Автоматизирано електрическо задвижване на кранови механизми с тиристорно управление

Съвременните системи на електрически задвижвания на кранови механизми се осъществяват главно с помощта на асинхронни двигатели, чиято скорост се контролира чрез метод на реле-контактор чрез въвеждане на съпротивления в роторната верига. Такива електрически задвижвания имат малък диапазон за контрол на скоростта и при стартиране и спиране създават големи ритания и ускорения, което се отразява неблагоприятно върху работата на конструкцията на крана, води до люлеене на товара и ограничава използването на такива системи на кранове с увеличени височина и товароподемност.

Развитието на силовата полупроводникова технология дава възможност за въвеждане на фундаментално нови решения в структурата на автоматизираното електрическо задвижване на кранови инсталации. Понастоящем регулируемо електрическо задвижване с постоянни двигатели, задвижвани от мощни тиристорни преобразуватели, се използва върху механизмите за повдигане и преместване на кулокранови и мостови кранове — TP система — D.

Скоростта на двигателя в такива системи се регулира в диапазона (20 ÷ 30): I чрез промяна на напрежението на котвата. В същото време при преходни процеси системата гарантира, че ускоренията и ритъците се получават в рамките на посочените норми.

Добрите регулиращи качества се проявяват и при асинхронно електрическо задвижване, когато тиристорен преобразувател е свързан към статорната верига на асинхронен двигател (AM). Промяната на напрежението на статора на двигателя в затворен ACS позволява ограничаване на началния въртящ момент, постигане на плавно ускорение (забавяне) на задвижването и необходимия диапазон за управление на скоростта.

Използването на тиристорни преобразуватели в автоматизираното електрическо задвижване на кранови механизми се използва все повече във вътрешната и чуждестранната практика. За да се запознаем с принципа на работа и възможностите на такива инсталации, нека накратко да се спрем на два варианта на схеми за управление на DC и AC двигатели.

На фиг. 1 показва схематична схема на тиристорно управление на постоянен двигател с независимо възбуждане за повдигащ механизъм на мостов кран. Котвата на двигателя се захранва от реверсивен тиристорен преобразувател, който се състои от силов трансформатор Tr, който служи за съвпадение на напрежението на преобразувателя и товара, две групи тиристори T1 — T6 и T7 — ​​T12, свързани с три -фазен мост контрапаралелна верига, изравняващи реактори 1UR и 2UR, които са едновременно изглаждащи реактори, направени ненаситени.

Ориз. 1. Схема на електрическото задвижване на крана по системата TP-D.

Групата на тиристорите T1 — T6 работи като токоизправител при повдигане и инвертор при спускане на тежки товари, тъй като посоката на тока във веригата на котвата на двигателя за тези режими е една и съща. Втората група тиристори T7 — ​​T12, осигуряваща противоположната посока на тока на котвата, работи като токоизправител по време на спускане на мощността и в преходни режими на стартиране на двигателя за спускане на спирачките, като инвертор при спиране в процеса на повдигане на товари или кука.

За разлика от механизмите за придвижване на кранове, при които тиристорните групи трябва да са еднакви, при повдигащите механизми силата на тиристорите от втората група може да бъде взета по -малка от първата, тъй като токът на двигателя по време на спускане на мощността е много по -малък от при повдигане и спускане на тежки товари.

Регулирането на коригираното напрежение на тиристорния преобразувател (TC) се извършва с помощта на полупроводникова импулсно-фазова система за управление, състояща се от два блока SIFU-1 и SIFU-2 (фиг. 1), всеки от които подава два изстрелващи импулса към съответния тиристор, изместен с 60 °.

За да се опрости системата за управление и да се увеличи надеждността на електрическото задвижване, тази схема използва координираното управление на реверсивния TP. За това характеристиките на управление и системите за управление на двете групи трябва да бъдат здраво свързани. Ако импулсите за отключване се подават към тиристорите T1 — T6, осигурявайки коригиращия режим на работа на тази група, тогава импулсите за отключване се подават към тиристорите T7 — ​​T12, така че тази група да бъде подготвена за работа от инвертора.

Управляващите ъгли α1 и α2 за всякакви режими на работа на ТР трябва да се променят по такъв начин, че средното напрежение на токоизправителната група да не надвишава напрежението на инверторната група, т.е. ако това условие не е изпълнено, тогава се коригира изравнителен токът ще тече между двете групи тиристори, които допълнително натоварват клапани и трансформатор и също могат да причинят изключване на защитата.

Въпреки това, дори при правилното съвпадение на управляващите ъгли α1 и α2 от тиристорите на токоизправителя и инверторните групи, потокът на променлив изравнителен ток е възможен поради неравенството на моментните стойности на напреженията UαB и UαI. За да се ограничи този изравнителен ток, се използват изравняващи реактори 1UR и 2UR.

Токът на котвата на двигателя винаги преминава през един от реакторите, поради което пулсациите на този ток се намаляват, а самият реактор е частично наситен. Вторият реактор, през който в момента тече само изравнителен ток, остава ненаситен и ограничава iyp.

Тиристорното електрическо задвижване на крана има система за управление с един контур (CS), направена с помощта на високоскоростен обратим сумиращ магнитен усилвател SMUR, който се захранва от правоъгълен генератор на напрежение с честота 1000 Hz. При наличие на прекъсване на тока такава система за управление позволява получаване на задоволителни статични характеристики и високо качество на преходните процеси.

Системата за управление на електрическото задвижване съдържа отрицателни обратни връзки за напрежението и тока на двигателя с прекъсвания, както и слаба положителна обратна връзка за напрежението Ud. Сигналът във веригата на SMUR задвижващите намотки се определя от разликата между референтното напрежение Uc, идващо от резистора R4, и напрежението на обратната връзка αUd, взето от POS потенциометъра. Стойността и полярността на командния сигнал, който определя скоростта и посоката на въртене на задвижването, се регулират от KK контролера.

Обратното напрежение Ud се прекъсва с помощта на силиконови ценерови диоди, свързани паралелно с главните намотки SMUR. Ако разликата в напрежението Ud — aUd е по -голяма от Ust.n, тогава ценеровите диоди провеждат ток и напрежението на управляващите намотки става равно на Uz.max = Ust.n.

От този момент нататък промяната в сигнала aUd към намаляване не влияе на тока в главните намотки на SMUR, т.е. отрицателната обратна връзка за напрежението Ud не работи, което обикновено се случва при токове на двигателя Id> (1.5 ÷ 1.8) Id .n.

Ако сигналът за обратна връзка aUd се доближи до референтния сигнал Uz, тогава напрежението върху ценеровите диоди става по -малко от Ust.n и токът не преминава през тях. Токът в главните намотки на SMUR ще се определя от разликата в напрежението U3 — aUd и в този случай влиза в действие отрицателната обратна връзка по напрежение.

Сигналът за отрицателна токова обратна връзка се взема от две групи токови трансформатори TT1 — TT3 и TT4 — TT8, работещи съответно с групи тиристори T1 — T6 и T7 — ​​T12. В прекъсващото устройство за ток на BTO трифазното променливо напрежение U2TT ≡ Id, получено на резисторите R, се коригира и чрез ценеровите диоди, които действат като референтно напрежение, сигналът Uto.s се подава към тока намотки на SMUR, понижавайки получения резултат на входа на усилвателя. Това намалява напрежението Ud на преобразувателя и ограничава тока Id на веригата на котвата в статични и динамични режими.

За да се получи висок коефициент на запълване на механичните характеристики ω = f (M) на електрическото задвижване и да се поддържа постоянно ускорение (забавяне) в преходни режими, в допълнение към изброените по -горе връзки, във веригата се прилага положителна обратна връзка по напрежение.

Коефициентът на усилване на тази връзка се избира kpn = 1 / kpr ≈ ΔUy / ΔUd. в съответствие с началния участък на характеристиката Ud = f (Uy) на преобразувателя, но с порядък по -малък от коефициента α на отрицателната обратна връзка по Ud. Ефектът от тази връзка се проявява главно в настоящата зона на прекъсване, осигуряваща стръмно потапяне на участъците на характеристиката.

На фиг. 2, а показва статичните характеристики на задвижването на подемника за различни стойности на еталонното напрежение U3, съответстващи на различни позиции на контролера.

Като първо приближение може да се приеме, че в преходните режими на стартиране, заден ход и спиране работната точка в координатните оси ω = f (M) се движи по статичната характеристика. След това ускорението на системата:

където ω е ъгловата скорост, Мa е моментът, развит от двигателя, Мс е моментът на съпротивление на движещия се товар, ΔМc е моментът на загуби в предавките, J е моментът на инерция, намален към вала на двигателя.

Ако пренебрегнем загубите на трансмисията, тогава условието за равенство на ускорението при стартиране на двигателя нагоре и надолу, както и при спиране от нагоре и надолу е равенството на динамичните моменти на електрическото задвижване, тоест Mdin.p = Mdin.s. За да се изпълни това условие, статичните характеристики на задвижването на подемника трябва да са асиметрични спрямо оста на скоростта (Mstop.p> Mstop.s) и да имат стръмен фронт в областта на стойността на спирачния момент (фиг. 2, a ).

Ориз. 2. Механични характеристики на електрическото задвижване по системата TP -D: а — повдигащ механизъм, б — механизъм за движение.

За задвижванията на механизми за движение на кран трябва да се вземе предвид реактивният характер на момента на съпротивление, който не зависи от посоката на движение. При същата стойност на въртящия момент на двигателя реактивният момент на съпротивление ще забави процеса на стартиране и ще ускори процеса на спиране на задвижването.

За да се премахне това явление, което може да доведе до подхлъзване на задвижващите колела и бързо износване на механичните трансмисии, е необходимо да се поддържат приблизително постоянни ускорения по време на стартиране, заден ход и спиране в механизмите за движение. Това се постига чрез получаване на статичните характеристики ω = f (M), показани на фиг. 2, б.

Определените видове механични характеристики на електрическото задвижване могат да бъдат получени чрез съответно изменение на коефициентите на отрицателна обратна връзка по ток Id и положителна обратна връзка с напрежение Ud.

Пълната схема за управление на тиристорно управляваното електрическо задвижване на мостовия кран включва всички блокиращи връзки и защитни вериги, които са разгледани в схемите, дадени по-рано.

Когато използвате TP в електрическото задвижване на кранови механизми, трябва да се обърне внимание на тяхното захранване. Значителната несинусоидалност на тока, консумиран от преобразувателите, причинява изкривяване на формата на вълната на напрежението на входа на преобразувателя. Тези изкривявания засягат работата на силовата секция на преобразувателя и системата за управление на импулсна фаза (SPPC). Изкривяването на формата на вълната на мрежовото напрежение причинява значително недостатъчно използване на електродвигателя.

Изкривяването на захранващото напрежение оказва силно влияние върху SPPD, особено при липса на входни филтри. В някои случаи тези изкривявания могат да доведат до произволно пълно отваряне на тиристорите. По най -добрия начин това явление може да бъде елиминирано чрез захранване на SPPHU от отделни колички, свързани към трансформатор, който няма товар на токоизправител.

Възможните начини за използване на тиристори за управление на скоростта на асинхронните двигатели са много разнообразни — това са тиристорни честотни преобразуватели (автономни инвертори), тиристорни регулатори на напрежението, включени в статорната верига, импулсни регулатори на съпротивление и токове в електрическите вериги и т.н.

В крановите електрически задвижвания се използват главно тиристорни регулатори на напрежението и импулсни регулатори, което се дължи на относителната им простота и надеждност.Използването на всеки от тези регулатори поотделно обаче не отговаря напълно на изискванията за електрически задвижвания на кранови механизми.

Всъщност, когато се използва само регулатор на импулсно съпротивление в роторната верига на асинхронен двигател, е възможно да се осигури зона за регулиране, ограничена от естествени и съответстваща на механичните характеристики на реостата на импеданса, т.е. зоната на регулиране съответства на режима на двигателя и режим на противопоставяне с непълно запълване I и IV или III и II квадранти на равнината на механичните характеристики.

Използването на тиристорен регулатор на напрежение, особено обратим, осигурява основно зона за управление на скоростта, обхващаща цялата работна част на равнината М, ω от -ωn до + ωn и от — Mk до + Mk. В този случай обаче ще има значителни загуби на приплъзване в самия двигател, което води до необходимостта от значително надценяване на неговата инсталирана мощност и съответно на размерите му.

В тази връзка се създават асинхронни електрически задвижващи системи за кранови механизми, при които двигателят се управлява чрез комбинация от импулсно регулиране на съпротивлението в ротора и промени в напрежението, подадено към статора. Това запълва четирите квадранта на механичните характеристики.

Схематична диаграма на такова комбинирано управление е показана на фиг. 3. Роторната верига включва верига за импулсно управление на съпротивлението във веригата с коригиран ток. Параметрите на веригата са избрани така, че да осигуряват работата на двигателя в I и III квадрант в зоните между реостата и естествените характеристики (на фиг. 4, засенчени с вертикални линии).

Ориз. 3. Схема на краново електрическо задвижване с тиристорен регулатор на напрежението на статора и импулсно управление на съпротивлението на ротора.

За да се контролира скоростта в зоните между характеристиките на реостата и оста на скоростта, засенчена с хоризонтални линии на фиг. 4, както и за обръщане на двигателя, се използва тиристорен регулатор на напрежението, състоящ се от двойки антипаралелни тиристори 1—2, 4—5, 6—7, 8—9, 11—12. Промяната на напрежението, подадено към статора, се извършва чрез регулиране на ъгъла на отваряне на тиристорни двойки 1-2, 6-7, 11-12-за една посока на въртене и 4-5, 6-7, 8-9-за друга посока на въртене.

Ориз. 4. Правила за комбинирано управление на асинхронен двигател.

За да се получат твърди механични характеристики и да се ограничат въртящите моменти на двигателя, веригата осигурява обратна връзка за скоростта и коригирания ток на ротора, осъществявана от TG тахогенератор и DC трансформатор (магнитен усилвател) TPT

По -лесно е да се запълни целия I квадрант, като се свърже последователно кондензатор със съпротивление R1 (фиг. 3). В този случай еквивалентното съпротивление в токовия ток на коригирания ротор може да варира от нула до безкрайност и по този начин токът в ротора може да се контролира от максималната стойност до нула.

Обхватът на регулиране на скоростта на двигателя в такава схема се простира до оста на ординатите, но стойността на капацитета на кондензатора се оказва много значителна.

За запълване на целия I квадрант при по -ниски стойности на капацитет, съпротивлението на резистора R1 е разделено на отделни стъпки. В първия етап последователно се въвежда капацитет, който се включва при ниски токове. Стъпките се отстраняват по импулсен метод, последвано от късо съединение на всяка от тях чрез тиристори или контактори. Запълването на целия I квадрант може да се получи и чрез комбиниране на импулсни промени в съпротивлението с импулсна работа на двигателя. Такава схема е показана на фиг. 5.

В областта между оста на скоростта и характеристиката на реостата (фиг. 4) двигателят работи в импулсен режим. В същото време управляващи импулси не се подават към тиристора Т3 и той остава затворен през цялото време. Веригата, която реализира импулсния режим на двигателя, се състои от работещ тиристор Т1, спомагателен тиристор Т2, превключващ кондензатор С и резистори R1 и R2. Когато тиристорът T1 е отворен, токът протича през резистора R1. Кондензаторът С се зарежда до напрежение, равно на спада на напрежението в R1.

Когато към тиристор Т2 се подаде управляващ импулс, напрежението на кондензатора се прилага в обратна посока към тиристора Т1 и го затваря. В същото време кондензаторът се презарежда. Наличието на индуктивност на двигателя води до факта, че процесът на презареждане на кондензатора е с колебателен характер, в резултат на което тиристорът Т2 се затваря сам, без да подава управляващи сигнали, а веригата на ротора се оказва отворен. След това към тиристора Т1 се подава управляващ импулс и всички процеси се повтарят отново.

Ориз. 5. Схема на импулсно комбинирано управление на асинхронен двигател

По този начин, с периодичното подаване на управляващи сигнали към тиристорите, за някаква част от периода, в ротора протича ток, определен от съпротивлението на резистора R1. В другата част от периода роторната верига се оказва отворена, въртящият момент, развит от двигателя, е нула, а работната му точка е на оста на скоростта. Чрез промяна на относителната продължителност на тиристора T1 по време на периода е възможно да се получи средната стойност на въртящия момент, развит от двигателя от нула до максималната стойност, съответстваща на работата на характеристиката на реостата, когато роторът R1 се въведе в веригата

Използвайки различни обратни връзки, е възможно да се получат характеристики от желания тип в областта между оста на скоростта и характеристиката на реостата. За прехода към областта между реостата и естествените характеристики е необходимо тиристорът Т2 да остане затворен през цялото време, а тиристорът Т1 — през цялото време отворен. Чрез късо съединение на съпротивлението R1 с помощта на превключвател с главния тиристор Т3 е възможно плавно да се промени съпротивлението в роторната верига от стойността R1 на 0, като по този начин се осигурява естествена характеристика на двигателя.

Импулсният режим на двигателя с комутация в роторната верига може да се извършва и в режим на динамично спиране. Чрез използване на различни обратни връзки, в този случай, във II квадрант, могат да се получат желаните механични характеристики. С помощта на схемата за логическо управление е възможно да се извърши автоматичен преход на двигателя от един режим в друг и да се запълни всички квадранти на механичните характеристики.