можно переводить с одной искусственной характеристики на другую, в зависимости от потребляемого этим двигателем электрического тока. Благодаря такому разгону, двигатель не перегревается.

Ограничителями пусковых токов в данном случае являются дополнительные сопротивления в цепи ротора R1R12. Потребление электрического тока асинхронным двигателем контролируется с помощью сигнализации, и системы обратной связи осуществляемой через трансформаторы тока TA1,TA2. В результате действия системы обратной связи в электрическом приводе крана, полупроводниковая система управления сама может ограничивать токи статора двигателя, в зависимости от их значения.

3.5 Выбор элементов схемы.

Основными элементами схемы являются силовые тиристоры VS1VS6, которые выбираются таким образом, чтобы максимальный рабочий ток тиристора превышал ток двигателя электрического привода. Если данное условие не соблюдается, то тиристоры будут перегреваться, и даже могут сгореть. Для того чтобы тиристоры не перегревались при перегрузках двигателя, их устанавливают на специальных радиаторах – охлаждающих крепежных элементах, которые изготавливаются из теплоемкого металла.

Также в схеме широко используются триодные ключи, благодаря которым и происходит формирование сигнала поступающего на управляющие электроды тиристоров. Основными элементами схемы являются трансформаторы, которые необходимы для получения нужного уровня напряжения. Схема содержит ряд дополнительных полупроводниковых приборов, таких как, диоды, резисторы конденсаторы и т.д.

Таким образом, коммутация цепи управления происходит на основе бесконтактной системы, что позволяет улучшить пусковые, рабочие и тормозные характеристики электрического привода, а также уменьшить потребление электрической энергии.

Технико-экономическое обоснование

4.1 Структура энергетического хозяйства предприятия

Главным ответственным за энергохозяйство на ижевском заводе пластмасс является главный энергетик предприятия. Он отвечает за все технологическое оборудование на предприятии. Главному энергетику предприятия подчиняются и энергетики и мастера цехов и участков. Которые в свою очередь имеют в подчинении рабочих. Такая организация энергетического хозяйства позволяет наболее эффективно управлять энергетикой.

Немаловажную роль играет на предприятии отдел снабжения, который служит для своевременного оснащения производства новыми деталями и электрическими аппаратами.

4.2 Характеристика объекта обслуживания

Объектом обслуживания является мостовой кран. Мостовой кран работает в повторно-кратковременном режиме. За смену кран перевозит от 10 до 15 различных деталей. Максимальная грузоподъемность крана равна 10 тоннам.

Основным электрооборудованием крана являются двигатели (двигатель подъема и спуска, двигатель продольного передвижения и двигатель поперечного передвижения тележки) также немаловажным является электрооборудование для управления двигателями. Так как был модернизирован двигатель подъема и спуска, и поставлена новая бесконтактная система управления мостовым краном, то приведен экономический расчет по вновь установленному оборудованию.

Заключение

В результате спроектированной системы элетроснабжения авторемонтного цеха предприятие получает питание от энергосистемы по кабельной линии электропередачи напряжением 10 кВ. В качестве пункта приёма электроэнергии используется трансформаторная КТП с трансформатором мощностью 250 кВģА. Вся электроэнергия от КТП распределяется на напряжении 0,4 кВ по кабельным линиям.

В результате чего была определена схема распределения электроэнергии по цеху - смешанная. Питание цеха осуществляется кабельными линиями, проложенными в супеси. Для выбора элементов схемы электроснабжения был проведён расчёт токов короткого замыкания. На основании этих расчетов были выбраны аппараты защиты. Предложенная схема электроснабжения отвечает требованиям надёжности, экономичности и безопасности.

Так же в ходе выполнения дипломного проекта были внесены изменения в электрическую схему патронноцентрового: произведена замена старого электродвигателя главного привода АО514 на двигатель марки МКТВ, который имеет лучшие технические показатели; также убраны элементы схемы управления: пускатели, автоматические выключатели с помощью чего уменьшились затраты на ремонт и обслуживание электрооборудования.

Данная модернизация способствует повышению надежности работы оборудования, уменьшению затрат на обслуживание и ремонт, а также снижает уровень энергопотребления, что является важным критерием экономичности работы станка.. Она привела к уменьшению эксплуатационных затрат на содержание оборудования, а также уменьшает число текущих и капитальных ремонтов, что в конечном итоге сказывается на себестоимости выпускаемой продукции и доходов предприятия.

В ходе выполненного дипломного проекта были определены затраты связанные с модернизацией электрооборудования вентилятора определена балансовая стоимость электрооборудования 45287 руб, рассчитаны эксплуатационные затраты электрооборудования за год, которые составляют 133855 руб.