Электроприводы подъемно-опускных ворот (затворов)

Подъем и опускание ворот выполняются двумя лебедками, рабочие органы которых создают усилия на левом и правом концах верхней части ворот. Для исключения их перекоса необходима синхронизация работы этих двух лебедок по скорости. Подъемно-опускные ворота при их использовании для заполнения камеры шлюза водой должны иметь малую скорость подъема. Это требование приводит к необходимости обеспечения широкого диапазона регулирования скорости, равного 20 : 1 -f-25 : 1.

Рассмотрим основные системы электроприводов подъемно-опускных ворот.

Электроприводе электрическим валом и дифференциальным редуктором. Электроприводы, выполненные по этой схеме, успешно эксплуатируют на шлюзах канала им. Москвы. В электроприводе (рис. 7.1, а) используют двигатели наполнения М3 и М4, синхронизирующие М5 и Мб для подъема и опускания ворот Ml и М2. Система такого привода позволяет получить при беспере- косном движении затвора малую скорость наполнения камеры и значительные скорости рабочего подъема и опускания затвора. Для получения малой скорости двигатели М3 и М4 включают через редуктор с большим передаточным числом. Движения сторон затвора согласовываются соединением цепей их роторов между собой и включением этих цепей на общий резистор R1.




Большую скорость движения затвора обеспечивают включением основных двигатели Ml и М2 через редуктор с меньшим, чем для двигателей М3 и М4, передаточным числом. Согласование движения сторон затвора осуществляют синхронизирующими двигателями М5 и Мб, которые включают таким образом, чтобы роторы их вращались против вращения магнитных полей. В этом режиме работы скольжение двигателей М5 и Мб достигает 200%.

Валы двигателей М3 и М4 соединяются с основным механизмом через дифференциальный редуктор, не изменяющий передаточного числа механической передачи, но отсоединяющий эти двигатели от валов работающих двигателей Ml и М2. Устройство дифференциального редуктора приведено на рис. 7.2. При наложении тормоза 3 на корпус 4 редуктора вращение от двигателя М3 (М4) передается от одного (ведущего) зубчатого конического колеса 5 через шестерни- сателлиты 1 к другому (ведомому) зубчатому колесу 2 и далее на вал механизма. При работе двигателя Ml (М2) корпус 4 растормаживается и вращение колеса 2 передаваться на колесо 5 не будет, так как положение осей шестерен-сателлитов не зафиксировано и эти шестерни свободно перекатываются по зубьям обоих колес, увлекая за собой лишь корпус редуктора.

Рассмотрим схему (рис. 7.1, б) раздельного управления. В ней учтены только те элементы, которые в данном случае участвуют в работе. Для подготовки электропривода к работе включают автоматический выключатель Q4. При замыкании контактов S2 ключа восстановления получает питание катушка К1 блокировочного реле ворот верхней головы, которое контактом К1.4 зашунтирует контакт S2 и контактом К1.2 подключит к сети питания цепи управления. Так как рассматривается вариант раздельного управления, то следует иметь в виду, что контакты реле раздельного управления К21.1—К21.3 замкнуты.

Для выполнения операции наполнения камеры замыкают ключом раздельного управления контакт S3.1; получают питание катушки контакторов К5 и Кб, которые контактами К5.1 и Кб.1 включают двигатели наполнения М3 и М4. Контактами К5.2 и Кб.2 подают питание катушке контактора КЮ и контактами К5.3 и К6.3 подготавливают цепь катушки контактора К18. Контактор КЮ срабатывает,в результате чего замыкаются его главные контакты К10.1 в цепи электромагнитных тормозов Y1 и Y2 и вспомогательные контакты: К 10.2 — в цепи катушек контакторов ускорения; КЮ.З, включающие реле времени К22 (рис. 7.1, в).

Линейный контактор К9 срабатывает, включает двигатели наполнения М3 и М4 и их тормозные магниты Y3 и Y4. Одновременно размыкается контакт К9.2 и прерывает питание катушки реле времени К23, которое с выдержкой во времени замыкает контакт К23.1. Кроме того, замыкается контакт К9.3 и получает питание катушка контактора К13. Это реле своим контактом К13.1 подает питание на катушку первого контактора ускорения К18 двигателей наполнения. Из роторных цепей двигателей М3 и М4 выводится первая ступень пускового резистора. Размыкается также контакт К18.1 и теряет питание катушка реле времени К27, которое с выдержкой во времени включает контактор К19. Аналогично включается третий контактор ускорения К20.

Когда ворота поднимутся для наполнения камеры шлюза, размыкается контакт 51.24 путевого выключателя, отключающий катушки К5 и Кб. Останавливаются двигатели М3 и М4, выключаются электромагниты Y3 и Y4, контактор КЮ теряет питание и выключает электромагниты Y1 и Y2. Приходят в действие механические тормоза.

Для выполнения операции опускания ворот в судоходное положение после выравнивания уровней (контакт реле выравнивания уровней S6.1 закрыт) ключом раздельного управления замыкается контакт S3.2 и получает питание катушка контактора К4, который подготавливает к работе двигатели Ml и М2, замкнув контакт К4.1 в силовой цепи. Замыкаются также контакты: К4.2 — в цепи катушки контактора КИ, подготавливающего двигатели М5 и Мб к работе на опускание ворот, и К4.3—подготавливающий цепь для питания контактора К10. Кроме того, размыкается контакт К4.4, блокирующий катушку контактора К2.

Одновременно с включением главных контактов КИЛ срабатывают следующие вспомогательные контакты: К11.2, подготавливающий цепь для шунтирования контакта К4.2 К11.3, включающий катушку контактора КЮ тормозных электромагнитов Y1 и Y2 КН-4, подготавливающий цепь для включения контакторов ускорения; КН-5, блокирующий катушку контактора К2, и КН-6, блокирующий катушки К5 и Кб.

При срабатывании контактора КЮ контактом КЮ.2 подготавливается цепь для питания контакторов ускорения и контактом КЮ.З включается катушка реле времени К.22 (см. рис. 7.1, в), которое включает катушку линейного контактора К9. В результате подключаются к сети двигатели Ml, М2 и двумя фазами синхронизирующие двигатели М5 и Мб, а также шунтируется контакт К4.2 и теряет питание катушка реле времени К23, контакт которого K23.I с выдержкой во времени включает катушку контактора К13.

Контактор К13 включает в сеть третьи фазы обмоток статоров электродвигателей М5, Мб и катушку контактора ускорения К14, выводящего из роторных цепей двигателей Ml и М2 первые ступени пусковых резисторов R2. Остальные ступени пусковых резисторов выключаются аналогично с помощью реле времени К24—К26. Когда ворота полностью откроются, размыкается контакт S1.20 путевого выключателя, разрывая цепь питания катушки К4. Двигатели М/ и М2 отключаются. Теряет питание катушка К10, отключающая тормозные электромагниты. С выдержкой времени реле К22 отключаются синхронизирующие машины М5 и Мб. Выдержка необходима для исключения возможного рассогласования двигателей Ml и М2 при торможении.

После отключения катушки линейного контактора К9 теряют питание катушки К11 и К13 и получают питание катушки реле К24— К-26, их контакты размыкаются. Схема готова к следующей операции.

Для подъема ворот в рабочее положение замыкают ключом раздельного управления контакт S3.3. При этом получает питание катушка контактора К2, который подготавливает цепь двигателей М/ и М2 к работе для подъема ворот, включает катушку контактора К12, подготавливает цепь для включения контактора КЮ и разрывает цепь питания катушки контактора К4.

Контактор К12 подготавливает к включению в сеть цепи двух фаз двигателей М5 и Мб и замыкает вспомогательные контакты К12.2 и К12.3. Дальнейшая работа схемы аналогична работе при открытии ворот.

Когда ворота закроются, размыкается контакт S1.21 путевого выключателя и происходит остановка электропривода,

Для аварийного закрытия ворот, находящихся в движении (при операции наполнения камеры шлюза), необходимо прежде всего остановить их. Остановку выполняют, устанавливая ключ раздельного управления в нулевое положение. При этом все контакты переключателя S3 и контакты К21.1, К21.2 и К21.3 будут разомкнуты.

Для аварийного закрытия используют ключ S4, имеющий три положения; среднее, при котором вся схема работает нормально, и два крайних — «Стоп» и «Аварийное закрытие».

При повороте ключа S4 в положение аварийного закрытия замыкается контакт S4.1 и получает питание катушка реле аварийного закрытия КЗ, а так как контакт S1.22 разомкнут (только в операции наполнения), катушка контактора К2 питания не получает.

При срабатывании реле КЗ контакт К3.1 размыкается, замыкается контакт К3.2, включая катушку К4. и контакт КЗ.З, подготавливая цепь к включению контактора КЮ.

Контактор К4 подготавливает цепь к включению двигателей Ml и М2 и для опускания ворот включает контакторы К11 и К10 и блокирует катушку К2. Контактор KU подготавливает цепь к включению двигателей М5 и Мб и замыкает цепь катушки контактора КЮ, в результате чего срабатывает линейный контактор К9. Дальнейшие переключения происходят так же, как при операции открытия ворот.

Когда ворота закроются, разомкнется контакт S1.21 путевого выключателя, катушка КЗ теряет питание, срабатывает контактор К4 и отключаются с некоторой выдержкой синхронизирующие двигатели М5 и Мб.

В случае аварийного закрытия ворот из открытого положения при замыкании контакта S4.1 получает питание катушка контактора К2, при этом катушка контактора КЗ обесточена, так как при опущенных воротах разомкнут контакт S1.23 путевого выключателя. Все остальные переключения происходят так же, как при выполнении операции закрытия ворог,

Для устранения перекоса затвора переключателем S3, предназначенным для этой цели, замыкается контакт S5.3 и в зависимости от направления выравнивания контакт S5.1 или S5.2.

Предположим, что замкнут контакт S5.2. При этом получает питание катушка реле выравнивания перекоса К8, которое размыкает контакт К8.1 и замыкает контакт К8.2, подготавливающий цепь питания катушки контактора КЮ, и контакт К8.3, включающий катушку контактора Кб правого двигателя наполнения. Контактор Кб подготавливает цепь для включения двигателя М4 и включает катушку контактора КЮ, который подает питание на электромагниты Y1 и Y2 и на катушку реле времени К22. Последнее срабатывает и замыкает контакт К22.1 в цеги линейного контактора К9. Обмотки статора двигателя М4 и электромагнитного тормоза Y4 подключаются к сети при полностью введенных в цепь ротора двигателя резисторах. Начинает медленно подниматься правая сторона ворот, а после выравнивания ключом S5 размыкают контакт S5.2 и двигатель М4 останавливается.

Рассмотрим, как возникают и действуют синхронизирующие моменты в примененных системах электрического вала (рис. 7.3, а, б).

Различают два направления вращения роторов синхронизирующих двигателей: по направлению вращения поля статора и против. В первом случае скольжение двигателя $ < 1, а во втором s >• 1. В электродвигателях, соединенных по схеме рис. 7.3, б, вращение ротора возможно только по направлению поля статора.

При встречном соединении обмоток роторов синхронизирующих двигателей в контуре этих обмоток возникает уравнительный ток /у, который при условии равенства скоростей, а следовательно, и скольжений и двигателей зависит только от угла рассогласования О ~ ос.д - - ах (рис. 7.4):



При вращении ротора по направлению магнитного поля снижается э. д. с. Е2, а следовательно, и наибольший синхронизирующий момент. Поэтому скольжение в этом случае не рекомендуется снижать ниже s — 0,5. Электрический вал эффективно работает и при однофазном питании синхронизирующих двигателей, но по сравнению с трехфазным питанием наибольший синхронизирующий момент уменьшается вдвое.

Возникновение синхронизирующего момента и его значение частично определяются несовпадением механических характеристик основных двигателей. При этом выравнивание скоростей обоих двигателей с помощью электрического вала приводит к дополнительной нагрузке опережающего двигателя и к разгрузке отстающего двигателя. Для предотвращения такого нежелательного распределения нагрузок основных двигателей необходимо тщательно подгонять их механические характеристики с помощью резисторов в цепях роторов.

Одним из недостатков электрического вала является то, что при заклинивании одного из двигателей на него действует суммарный момент обоих двигателей. Это следует учитывать при прочностных расчетах механизмов. Применение электрического вала без вспомогательных синхронизирующих двигателей (см. рис. 7.3, б) позволяет существенно уменьшить этот недостаток, так как наибольший синхронизирующий момент в этом случае значительно меньше из-за относительно малого скольжения s<0,5.

Одной из ответственных операций по наладке электрического вала, которую выполняют при замене синхронизирующих двигателей или кабельной связи между их роторами, является фазировка. Ее делают после наладки основных двигателей и их отсоединения от механизмов.

Для осуществления фазировки включают в сеть основные и синхронизирующие двигатели, но последние с разомкнутой роторной цепью. Если напряжение ротора синхронизирующего двигателя превышает номинальную э. д. с. Ег, то он вращается против поля. При вращении «по полю» необходимо среверсировать магнитное поле двигателя.

Далее между роторами синхронизирующих двигателей включают два вольтметра с пределом измерения не менее 2Е2. Два оставшихся вывода роторов двигателей соединяют кабелем. При отключенных основных двигателях включают в сеть синхронизирующие и, поворачивая вал одного из двигателей рукой, контролируют показания вольтметров. Если соединены одноименные выводы роторов, то показания вольтметров будут одинаковыми при любых угловых положениях вала.

Рассмотренная система электропривода подъемно-опускного затвора имеет следующие недостатки: громоздкость и большая установленная мощность двигателей; наличие в схеме сложного в эксплуатации дифференциального редуктора; ограничение возможности регулирования скорости движения затвора.

Электропривод с электрическим валом и фрикционной муфтой сцепления. Этот привод (рис. 7.5) применяют на шлюзах канала имени В. И. Ленина. В приводе вместо сложного дифференциального редуктора применяют два простых цилиндрических или червячных редуктора PI, Р2 и две фрикционные муфты сцепления MCI и МС2,

Основная электрическая часть привода, обеспечивающая рабочие перемещения ворот, осталась такой же, как в предыдущей схеме.

Малые двигатели М3 и М4 включаются в работу в операции наполнения камеры через фрикционные муфты сцепления MCI и МС2, обеспечивая с помощью дополнительных редукторов Р1 и Р2 малую скорость подъема ворот. Рабочие двигатели Ml, М2 и синхронизирующие М5, Мб при этом отключаются от сети и вращаются с малой частотой. В остальном функционирование и свойства схемы аналогични электроприводу с электрическим валом и дифференциальным редуктором.


Электроприводе электрическим валом и электромашиннымпреобразователем частоты (рис, 7.6). Для получения пониженной скорости подъема ворот при заполнении шлюза в данном случае используется асинхронная машина MS, приводимая в движение через редуктор Р асинхронным двигателем М4, Частота тока /3 в роторе машины MS зависит от его частоты вращения ns и числа пар полюсов


Электрический привод с магнитными усилителями (система МУ-Д). В электроприводе (рис. 7 7) использованы в качестве приводных двигателей асинхронные — Ml и М2 с фазным ротором и пусковыми резисторами R1 п R2 в цепях роторов. В цепи статоров этих двигателей включены управляемые реакторы LI и L2. Обмотки управления управляемых реакторов получают питание через выпрямители U1 и U2 от магнитных усилителей А1 и А2. Управляют реакторами с помощью последовательно соединенных обмоток управления А 1.2 (А2.2) магнитных усилителей, подключенных к потенциометру R3, включенному на стабилизированный источник питания, и к тахогенератору. Тахогенератор используют для обратной отрицательной связи по частоте вращения.


Пуск электропривода реостатный и осуществляется автоматически по времени с помощью электромагнитных реле.

Частота вращения двигателей Ml и М2 регулируется изменением напряжения переменного тока, подводимого к статору, с помощью регулирования индуктивного сопротивления управляемых реакторов. Заданную частоту вращения при этом определяют потенциометром R3 (при этом изменяется жесткость механических характеристик электропривода).

Характеристики электропривода улучшаются при включении одной из обмоток управления А 1.2 (А2.2) на вход магнитных усилителей.

При пуске электропривода, пока якорь тахогенератора неподвижен, напряжение, подводимое к двигателям, близко к номинальному (вследствие большого напряжения, подводимого к обмоткам управления магнитных усилителей). В процессе разгона двигателей э. д. с. тахогенератора возрастает, напряжение, подводимое к обмоткам управления магнитных усилителей, падает, поэтому уменьшается напряжение, подводимое к статорам двигателей. В операции опускания ворот и подъеме работа привода происходит при разомкнутой цепи возбуждения тахогенератора, вследствие чего частота вращения двигателей оказывается близкой к номинальной.


Синхронизацию движения ворот на большой скорости осуществляют автоматически, а при работе на малой скорости предусмотрена самосинхронизация двигателей путем включения их ротора на общий резистор (контакты K1J замкнуты). Перекос контролируют двумя однофазными сельсинами, связанными с механизмом, и сельсином, установленным на пульте управления.

При движении ворот с большой скоростью и возникновении перекоса замыкается контакт К2.1 или К2.2, шунтирующий через R4 обмотку управления магнитного усилителя опережающего двигателя. Ток управления одного усилителя уменьшается, а другого увеличивается, изменяются частоты вращения двигателей.

Система МУ—Д в отличие от предыдущих электроприводов имеет всего два двигателя, однако обеспечивает необходимый диапазон регулирования частоты вращения, позволяющий ее использовать в программно-управляемых системах. Одновременно с этим система МУ—Д имеет существенные недостатки, которые делают ее неперспективной для новых разработок. К этим недостаткам относятся: сложность управления, повышенная установленная мощность двигателя; сложность наладки и обслуживания системы регулирования электропривода; невозможность рекуперативного торможения при малых частотах вращения; низкое значение коэффициента мощности; к. п. д. при диапазоне регулирования 1 : 14 примерно на 4% ниже, чем при реостатном способе регулирования. Двигатель недоиспользуется по мощности, так как регулирование осуществляется при постоянной частоте вращения магнитного поля, что при постоянстве потерь в роторе должно сопровождаться снижением критического момента и перегрузочной способностью двигателя.

Для механизмов, у которых момент сопротивления постоянный, этот электропривод может быть оправдан только при небольшом диапазоне регулирования.

Система МУ—Д в силу нелинейности кривой намагничивания ведет к искажению форм тока и синусоидального напряжения.

Электропривод с гидропередачей (электрогидропривод). Этот тип привода начал применяться на гидросооружениях с начала 60-х годов и получил довольно широкое распространение.

Принцип действия электрогидропривода подъемно-опускных ворот можно уяснить при рассмотрении его структурной схемы (рис. 7.8). Силовыми устройствами привода являются два гидроцилиндра ГЦ, создающие тяговые усилия на левом и правом концах ворот. Масло в гидроцилиндры подается насосами Н1 и Н2 из баков Б. Аппаратура управления гидросистемы состоит из распределительных и регулирующих устройств (ЗУ — золотники управления; ЗБ — блок переключающих, синхронизирующих и запорных золотников). Насосы приводятся в движение асинхронными трехфазными электродвигателями Ml и М2. Для обеспечения движения ворот без перекосов привод оснащен двумя сельсинами-датчиками В1 и В2 и двумя сельсинами-приемниками ВЗ, В4. Роторы сельсинов-датчиков приводятся во вращение при движении ворот через соответствующую механическую передачу, а сельсины-приемники воздействуют на золотники дополнительного слива масла. При появлении перекоса происходит рассогласование поворота сельсинов-датчиков и сельсины-приемники, воздействуя на соответствующие золотники, увеличивают слив масла (обратно в бак) того гидроцилиндра, поршень которого оказался выше, и уменьшают слив масла у другого гидроцилиндра.


Применение электропривода позволило: уменьшить габаритные размеры, массу и моменты инерции механизмов ворот, плавно изменять скорости движения ворот, упростить защиту механизмов и привода от перегрузок. Гидравлические исполнительные механизмы развивают наибольшие удельные усилия, и поэтому их расположение более компактно и позволяет не строить громоздких, башенного типа помещений. Эти приводы позволяют без больших затруднений преобразовывать вращательное движение в возвратно-поступательное.

Однако эксплуатация систем электрогидравлических приводов показала, что они имеют недостатки: не обеспечивается нужная повторяемость циклов во времени в связи с недостаточной жесткостью характеристик; при низких температурах перегрузочная способность приводов недостаточна, что увеличивает продолжительность шлюзования; сложно исключить протечки масла, а значит, и просадки рабочего органа; трудность настройки и сохранения параметров золотниковой системы управления,

Электродвигатели насосов Mi и М2 (рис. 7.9) могут быть включены лишь при замкнутых контактах блокировки, которая обеспечивает необходимую технологическую последовательность работы механизмов шлюза, безопасность обслуживания и т. д. (так, например, блокировка исключает в данном случае возможность включения привода порот верхней головы шлюза, если открыты «нижние» ворота).

Для выполнения операции подъема ворот (закрывание камеры шлюза) оператором замыкается контакт кнопочного выключателя S.2. Реле КI срабатывает и включает контакторы К8, К9 двигателей насосов и контакторы Кб, К7 управления электромагнитами запирающих золотников. Насосы создают давление масла в системе, а контакторы Кб и К7 обеспечивают подачу питания к электромагнитам Y3 и Y4. Включенные золотники управления обеспечивают поступление масла под давлением в блок золотников и через него в подпоршневые полости гидроцилиндров, поршни которых, поднимаясь вверх, поднимают ворота.

В крайнем верхнем положении ворот размыкаются контакты конечного выключателя S1.1 и цепи управления отключаются от сети. Поступление масла в гидроцилиндры и движение ворот прекращается. Золотники блока золотников ЗБ возвращаются в исходное состояние, предотвращая обратный слив масла из гидроцилиндров и обеспечивая удержание ворот в поднятом состоянии.

В операции наполнения необходимо дополнительно замкнуть S.4. Реле КЗ сработает и зашунтирует контакты конечного выключателя SIJ, что позволит воротам подняться в более высокое положение, в котором происходит наполнение камеры шлюза. Причем пониженная скорость подъема обеспечивается включением электромагнитов V/, Y2, которые, открывая сливные отверстия, уменьшают подачу масла в гидроцилиндры.

Сельсины-приемники ВЗ, В4 (рис. 7.9, а) системы синхронизации скоростей движения левого и правого края ворот представляют собой асинхронные машины двойного питания, роторы и статоры которых получают питание по схеме дифференциального включения от роторов сельсинов-датчиков В1 и В2. При такой схеме включения роторы приемников занимают положение, соответствующее углу рассогласования между датчиками. Чередование фаз на сельсинах-приемниках таково, что при появлении перекоса один золотник увеличивает слив масла из-под опережающего поршня, а другой уменьшает слив из- под отстающего, в результате чего скорость движения поршней и краев ворот выравнивается.

Для опускания ворот (открывание камеры шлюза) замыкают контакт S.3. Получает питание реле К2. Электромагниты Y5 и Y6 включают золотники управления н блок золотников в положение слива масла из нижней полости гидроцилиндров. Ворота опускаются в судоходное положение, при достижении которого размыкаются контакты конечного выключателя 51.5. Слив масла прекращается и ворота удерживаются на «масляной подушке».


В системе управления (рис. 7.9, б) предусмотрено неавтоматическое выравнивание перекоса ворот, производимое оператором с помощью переключателя S.5, которым включается только одна из маслонасосных установок. По окончании выравнивания переключатель устанавливается в нулевое положение.