Системы крановых электроприводов —
Общие принципы построения систем электроприводов различных механизмов рассматриваются в курсе «Управление электроприводами». Эти принципы в той или иной мере реализуются в системах управления крановыми электроприводами. Материалы данной главы предназначены для выявления специфических особенностей систем управления, проявляющихся при их использовании в электроприводах кранов.
Асинхронный электропривод со ступенчатым регулированием сопротивления резисторов в цепи ротора. Эта система может быть реализована с использованием силового контроллера, что является наиболее простым решением, обеспечивающим хорошую ремонтопригодность и достаточную надежность оборудования. Однако в связи с высокой интенсивностью работы и широко применяемым совмещением движений нескольких механизмов портовых кранов большее распространение находят магнитные контроллеры, состоящие из командоконтроллера и панели, на которой смонтирована необходимая релейно-контакторная коммутационная, защитная и сигнальная аппаратура. По мере разгона электродвигателя производится автоматическое выключение ступеней резисторов в цепи ротора в функции выдержек времени специальных реле. Частота вращения также регулируется ступенчато с помощью тех же резисторов. Такие контроллеры по сравнению с силовыми существенно уменьшают утомляемость крановщика в связи со следующими эксплуатационными преимуществами: для перемещения рукоятки командоконтроллера требуется относительно небольшое усилие; нет необходимости задумываться над тем, как быстро следует переводить рукоятку управления, так как процессы разгона (торможения) автоматизированы. Эти преимущества позволяют крановщику уделять большее внимание грузовым операциям и совмещению движения, что повышает производительность крана.
Система электропривода с магнитным контроллером проста для ее понимания обслуживающим персоналом и обеспечивает достаточную надежность работы и поэтому на данный момент времени имеет наибольшее распространение в электроприводах портовых кранов. Вместе с тем необходимо указать на ряд ее существенных недостатков.
1. Плохие регулировочные свойства электропривода, что можно обнаружить при рассмотрении механических характеристик для различных сопротивлений в цепи ротора (рис. 1.4). Получение низкой скорости подъема легких грузов (момент Mj) возможно при большом сопротивлении в цепи ротора (характеристика 2). В этом случае обеспечивается устойчивая частота вращения. Однако даже незначительное увеличение массы груза (момент М2) может привести к тому, что при одном и том же положении командоконтроллера вместо ожидаемого подъема груза будет происходить его спуск (частота вращения п2) и, наоборот, вместо ожидаемого спуска и режиме торможения противовключением произойдет подъем груза. Это отрицательное явление лишает управление мнемоничности и представляет опасность для грузчиков, ожидающих движения груза в другом направлении.
Подъем легкого груза при небольшом сопротивлении в цепи ротора (характеристика 1) более стабилен при колебаниях момента (разница Ап — п1 — П2 невелика), но при этом частота вращения в несколько раз превышает необходимую пониженную частоту вращения их.
Весьма узкий диапазон регулирования обеспечивается рассматриваемой системой в механизмах с малым статическим моментом сопротивления (например, механизм поворота при отсутствии встречной ветровой нагрузки). Так, при моменте УИ3 он будет Ап3 (см. рис. 1.4).
2. Автоматизация пуска в функции времени плохо сочетается с нестабильностью статической нагрузки крановых механизмов и изменением их момента инерции. Так, например, увеличение вылета стрелы крана приводит к соответствующему возрастанию момента инерции механизма поворота и, следовательно, к замедлению темпа разгона при пуске. В этом случае реле времени, отрегулированные на более быстрый темп разгона, преждевременно отключают секции резистора роторной цепи, что приводит к возрастанию пиковых значений тока и момента. При малом моменте инерции неоправданно замедленно происходит выключение резисторов из цепи ротора и таким образом снижается производительность крана.
3. Высокая жесткость естественной механической характеристики в сочетании со значительной перегрузочной способностью двигателей не содействуют выравниванию нагрузки канатов замыкающей и поддерживающей лебедок грейферного крана. При образовании слабины каната поддерживающей лебедки ее двигатель будет работать вхолостую, а замыкающий двигатель, осуществляя подъем загруженного грейфера, несет нагрузку, в 2 раза превышающую номинальную, с частотой вращения лзам (см. рис. 1.4). Для выравнивания нагрузки необходимо ликвидировать слабину поддерживающего каната, что, однако, происходит медленно, так как га0 незначительно больше n3aM.
В механизме поворота передвижения и вылета высокая жесткость естественной механической характеристики приводит к плохому успокоению раскачивания свободно подвешенного груза. Предположим, что качающийся груз отклоняется навстречу движению механизма. Момент сопротивления при этом возрастает, скорость движения точки подвеса груза снижается. Это способствует уменьшению угла отклонения каната от вертикали и, следовательно, снижает амплитуду раскачивания груза. Чем мягче механическая характеристика, тем существеннее снижение скорости точки подвеса и тем лучше происходит успокоение колебаний груза. Желаемое смягчение характеристики в некоторых схемах получают благодаря невыключаемой секции резистора в цепи ротора. Однако слишком большое смягчение снижает производительность крана.
4. Первый пик момента при ступенчатом пуске двигателя вызывает упругие колебания механизмов крана. Последующие пики могут совпасть с амплитудой упругих колебаний, вызывая значительные механические напряжения в тех или иных конструкциях и деталях крана, увеличивая вероятность поломок при недостаточном запасе прочности. Кроме того, многократный характер приложения движущих моментов может вызвать усиление раскачивания подвешенного груза в связи с полной временной несогласованностью этих двух процессов. Это произойдет в том случае, когда очередное выключение секции резистора (увеличение движущего момента) совершается при встречном колебании груза.
5. Рассмотрение диаграммы ступенчатого пуска (рис. 1.5) показывает ее недостаточное заполнение в связи с уменьшением движущего момента по мере разгона двигателя с неизменяемым сопротивлением в цепи ротора. Заштрихованная площадь как бы выпадает из пусковой диаграммы, что снижает среднее значение момента и, следовательно, увеличивает время пуска.
6. Грузоподъемность крана ограничивается с помощью специальных устройств различных конструкций. Но, как показывает практика эксплуатации кранов, обслуживающий персонал зачастую отключает их из системы управления, если по условиям работы масса поднимаемого груза превышает номинальную. Особую опасность представляет такой режим в том случае, когда установленный в механизме подъема электродвигатель имеет максимальный момент Mmax, превышающий номинальный статический в 4—5 раз. При добыче сыпучих материалов из-под уровня воды наблюдается явление «присасывания» грейфера к грунту. Двигатель может выйти на естественную характеристику при скорости, равной нулю. Отрицательные последствия такой ситуации вполне понятны.
7. Система электропривода является неэкономичной в связи со значительными потерями электроэнергии в дополнительных резисторах роторной цепи.
8. Большое количество релейно-контакторной аппаратуры снижает надежность и вызывает значительный объем ремонтно-профилактических работ.
Другую систему кранового электропривода будем рассматривать, главным образом, с точки зрения устранения перечисленных недостатков самой распространенной системы.
Асинхронный электропривод с индукционным реостатом в цепи ротора. Индукционный реостат (ИР) представляет собой трехфазную индуктивную катушку с толстостенным магнитопроводом, имеющим значительные потери энергии из-за вихревых токов. Поэтому он обладает большим активным сопротивлением, что является его коренным отличием от катушек с шихтованными сердечниками из листов малой толщины. В наиболее рациональной конструкции индукционного реостата обмотка каждой фазы наматывается на асбоцементную трубу, во внутрь которой вставляется пучок стальных труб, являющихся основной частью магнитопровода. Обмотка, асбоцементная груба и стальные трубы образуют стержень одной фазы. Три стержня индукционного реостата скрепляются двумя массивными нрмами с помощью стяжных шпилек. Обмотки ИР соединяются «звездой» или «треугольником» и подключаются к ротору двигателя. Принцип действия такого устройства основан на явлении поверхностного эффекта, определяющего зависимость его активного и реактивного сопротивлений от частоты. В начале пуска, когда частота тока ротора велика, потери энергии в сердечнике ИР значительны и вихревые токи проходят в поверхностном слое толстостенного стального сердечника. Это определяет значительное эквивалентное сопротивление, нужное для ограничения пускового тока. По мере увеличения частоты вращения двигателя частота тока ротора снижается, что приводит к уменьшению потерь в сердечнике и ослаблению поверхностного эффекта. Происходит автоматическое и плавное уменьшение сопротивления ИР, как это требуется по условиям пуска. После завершения разгона частота тока в роторе составляет 3—5 Гц и сопротивление становится настолько малым, что при повторно-кратковременной работе обмотка ИР может быть оставлена в цепи ротора. Механическая характеристика с ИР в цепи ротора (см. рис. 1.5, кривая 1) может быть различной в зависимости от параметров индукционного реостата.
Таким образом, применение ИР в крановых электроприводах довольно просто решает задачу бесступенчатого плавного пуска, в значительной мере уменьшая вредные последствия упругих колебаний механизмов крана и сокращая до минимума количество контактной аппаратуры. Индукционный реостат автоматически подстраивается под разные темпы разгона электропривода при изменении механической нагрузки. Это исключает большие пики усилий при значительных нагрузках или необоснованное снижение производительности, когда нагрузки невелики.
Как видно из рис. 1.5, механическая характеристика двигателя при включенном ИР обеспечивает лучшее заполнение по сравнению с диаграммой ступенчатого пуска при равных начальных пусковых моментах и, следовательно, сокращается время разгона.
Кроме того, сравнение характеристики 1 и естественной позволяет сделать вывод, что индукционный реостат весьма просто и эффективно ограничивает механическую нагрузку механизма, так как пусковой момент Мпус1; является одновременно максимальным. Тогда как на естественной характеристике значение Мша,- существенно больше 10 м
Вид механической характеристики электродвигателя с ИР в цепи ротора способствует успокоению колебаний свободно подвешенного груза. При встречном рабочему движению отклонении груза происходит возрастание момента сопротивления, выводящее электропривод горизонтального перемещения в зону крутопадающей части механической характеристики. Скорость перемещения при этом быстро надает и стрела подстраивается под движение груза, вызывая затухание раскачивания. Подобным образом ИР выравнивает нагрузку между грузовыми канатами грейферной лебедки и способствует успокоению упругих колебаний механических систем.
В механизмах горизонтального перемещения весьма эффективным и просто осуществляемым оказывается использование ИР в режиме противовключения перед точной остановкой груза. В начале противо- включения частота тока в роторе почти вдвое больше частоты сети, поверхностный эффект в сердечнике выражен сильно, что автоматически обеспечивает возрастание сопротивления и соответствующее ограничение тормозного тока.
Сравнительный анализ двух описанных систем электропривода показывает, что использование ИР устраняет или ослабляет шесть из восьми перечисленных недостатков асинхронного электропривода с резисторами в цепи ротора. Однако при этом проявляется недостаток, связанный с наличием дополнительного реактивного сопротивления, снижающего коэффициент мощности роторной цепи двигателя. Для сохранения момента необходимо увеличение тока, что вызывает дополнительные потери энергии и ведет к более сильному нагреванию статорной и роторной обмоток. Известны способы увеличения коэффициента мощности ИР (cos(pp) до значения 0,95—0,96 существенным смягчением механической характеристики. Теоретические и некоторые экспериментальные исследования показывают, что высокое значение cos(pHp = 0,98-0,99 при сохранении хорошей механической характеристики можно получить при использовании сердечника с большими потерями на гистерезис из магнитотвердых материалов, однако очень дорогих и не изготовляемых в том виде, в каком можно было бы реализовать это устройство. Следовательно, с точки зрения отмеченного недостатка (пониженного значения coscpp), ИР можно рекомендовать для электроприводов с не тяжелыми условиями работы или в случаях, когда установленный двигатель имеет запас в тепловом отношении. Можно отметить и такой недостаток ИР, каковым является сложность унификации и создание отдельных секций, из которых можно было бы «набирать» устройство в зависимости от параметров электропривода.
Система динамического торможения. Динамическое торможение предназначено для расширения диапазона регулирования частоты вращения асинхронного электродвигателя, управляемого контроллером, как правило, при необходимости мягкой посадки груза. В этом случае обеспечивается большая стабильность скорости, чем при использовании торможения противовключением.
Большинство эксплуатируемых кранов оснащены системой динамического торможения с независимым источником постоянного тока. подаваемого в обмотку статора двигателя. Однако этот способ возбуждения имеет при использовании в механизме подъема ряд недостатков, выяснить которые можно при рассмотрении механической характеристики / двигателя при рекуперативном торможении (рис. 1.6) и двух характеристик 2 и 3 при динамическом торможении (характеристика 2 —- при меньшем сопротивлении роторной цепи). Для обеспечения высокой производительности и экономии энергии груз при моменте Mr]t нужно опускать в режиме рекуперативного торможения (см. рис. 1.6. точка а). Перед посадкой груза скорость снижается до необходимого минимального значения, определяемого точкой д на характеристике
2. Однако быстрый переход на эту характеристику (из точки а в точку б) приводит к уменьшению тормозного момента. Чтобы не допустить неограниченного увеличения скорости спуска груза, двигатель сначала переводят в режим динамического торможения с большим сопротивлением роторной цепи (см. рис. 1.6, характеристика 3, точка в). После соответствующего снижения скорости спуска сопротивление в цепи ротора уменьшается (характеристика 2), что приводит к получению желаемой низкой установившейся скорости спуска (точка д). Ступенчатый переход в режим динамического торможения является недостатком и усложняет систему управления. Кроме того, наличие независимого источника питания увеличивает потери энергии электропривода.
Лучшие показатели обеспечивает широко внедряемая в настоящее время система динамического торможения с самовозбуждением {рис. 1.7). В этом случае постоянный ток в обмотку статора подается от ротора этого же двигателя через выпрямитель VI (контакты К1 разомкнуты, а К2 замкнуты).
Для обеспечения надежного возбуждения предусмотрен небольшой ток подпитки /од, поступающий в статор из сети через диод V2 по схеме однополупериодного выпрямления. Так как по мере увеличения частоты вращения ротора будет увеличиваться и ток статора, то механические характеристики двигателя не содержат неустойчивой части и являются более жесткими по сравнению со случаем независимого питания. Включенные в цепь ротора добавочные резисторы R2d ограничивают ток /2 и могут являться делителями напряжения, регулирующими соотношение между токами для получения требуемых условий самовозбуждения.
Схема замещения фазы асинхронного двигателя в режиме динамического торможения приведена на рис. !.8, а, а соответствующая ей векторная диаграмма — на рис. 1.8, б. На основании схемы замещения и векторной диаграммы можно записать следующие уравнения:
Если не учитывать ток подпитки, то связь между эквивалентным током статора и приведенным током ротора в рассматриваемой схеме можно представить следующим соотношением:
Подставив соотношение (1.7) во второе уравнение системы (1.6), после преобразований получим уравнение, связывающее намагничивающий ток /д с током ротора /:
Причиной появления тока Го, а следовательно, и тока является э. д. с. Ez. Связь между определяется первым уравнением системы (1.6)
Процесс самовозбуждения возможен только в том случае, если при данном значении тока /2 ток /(1, рассчитываемый по формуле (1.9), равен или больше тока, определяемого формулой (1.8). Отсюда вытекает следующее аналитическое условие самовозбуждения двигателя в рассматриваемой схеме: причем знак равенства соответствует режиму критического самовозбуждения.
Анализируя выражение (1.10), можно установить, что при kc sg < 1 -f хУхц условия для самовозбуждения отсутствуют при любой скорости. Если kc > 1 f хУхц, самовозбуждение возможно, но оно наступает при определенной граничной скорости vrp, которая зависит от суммарного сопротивления фазы ротора R2. Решив неравенство (1.10) относительно граничной скорости, получим
Таким образом, в интервале изменения угловой скорости от нуля до (огр — vrp(o0 условия самовозбуждения отсутствуют и момент торможения равен нулю. При ш — соГ) двигатель самовозбуждается и его момент увеличивается до значения, определяемого движущим моментом нагрузки.
Условия самовозбуждения часто определяют лишь значением коэффициента трансформации kT, записывая это в виде kr > 1. Однако из формул (1.7) и (1.10) следует, что условия самовозбуждения зависят также от коэффициентов /гсх и kH.
Коэффициент связи kc kcxkTlku зависит от тока подпитки /Г10Д, увеличение которого приводит к повышению постоянного тока I п при почти неизменном токе /2< что снижает значение fe. Коэффициент kv при этом возрастает, условия самовозбуждения улучшаются. Если условие (1.10) выполняется, то ток подпитки устанавливают в пределах (2—5)% номинального тока двигателя для повышения надежности торможения. При отсутствии условия самовозбуждения его создают током подпитки, составляющим 20—30%.
Получение аналитических зависимостей, необходимых для расчета механической характеристики (М) в режиме динамического торможения с самовозбуждением, имеет некоторые особенности. В течение времени коммутации диодов выпрямительного моста VI (см. рис. 1.7)ток ротора проходит по трем фазам, а во внекоммутационный период — только по двум. С учетом этих обстоятельств, а также допуская, что- ток коммутации линейно зависит от времени, можно получить выражение для электромагнитного момента:
Для расчета механической характеристики с учетом насыщения машины необходима также связь между Е2Л и ц. Эта связь определяется кривой намагничивания, снимаемой при угловой скорости со,, путем изменения подводимого к статору напряжения. Можно воспользоваться универсальной кривой намагничивания крановых двигателей (рис. 1.9), построенной в относительных единицах. Единицы тока равны соответственно току холостого хода и напряжению на кольцах разомкнутого ротора при угловой скорости 
Решение трансцендентной системы уравнений (1.12)—(1.14) и (1.18) с использованием зависимости Е2л((1) возможно численным методом на ЭВМ. Можно рекомендовать, например, такой метод решения.
По кривой выбирают пару соответствующих чисел, для которых находят относительную скорость v до выполнения равенства (1.14). Полученные при этом значения подставляют в выражение (1.12) и подсчитывают тормозной момент М. Механические характеристики двигателя при динамическом торможении с самовозбуждением приведены на рис. 1.10. Большему сопротивлению 2