Неженцев А.Б.

Восточноукраинский национальный университет им. В.Даля

Анализ потерь энергии при торможении
кранов мостового типа

Краны мостового типа, являясь одним из основных средств внутризаводского транспорта, по сравнению с другим оборудованием имеют один из самых низких КПД. Поскольку в Украине эксплуатируется около 35 тысяч указанных кранов, то решение задачи снижения их энергопотребления является очень актуальным и обещает значительный экономический эффект.

Большие потери энергии обусловлены как устаревшими системами управления крановыми электроприводами, так и нерациональными режимами работы механизмов (массовое применение торможения противовключением и др.).

В работах по теории электропривода [1, 2 и др.] как правило, используется упрощенный подход, основанный на представлении машины в виде одномассовой модели. Поскольку при этом не учитываются такие важные факторы как упруго - вязкие свойства металлоконструкции крана, колебания груза и др., то такой подход для кранов оправдан только при грубой оценке потерь энергии.

Для анализа потерь энергии в тормозных режимах мостовой кран был представлен в виде трехмассовой расчетной схемы [3, 4], описываемой системой нелинейных дифференциальных уравнений. При этом приведенная к ходовым колесам сила электропривода , определялась в зависимости от тормозного режима работы электродвигателя (противовключение - , динамическое торможение – ) по формулам:

; (1) , (2)

где ; - постоянные для j-ой искусственной характеристики двигателя; - критический момент двигателя; - критическое скольжение на механической характеристике j; - скорости передвижения крана, соответствующие синхронной и текущей частотам вращения ротора двигателя; - передаточное число привода; r - радиус ходового колеса; η - коэффициент полезного действия механизма.

На рис. 1 приведены механические характеристики электропривода мостового крана в режимах противовключения (а) и динамического торможения (б).

а) б)

Рис. 1. Механические характеристики электропривода мостового крана г/п 20 т в режимах: а – противовключения; б – динамического торможения

В работе [5] приведены выражения, позволяющие рассчитывать потери энергии в тормозных режимах:

- противовключения

; (3)

- динамического торможения

. (4)

Интегрирование системы нелинейных дифференциальных уравнений, описывающих движение мостового крана, представленного трехмассовой расчетной схемой [3, 4], с уравнениями (1-4) осуществлялось численным методом с помощью разработанной компьютерной программы [4].

На рис. 2 приведены типичные графики потерь энергии при торможении мостового крана грузоподъемностью 20/5т в режимах противовключения (рис. 2,а) и динамического торможения (рис. 2,б).

а) б)

Рис. 2. Графики потерь энергии при торможении мостового крана
г/п 20/5т в режимах: а–противовключения; б-динамического торможения

Анализ результатов исследований показал, что в отличие от выводов, основанных на рассмотрении упрощенной модели [1, 2 и др.], потери энергии в приводе передвижения крана существенно зависят от вида механической характеристики. Так при торможении мостового крана г/п 20/5т в режиме противовключения потери энергии составляют от 452,0 кДж (торможение по характеристике 1_пр) до 706,2 кДж (торможение по характеристике 6_пр) т.е. отличаются в 1,6 раза. При динамическом торможении крана по разным механическим характеристикам потери энергии изменяется еще больше, поскольку форма механической характеристики зависит не только от величины сопротивлений в цепи ротора, но и от многих других факторов (вида возбуждения, величины тока возбуждения, схемы включения обмоток статора и ротора двигателя и др.). Поэтому отличие между потерями энергии при противовключении и динамическом торможении, составляет не три раза как приводится в литературе, а может быть как значительно больше 1…3, так и меньше.

Проведенные исследования позволили сделать следующие выводы:

- расчеты потерь энергии при торможении мостовых кранов необходимо осуществлять с помощью математических моделей, учитывающих все основные параметры электромеханической системы «привод – металлоконструкция - груз», что позволяет значительно повысить точность расчетов;

- результаты исследований показывают ошибочность выводов о том, что потери энергии не зависят от вида механической характеристики. Отличие между потерями энергии, полученными при торможении мостового крана г/п 20/5т по разным механическим характеристикам составляет в режиме противовключения 1,6 раза, а в режиме динамического торможения с независимым возбуждением – более чем 2,5 раза;

- проблема снижения энергопотребления грузоподъемных кранов должна решаться в комплексе с задачами снижения уровня динамических нагрузок и повышения производительности. Поэтому задача обеспечения максимальной производительности грузоподъемных кранов при минимуме энергопотребления может решаться как путем модернизации кранового электропривода за счет применения частотного управления, так - и разработкой алгоритмов оптимизации приводов кранов по обобщенному критерию и их реализация с помощью микропроцессорной техники.

Литература

1. Основы автоматизированного электропривода / Чиликин М.Г. и др. - М.: Энергия. –1974.- 568 с.

2. Ключев В.И. Теория электропривода. –М.: Энергоатомиздат, 1985.–560с.

3. Неженцев А.Б., Аветисян С.М. Повышение эффективности энергопотребления грузоподъемных кранов // Сб. трудов научно-практической конференции «Перспективы рынка подъемных сооружений в едином экономическом пространстве». – Одесса: Астропринт, 2004. – С. 114-122.

4. Аветисян С.М., Неженцев А.Б. Программное обеспечение для исследования переходных процессов грузоподъемных кранов (часть 1: при работе механизмов передвижения) // Підйомно-транспортна техніка, №4(8). - Днепропетровск, 2003. – с. 33-48.

5. Неженцев А.Б. Моделирование потерь энергии при торможении грузоподъемных кранов // Materialy VII Międzynarodowej naukowi-praktycznej konferencji «Nauka i inowacja - 2011». Volume 16. Techniczne nauki.: Przemyśl. Nauka i studia, 2011. – str. 68–70.