Целью данной курсовой работы является преобразование релейно-контактной схемы управления механизмом подъема крана, с использованием силового кулачкового контроллера ККТ 69А. Преобразования требуется произвести с сохранением условий работы схемы установки, силовых пускателей, контакты которых коммутируют силовую схему и непосредственно самого силового контроллера. Бесконтактная схема, в отличие от релейно-контактной характеризуется следующими достоинствами:

- бесконтактное оборудование более дешевое;

- бесконтактное оборудование характеризуется более высокой надежностью;

- увеличивается срок службы установки и т.д.

Рассматриваемая схема взята из справочника.

1. Технологическая часть

Силовые кулачковые контроллеры относятся к категории аппаратов ручного управления. Они предназначаются для непосредственного управления двигателями постоянного и переменного тока различных грузоподъемных машин.

Простота конструкции и безотказность в работе, а также минимально возможные габариты относительно сложного коммутационного устройства предопределили широкое распространение силовых кулачковых контроллеров для электроприводов кранов с невысокими требованиями по износостойкости.

В крановых электроприводах переменного тока используются контроллеры серии ККТ 60А. Они выполняют все функции, связанные с коммутацией цепи двигателя и цепей управления. Что касается защит - нулевой, нулевой блокировки, максимальной и путевой, то они осуществляются с помощью специальных устройств.

Контроллеры серии ККТ 60А изготавливаются со степенью защиты IP33. Привод кулачковых контроллеров ККТ 60А осуществляется с помощью рукоятки. Усилие на рукоятке не более 50Н. Контролеры рассчитаны для установки на горизонтальной плоскости лампами вниз, на вертикальной плоскости - рукояткой вверх. Основой конструкции контроллеров кулачкового типа является блок коммутационных элементов с кулачковым валом, размещенным в алюминиевом корпусе. Крышки выполняются из алюминиевых сплавов. Максимальное число контактных элементов - 12. При этом предусматривается двухрядное расположение элементов - по шесть в каждом ряду.

Рисунок 1.1 - Общий вид кулачкового контроллера серии ККТ 60А

Основные конструктивные решения, принятые для крановых кулачковых контроллеров, видны на Рисунке 1.1, на котором показан общий вид кулачкового контроллера серии ККТ 60А. У контроллеров этой серии коммутационные элементы размещаются на двух пластмассовых рейках 6. Привод элементов осуществляется с помощью кулачковых шайб, смонтированных на барабане 5. Каждая из шайб управляет одновременно двумя кулачковыми элементами, размещенными на 2-х рейках. Кулачковые шайбы имеют определенный профиль для создания необходимой последовательности коммутации пары контактных элементов. Поворот кулачкового барабана производиться рукояткой 4. Главные контакты 2 контроллера выполнены из меди. Неподвижные контакты укреплены непосредственно на пластмассовых рейках, а подвижные контакты установлены на контактных рычагах 3 с шарнирно-пружинной связью между рычагом и контактом. Электрическая связь подвижных контактов с выводными зажимами осуществляется через гибкое соединение.

При набегании гребня кулачковой шайбы на ролик контактного рычага последний поворачивается и контакты размыкаются. Наоборот, при сходе ролика с гребня шайбы рычаг под действием возвратной пружины переводит контакты в замкнутое состояние. Такая система обеспечивает высокую надежность коммутации, поскольку даже при приваривании главных контактов они механически отрываются при повороте вала барабана. Профиль гребня кулачковых шайб и устройства фиксирования рабочих положений вала контроллера (состоит из храповика и фиксатора) обеспечивает эффективную установку вала в рабочие положения контроллера и исключение такого положения главных контакторов, когда они не имеют определенного коммутационного состояния.

Угол поворота вала и размеры кулачковых шайб выбраны с таким расчетом, чтобы при предельном износе движущихся элементов и возможных производственных допусках сохранилась заданная программа замыкания контактов.

Коммутация тока контактами контроллера естественная, без дугогасительных устройств. Для предотвращения перебросов дуги между элементами при размыкании больших токов с внутренней стороны крышки контроллера укреплены камеры, отделяющие коммутационные зоны элементов друг от друга.

В серии контроллеров переменного тока предусмотрены исполнения ККТ 65А и ККТ 69А (предназначаются только для механизмов подъема) с улучшенными энергетическими и регулировочными показателями. Контроллеры ККТ 65А и ККТ 69А, выполняемые с использованием принципа динамического торможения с самовозбуждением, обеспечивают устойчивы диапазон регулирования скорости 8:1. Указанные исполнения применяются вместе с магнитным контроллером ТРД 160, предназначенным для получения режима динамического торможения. Кулачковые контроллеры ККТ 65А и ККТ 69А обеспечивают заданный диапазон регулирования скорости без применения толчкового режима работы. Они могут быть рекомендованы для кранов легкого, среднего а также тяжелого режимов работы с большими скоростями подъема и спуска, а также с более жесткими требованиями к точности остановки.

Принцип динамического торможения с самовозбуждением основан на подключении статора электродвигателя к выпрямленному напряжению ротора. От обычной схемы динамического торможения схема с самовозбуждением отличается автоматической зависимостью тока возбуждения от нагрузки электродвигателя, а также отсутствием понизительного трансформатора.

Рисунок 1.2 - Схема кулачкового контроллера ККТ 69А

2. Условие работы установки: датчики, режимы работы, требования к защите и сигнализации, виды управления установкой

релейный кран контроллер кулачковый

В схеме контроллера ККТ 69А узел с реле РКТ, введенный в силовую цепь двигателя, отключается на нулевом положении контактором КД в целях снижения потерь в контуре подпитки. Отключение контактора КД происходит не сразу, т.е. выдержкой времени, определяемой реле РУ. Такая задержка требуется для обеспечения динамического торможения при остановке привода.

Особенностью схемы узла динамического торможения является потенциометрическое включение выпрямительного моста с пускорегулировочными резисторами, при котором входное сопротивление моста на порядок ниже сопротивлений нерегулируемых ступеней резисторов Р13 - Р7, Р8, Р9. Благодаря этому, с одной стороны, контур переменного тока замкнут на всех положениях, что значительно повышает надежность системы, а с другой - достигается постоянство коэффициента компаундирования, равного отношению тока возбуждения (тока подпитки) к току ротора.

Применение узла динамического торможения с самовозбуждением позволяет получить достаточно жесткие механические характеристики на спуске, обеспечивающие устойчивые посадочные скорости, что является важным достоинством, применительно к механизмам подъема кранов. Режим динамического торможения реализуется на всех положениях спуска, кроме последнего, на котором двигатель работает от сети с невыключаемыми ступенями резисторов в цепи ротора, необходимость в которых определяется условиями обеспечения нормальных пусков при заданном числе ступеней.

Особенностью построения схем электроприводов на положениях подъема является наличие промежуточного нефиксированного положения П между нулевым и первым положениями, предусмотренное для исключения состояния, при котором могут быть одновременно отключены контакторы КД и КСП, что опасно, поскольку при отсутствии вращающего момента двигателя возможно падение груза. Для исключения этого состояния схемы требуется, чтобы контакт К7 при переводе контроллера из нулевого в первое положение замыкался раньше, чем разомкнется контакт К5. Контакторы КД и КСП электрически и механически сблокированы между собой, чтобы предотвратить возможность короткого замыкания в случае их одновременного включения.

Определенным достоинством контроллера ККТ 69А перед более ранними исполнениями (ККТ 61А и ККТ 62А) является то, что они допускают автоматический разгон двигателя при постановке контроллера из нулевого сразу в крайние положения. В этом случае осуществляется двухступенчатый разгон - сначала по характеристике А (Рисунок 1-3), затем после включения с выдержкой времени контактора КУ - по характеристике, соответствующей крайним положениям.

Контроллер применяется вместе с защитной панелью ПЗКБ, обеспечивающей нулевую (контактор КЛ), максимальную (реле РМ) и конечную (выключатель ВКВ) защиты. Для осуществления режима динамического торможения с самовозбуждением предусмотрен магнитный контроллер ТРД 160, в который входят следующие аппараты: контакторы КД, КСП, КУ и реле РУ, РКТ. В этом же контроллере размещается реле контроля диодов РКД, которое срабатывает в случае пробоя любого диода выпрямительного блока ротора.

Предположим, что в крановой установке для легкого режима работы используется двигатель 4МТН-280М-10 на ток 124 А.

Релейно-контакторная схема питается от переменного напряжения 380В.

Выбираем из [2] электромагнитные пускатели серии ПМ 12-160, которые характеризуются следующими техническими параметрами: в главной цепи пускателя имеется 3 замыкающих и 1 размыкающий контакт, чего вполне достаточно для силовой цепи; имеется 2 замыкающих и 2 размыкающих контакта, которых достаточно для коммутации цепи управления. Максимальный ток силовой цепи равен 150 А, цепи управления 10 А. Катушка пускателя питается от переменного напряжения 380В, мощность при втягивании 515 Вт, в притянутом состоянии - 65 Вт.

Для силовой схемы выбираем автоматический выключатель А 371Х Ф [3], рабочий ток которого . Рабочее напряжение ~380B, количество циклов работы под нагрузкой 10000.

Релейно-контактные принципиальные электрические схемы управления содержат контакты и катушки электрических аппаратов, обмотки электрических машин, магнитных усилителей и т. п. На схемах можно выделить входные элементы А, В, С, D с контактами а, b, с, d, выходные исполнительные элементы Z, Y, X с контактами z, у, х и промежуточные элементы P1, P2, с контактами р1, p2. Через входные элементы в функциональную часть схемы управления подаются входные сигналы. Выходные сигналы поступают в исполнительные элементы непосредственно от выходных элементов или через промежуточные аппараты. Входные, промежуточные и выходные сигналы обозначаются так же, как контакты соответствующих элементов. Сигналы замыкающих контактов обозначаются в структурных формулах буквами без черточек над ними, а размыкающие - буквами с черточками. Работа по составлению структурных формул производится в два этапа.

Первый этап. В результате анализа релейно-контактной схемы производится подразделение всех действующих в схеме сигналов на входные, выходные и промежуточные. Каждому сигналу присваивается буквенное обозначение. При группировке сигналов каждому из них даются необходимые пояснения и для каждого указываются соответствующие буквенные обозначения, принятые в релейно-контактной схеме. Группировку и обозначение сигналов по релейно-контактной схеме рекомендуется производить в следующем порядке.

1. Выявить и обозначить все входные сигналы, к которым относятся сигналы от кнопок управления, дверных контактов, концевых и промежуточных выключателей, датчиков, контролирующих процесс, и т. п.

2. Произвести сокращение числа входных сигналов путем объединения ряда простых сигналов одним эквивалентным им сигналом. Так, например, при последовательном соединении нескольких контактов в блокировочной цепи их сигналы могут быть заменены одним эквивалентным сигналом, обозначающим конъюнкцию объединяемых сигналов, и т. п.

3. Выявить и сгруппировать все выходные сигналы, управляющие исполнительными элементами: контакторами, электромагнитами, соленоидами и т. п.

4. Выделить и сгруппировать все промежуточные сигналы, появляющиеся в результате срабатывания промежуточных элементов схемы. В большинстве случаев к промежуточным элементам относятся реле, размножающие сигналы, контакты которых включаются в цепи выходных элементов или других промежуточных элементов.

Промежуточные сигналы, в свою очередь, подразделить на сигналы без обратных связей и сигналы с обратными связями. Цепи сигналов без обратных связей содержат контакты только входных элементов. В цепях сигналов с обратными связями включены контакты элементов, управляемых этими сигналами, или других промежуточных или выходных элементов с обратными связями.

Второй этап. На втором этапе составления структурных формул производится запись алгебраических выражений, соответствующих цепям выходных и промежуточных переменных релейно-контактной схемы. Релейно-контактные схемы имеют в большинстве случаев последовательно-параллельную структуру функциональных узлов (схемы класса П). Алгебраические выражения для схем класса П записываются в нормальных формах (ДНФ и КНФ) или в скобочных формах. При наличии узлов с мостиковыми структурами соединения контактов, (схемы класса Н) для получения алгебраических выражений сигнала, идущего к определенному элементу, необходимо записывать структурные формулы для всех возможных цепей включения этого элемента. При этом в алгебраических выражениях могут появиться равносильные выражения, соответствующие так называемым «лишним цепям». При наличии в схеме функциональных узлов с мостиковыми соединениями контактов алгебраические - выражения также записываются в нормальных или скобочных формах.

По полученным структурным формулам может быть построена логическая схема из элементов И, ИЛИ, НЕ. Схемы этого типа не учитывают особенностей включения элементов конкретной унифицированной серии, однако, составление этих схем в процессе разработки проекта желательно для облегчения уяснения их работы.

После выбора серии бесконтактных логических элементов должны быть выполнены, преобразования, структурных формул с учетом выполняемых элементами логических функций и условий их включения.

По преобразованным структурным формулам производится построение принципиальной схемы из элементов выбранной серии. Структурные формулы предварительно группируются в соответствии с отдельными функциональными узлами релейно-контактной схемы. При проектировании бесконтактных управляющих логических устройств разделение схем на функциональные узлы является обязательным. Это необходимо для облегчения конструктивной разработки бесконтактных станций управления и их технического обслуживания в процессе эксплуатации.

Таким образом, рекомендуется следующий порядок составления алгебраических выражений:

составить алгебраические выражения для выходных сигналов;

составить алгебраические выражения для промежуточных сигналов без обратных связей;

составить алгебраические выражения для промежуточных сигналов с обратными связями;

в выражениях выходных сигналов и промежуточных сигналов с обратными связями заменить значения встречающихся промежуточных сигналов без обратных связей их выражениями через входные сигналы;

упростить полученные выражения, если это окажется возможным, на основе законов алгебры логики;

составить логическую схему управления из элементов, И, ИЛИ, НЕ, реализующих полученные выражения (не обязательно);

произвести преобразование структурных формул с учетом особенностей выбранной серии логических элементов;

произвести группировку преобразованных структурных формул по функциональным узлам схемы.

Входные сигналы схемы:

а - сигнал о состоянии реле контроля тока в контуре подпитки KA1;

b - сигнал о наличии пробоя диода моста в цепи ротора от реле KM7;

c1-c2 - сигнал от реле максимальной защиты KA;

d1-d6 - сигналы с командоконтроллера К;

e - сигнал с конечного выключателя SQ1;

f - сигнал с кнопочного переключателя SB1.

Выходные сигналы схемы:

X-сигнал на включение контактора направления вперед KM1;

Y-сигнал на включение контактора направления назад KM2;

Z - сигнал на включение контактора динамического торможения KM3;

W - сигнал на включение контактора KM4;

V - сигнал на включение контактора ускорения KM5;

O - сигнал на включение линейного контактора KM6.

Из рассмотрения схемы видно, что имеет место один промежуточный сигнал:

U - сигнал на включение реле времени KT1.

Схема с последними обозначениями изображена на рисунке 3.1.

Рисунок 3.1 - Релейно-контактная схема управления кулачкового контроллера ККТ 69А

4. Синтез структурных формул

Сигнал, появляющиеся с выдержкой времени согласно релейно-контакторной схеме, записываются в алгебраические выражения с индексом t.

Перед составлением структурных формул приготовим вспомогательные схемы цепей прохождения сигналов, нанеся на них принятые обозначения входных, выходных и промежуточных сигналов.

Структурные формулы для выходных сигналов.

(4.1)

(4.2)

 (4.3)

(4.4)

(4.5)

(4.6)

Структурная формула для единственного промежуточного сигнала:

(4.7)

5. Синтез промежуточной функциональной схемы

Для положений командоконтроллера введем обозначения по позициям: 4П, 3П, 2П, 1П, П, 0, 1С, 2С, 3С, 4С. С учетом этих обозначений алгебраические выражения входных сигналов d1-d12 примут вид:

(5.1)

(5.2)

(5.3)

(5.4)

(5.5)

(5.6)

(5.7)

(5.8)

(5.9)

(5.10)

(5.11)

(5.12)

Приведенные выше формула (4.1-4.7) используем для построения промежуточной функциональной схемы. Данная схема представлена на рисунке 5.1. Соответствие элементной базы логическим уравнениям:

(4.1)……………………….D1, D4;

(4.2)……………………….D2, D3, D5;

(4.3)……………………….D6, D7;

(4.4)……………………….D8, D9;

(4.5)……………………….D11;

(4.6)……………………….D13, D14, D15, D16, D17;

(4.7)……………………….D18, D19, D20.

Рисунок 5.1 - Функциональная схема устройства управления

6. Обоснование выбора элементной базы

Как отмечалось в пункте 2 курсовой работы, катушка выбранных пускателей питается от переменного напряжения ~380В, и ее мощность притягивания равна 515 Вт. Найдем ток, протекающий через катушку во время притягивания .

Для реализации питания катушки пускателя переменным напряжением 380 В, выберем симметричный тиристор (симмистор). Из справочника [4] выбираем симмистор ТС2-10, для которого характерны следующие характеристики: максимально допустимый действующий ток в открытом состоянии 10 А, отпирающее напряжение управления 6 В, отпирающий ток управления 150 мА. Требуется выбрать оптопару на ток и напряжение отпирания симмистора. Из [5] выбираем оптопару 4N29 со следующими параметрами: напряжение питания 7 В, выходное напряжение 7 В, выходная мощность 1,2 Вт. Следовательно, выходной ток равен 170 мА, которого достаточно для открытия симмистора.

В качестве устройства задания выдержки времени используем интегральный таймер типа КР1006ВИ1, работающего в режиме одновибратора.

Данная система, как и другие системы управления подвержена действию помех. Причины, по которым стоит обращать внимание на наличие помех, и методы их устранения следующие:

1. Полезные сигналы в электроприводе соизмеримы с величиной помехи, при больших диапазонах регулирования;

2. Наличие помехи может привести к увеличению тока, потребляемому двигателем и к срабатыванию защиты;

3. Гармонические помехи могут приводить к пульсациям тока и момента в электродвигателе, что снизит точность обработки детали приводом.

Методы подавления помех-либо уменьшить напряжение помехи, либо ослабить её, если она появилась. Также, для ослабления помех необходимо экранирование проводов, уменьшения их длины, отдаление силовых кабелей, от проводов СУ, расположение проводов под прямым углом друг к другу, их скручивание между собой и применение фильтров. Учитывая, что у нас крановая установка, и система управления может находиться сравнительно далеко от силовой схемы, следовательно нужно произвести названные мероприятия по подавлению помех соединяющих силовую цепь и систему управления проводников, а также обеспечение помехозащищенности системы управления.

Согласно составленной функциональной схемы требуются следующие логические элементы (и соответственные выбранные микросхемы из [6]):

«2И» - К564ЛА10;

«3И» - КР1564ЛИ10;

«2И-НЕ» - К564ЛА3;

«4И-НЕ» - К564ЛА1;

«5И-НЕ» - К564ЛА17;

«2ИЛИ-НЕ» - К564ЛЕ1;

«3ИЛИ-НЕ» - К564ЛЕ4.

Микросхемы K564 серии имеют следующие параметры:

;

;

;

;

.

7. Разработка принципиальной схемы на бесконтактных логических элементах

Выбранные микросхемы указаны в предыдущем пункте. Так же было указано, с помощью какой микросхемы реализуется выдержка времени. Рассмотрим подробней ее работу.

Рисунок 7.1 - Схема таймера КР1006ВИ1 (а) и одновибратор на его основе (b)

В схему входят два компаратора, RS-триггер, резистивный делитель, выходные транзисторные каскады. Напряжение питания U таймера может изменяться в пределах 5-15 В. Резистивный делитель подает на нижний по схеме компаратор напряжение Uн=Uп/3, а на верхний - напряжение Uв=2Uп/3. Таким образом, если на выводе 2 таймера напряжение станет меньше, чем Uн, то на триггер пойдет сигнал установки в единицу; если же напряжение на выводе 6 станет больше, чем Uв, то с верхнего компаратора на триггер придет сигнал установки в нуль. Триггер имеет и дополнительный вход установки в нуль-вывод 4.

Если на входы триггера поступают одновременно сигналы установки в различные состояния, то триггер срабатывает в соответствии со следующими приоритетами сигналов. Наивысший приоритет имеет сигнал, подаваемый на вывод 4. Поэтому этот сигнал является сигналом разрешения Е: если E=1, то работа таймера разрешена, если E=0, то триггер таймера находится в состоянии «нуль». Вторым по старшинству является непрерывный сигнал U2, подаваемый на вывод 2. Этот сигнал соответствует инверсному входу установки триггера в единицу: если E=1 и U2<Uн, то с выхода триггера будет сниматься сигнал «единица» (вне зависимости от напряжения на выводе 6). И наконец, самый младший приоритет принадлежит непрерывному сигналу U6, подаваемому на вывод 6. Этот сигнал при U6>Uв, U2>Uн и E=1 обеспечивает установку триггера в нуль.

Основная схема включения таймера показана на рисунке 7.1 (b), и соответствует режиму одновибратора. Вход R таймера (вывод 6) присоединен к выходу интегрирующей RС-цепи, которая в свою очередь подключена к источнику питающего напряжения. К выходу этой RС-цепи присоединен также вывод 7 таймера - коллектор транзистора ТЗ, Исходно на входе S (вывод 3) таймера поддерживается напряжение U2>Uн триггер находится в нуле, транзистор ТЗ открыт и на выходе RС-цепи поддерживается нулевое напряжение. Если теперь на вход S подать отрицательный импульс Uвx (так что в течение некоторого времени будет обеспечено U2<Uн), то триггер таймера перейдет в единичное состояние, транзистор ТЗ закроется и конденсатор С1 начнет заряжаться током, проходящим от источника Uп через резистор R4. Когда конденсатор зарядится до напряжения Uв, триггер возвратится в нулевое состояние и таким образом таймер окажется снова в исходном положении. Для одновибратора длительность положительного импульса, снимаемого с выхода таймера Q (вывод 3), равна R4C1 In 3= 1,1R4C1.

Запуск одновибратора может осуществляться как дискретным сигналом «нуль», непосредственно подаваемым на вход 5, так и перепадом 1/0, воздействующим на вход дифференцирующей цепи С2, R5, D1. Вход «разрешение таймерам (вывод 4) может использоваться для прерывания процесса формирования импульса. Если это не требуется, то на этот выход подается напряжение питания. Вывод 5 таймера рекомендуется соединять конденсатором емкостью порядка 0,01 мкФ с общим проводом. Это снижает влияние помех на длительность формируемых импульсов. В принципе на вход 5 может быть подано внешнее управляющее напряжение Uy от источника с малым выходным сопротивлением, например с выхода операционного усилителя. Таким образом можно управлять длительностью формируемого импульса, которая в этом случае будет равна R4C1 ln [Un/(Uп-Uу)].

Входной ток верхнего компаратора составляет примерно 0.1 мкА, ток закрытого транзистора ТЗ-около 0,5 мкА. Этими токами определяется наибольшее допустимое сопротивление времязадающего резистора R4. Рекомендуется это сопротивление выбирать из диапазона 1 к0м-10 МОм. Наименьшая возможная длительность формируемого импульса ограничена быстродействием, таймера и равна приблизительно 10 мкс. Наибольшая длительность практически ограничена только допустимыми габаритами времязадающего конденсатора С1. Расчет параметров одновибратора, в соответствии с заданной временной выдержкой:

KT1:

,

принимаем ;

Все резисторы серии МЛТ0,5. Конденсаторы К73-17-63В-1мкФ10%.

Принципиальная схема представлена на Рисунке 7.2.

Рисунок 7.2 Принципиальная схема бесконтактной системы управления

8. Таблица перечня элементов разрабатываемой схемы