ОБЩИЕ ВОПРОСЫ. ПРИНЦИП ИМПУЛЬСНО-КЛЮЧЕВОГО УПРАВЛЕНИЯ
Электроприводы с контакторно-контроллерной аппаратурой управления благодаря своей простоте и невысокой стоимости занимают превалирующее место в промышленном производстве. Однако повышение требований к крановым приводам массового применения ставит задачи значительного улучшения их технико-экономических показателей без существенного увеличения стоимости и усложнения эксплуатации. Основным направлением решения указанных задач является применение средств полупроводниковой техники в традиционных системах в целях повышения коммутационной стойкости контакторно-контроллерной аппаратуры и реализации более рациональных режимов регулирования и торможения.
В настоящем параграфе рассматриваются электроприводы с импульсно-ключевыми коммутаторами (ИКК) в цепи ротора фазных двигателей, позволяющие обеспечить в тех случаях, когда это необходимо, наряду с повышением диапазона регулирования скоростей на уровне не ниже 10:1 бестоковую коммутацию контакторов с доведением их коммутационной износостойкости до уровня механической. Такие электроприводы уже внедрены на ряде кранов массового производства, а их область применения непрерывно расширяется. При импульсно-ключевом управлении фактически автоматически реализуется режим включения-отключения электропривода с "мягкими" механическими характеристиками, осуществляемый оператором для получения требуемой установочной скорости. Однако получаемый при этом диапазон регулирования скорости в несколько раз превышает достигаемый в традиционных системах. Формирование пуско-тормозных характеристик при этом не осуществляется, и управление электроприводом во всех остальных режимах не отличается от обычных систем.
Электроприводы с импульсно-ключевыми коммутаторами разработаны как для подъемных механизмов, так и для механизмов передвижения в одно- и двухдвигательном исполнении. Для механизмов передвижения такие электроприводы выпускаются как с силовыми кулачковыми контроллерами, так и с панелями управления только для целей регулирования на те же мощности, что и традиционные электроприводы.
ЭЛЕКТРОПРИВОДЫ МЕХАНИЗМОВ ПЕРЕДВИЖЕНИЯ
Современные мостовые и козловые краны оснащаются механизмами передвижения моста, рассчитанными на перемещение кранов с относительно высокими скоростями (от 1 до 2 м/с) и ускорениями при разгоне до 0,4 м/с2. При таких скоростных параметрах машинист крана в процессе наводки
груза на заданные координаты вынужден осуществлять многократные толчковые включения для обеспечения точной установки, что удлиняет цикл перемещения груза, утомляет машиниста и в конечном счете ведет к сокращению ресурса крана. Кроме того, быстроходный кран при отключении устройствами безопасности имеет максимальный выбег, м,
где v - скорость механизма, м/с; л - КПД механизма; а - отношение числа приводных колес к общему числу колес; Ф - коэффициент трения; G — масса крана; Q - масса груза; q - масса крюка.
При максимальном отношении
= 2 и а = 0,5, ф = 0,2
максимальный выбег будет составлять около 5 м, а при скорости 1,3 м/с 2 м. Следовательно, у таких кранов без регулирования скорости из общей подкрановой площади исключается необслуживаемая краном зона двойного выбега площадью (4-H0)XL, м2, наиболее дефицитных торцевых зон пролета. Поэтому для современных кранов особую остроту приобретает необходимость регулирования скорости передвижения. При наличии малых установочных скоростей передвижения, составляющих 10-12 % номинальной скорости, практически исключается толчковое включение механизмов, точность вывода в заданные координаты за одно включение составляет ± 3D мм, а после срабатывания прибора безопасности передвижения кран на малой скорости может быть доведен практически до упора, т.е. появляется возможность полного использования полкрановой площади или сближения двух соседних кранов также до упоров.
Применявшиеся ранее системы, обеспечивая диапазон регулирования скорости 1:10 и более, а также необходимую плавность пуска и торможения, обладали рядом существенных недостатков, препятствующих их массовому использованию на кранах. Среди них наиболее очевидными являются:
а) для систем с микроприводом - существенное увеличение габаритов механизма за счет второго двигателя и дополнительного редуктора;
б) для систем с тиристорным регулятором напряжения - наличие тахогенератора контроля скорости, крайне неудобного в компоновке механизма;
в) для систем с вихревым тормозом - значительное увеличение габаритов механизма за счет вихревого тормоза;
г) для систем с тиристорным регулятором напряжения - необходимость высококвалифицированного обслуживания и наладки, высокая первоначальная стоимость и стоимость запчастей (до 1500 руб. за комплект).
Учитывая, что значительная часть грузоподъемных кранов эксплуатируется при явно недостаточном профилактическом обслуживании, отсутствии запасных частей и предельных отклонениях параметров питающего напряжения, сложные системы регулирования в этих условиях имеют недостаточную надежность и высокую вероятность повреждений, не связанных с тепловыми перегрузками.
В последнее время началось широкое внедрение в крановом электроприводе систем импульсно-ключевого регулирования частоты вращения электродвигателей с фазным ротором при помощи тиристорных коммутаторов роторных цепей.
Сущность импульсно-ключевого регулирования частоты вращения заключается в коммутации роторной цепи электродвигателя с введенными в нее ступенями резисторов с помощью тиристорного коммутатора. При этом включение коммутатора производится сигналом, выделенным из ЭДС ротора, при напряжении на его зажимах, превышающем заданное значение (заданную минимальную частоту вращения); размыкание цепи производится при естественной коммутации, при снятом управляющем напряжении тиристора, когда напряжение в роторной цепи становится ниже значения, соответствующего максимально заданной частоте вращения ротора. Это можно сравнить с прерывистым (толчковым) включением электродвигателя, когда машинист крана осуществляет режим доводки механизма толчками. При этом способе регулирования коммутация двигателя производится в цепи фазного ротора при частоте вращения от 10 % номинальной и ее постоянство с точностью ± 20 % установленного значения составляет 8-13 % номинальной частоты вращения.
Описываемая система выгодно отличается от многих более сложных систем автоматического регулирования достижением необходимого конечного эффекта (регулирования скорости 1:10) элементарно простыми средствами. Она построена на базе и по принципам традиционного кранового электропривода с добавлением лишь тиристорного коммутационного блока. Управление этим блоком также элементарно просто и включает всего два электронных прибора - стабилитрон и оптрон. При повреждении системы регулирования скорости электропривод может продолжать работать с механическими характеристиками традиционного кранового привода.
Механизм передвижения электроприводов с использованием импульсно-ключевого управления включаются по различным схемам в зависимости от предъявляемых требований. На рис. 1 приведена схема двухдвигательного электропривода с управлением от силового кулачкового контроллера ККТ62, применяемая для кранов режимов ЗК. В этой схеме импульсно-ключевое управление использовано для получения доводочных скоростей механизмов при диапазоне регулирования 10:1. Механические характеристики электропривода показаны на рис. 2. За исключением режима малых скоростей, работа схемы аналогична управлению от кулачкового контроллера, широко известного в краностроении.
Контакты кулачкового контроллера SM выводят ступени резисторов в цепи ротора, а реверс двигателя осуществляется контакторами реверсора КМ1В и КМ2В. Импульсно-ключевые коммутаторы обоих двигателей выполнены по треугольным схемам на тиристорах VS1-VS6. В состав узла управления коммутатором входят измерительные мосты ЭДС двигателей UZ1, UZ2, элемент с регулируемым порогом срабатывания, выполненный на стабилитроне VD, формирователь импульсов, выполненный на оптроне VS8, распределители импульсов на диодах V1-V3 и V7 - V9 и резисторах R1 и R2, выпрямляющие диоды V4-V6 и V10-V12, делитель напряжения на резисторе R3 и потенциометре R4. Из-за встречного включения выпрямителей на диодах V4-V6 и V10-V12 сигнал управления поступает на тиристоры коммутатора того двигателя, скольжение которого выше, а встречное включение мостов UZ1 и UZ2 обеспечивает и управление коммутатором по скольжению того же двигателя. Благодаря этому в определенной степени достигается выравнивание частот вращения и нагрузок двигателя.
Рис. 1. Схема двух двигательного электропривода механизма передвижения с импульсно- ключевым регулированием и управлением от силового контроллера
Для получения характеристики 2 часть сопротивления потенциометра R4 выводится контактом контроллера SM11, тем самым изменяется уставка скольжения двигателя. Силовой контроллер обеспечивает пятипозиционное управление. При переводе рукоятки контроллера с любой позиции в позицию 2 механизм тормозится на свободном выбеге. На нулевом положении накладывается механический тормоз, катушка электромагнита которого подключена к входным выводам обмоток статора двигателей. При необходимости можно осуществить торможение в режиме противовключения переводом рукоятки командоконтроллера в положение 1 противоположного направления. При быстром переводе рукоятки контроллера в крайнее положение схемой предусмотрен автоматический пуск по реостатной характеристике 2 благодаря задержке включения контактором KM IV и KM2V, выполняемой с помощью реле времени КТ. При этом элемент с регулируемым порогом срабатывания шунтируется контактом реле КН, и сигналы управления на тиристоры коммутатора подаются постоянно, пока коммутатор не будет зашунтирован контакторами. Защита привода, конечная и максимальная, вынесена на линейный контактор КММ. Контакторы и реле расположены в общей панели управления краном.
Схема электропривода механизма передвижения с им- пульсно-ключевым управлением посредством панели в двухдвигательном исполнении, разработанная для кранов Общего назначения, приведена на рис. 3, а соответствующие ей механические характеристики - на рис. 2. В отличие от схемы рис. 1 здесь автоматизированы режимы пуска и торможения и обеспечена доводочная скорость в тормозном режиме.
Рис. 2. Механические характеристики электропривода по схемам 1,3
Схема управления коммутатором аналогична рассмотренной схеме с кулачковым контроллером, но мостового типа, и включает в себя коммутаторы на тиристорах VS2-VS4, Диоды VD1-VD3, измерительные мосты UZ с фильтрами С1-С4 и R7, делитель напряжения на резисторах R1-R4, элементы формирователь импульсов на оптроне VS1, распределитель импульсов на диодах VD4-VD5-VD6 и резисторах R6 и R8.
Рис. 3. Схема двухдвигательного электропривода механизма передвижения с им
с регулируемым порогом срабатывания на стабилитронах VD7-VD8, пульсно-ключевым регулированием и управлением от панели Б6506
В цепь статора включены контакторы 1КМ1 и 1КМ2, 2КМ1, 2КМ2. Управление скоростью осуществляется контакторами ускорения 1КМ4-1КМ7 и 2КМ4-2КМ7. На позиции 1 ко- мандоконтроллера привод включается, но движение отсутствует, а на позициях 2 и 3 работает в импульсно-ключевом режиме, причем для получения характеристики 3 включается КМ5, выводящий часть сопротивления из цепи ротора, и перестраивающий установку скольжения изменением сопротивления потенциометра R3. На Остальных позициях командо- контроллера осуществляется пуск двигателя по реостатным характеристикам 4-5 при замкнутом контакторами 1КМ6, 1КМ7 и 2КМ6 и 2КМ7 коммутаторе.
При обратном переводе рукоятки командоконтроллера в положение 1 включается реверсивный контактор противоположного направления, и двигатель переводится в режим противовключения на характеристику импульсно-ключевого регулирования 1. На этой характеристике привод работает с установившейся скоростью при наличии пониженного тормозного момента или останавливается при его отсутствии. На нулевой позиции контроллера отключается контактор КМЗ и накладывается тормоз. Автоматизация пуско-тормозных режимов выполняется с помощью электронных реле времени КТ1, КТ2. Максимальная защита электропривода осуществляется через общекрановое защитное устройство, конечная защита - конечными выключателями SQ1 и SQ2 в цепи катушки нулевого контактора КМ8.
Основной особенностью описанных схем является тиристор- ное импульсно-ключевое устройство. Оно состоит из тиристорных блоков коммутации в роторной цепи двигателей. Измеряемое роторное напряжение каждого из двигателей выпрямляется выпрямителями UZ и подается на потенциометры R1-R4. В цепь потенциометра последовательно включены стабилитрон VD7 и входной элемент оптрона VS1. Стабилитрон VD7 при заданном напряжении малой скорости пробивается и включает входную цепь оптрона. В свою очередь через выходную цепь оптрона получают питание управляющие электроды тиристорных блоков коммутации. Происходит замыкание роторных цепей электродвигателей, и они начинают разгоняться. Когда малая скорость окажется выше заданного значения, стабилитрон закрывается, и после этого при очередном переходе тока через 0 тиристорные блоки размыкают роторные цепи, двигатель работает в режиме свободного выбега. Это ведет к снижению скорости, и весь процесс повторяется.
Управление электроприводом осуществляется как от командоконтроллера ККП1164 или контроллера кранового пульта DVP15 вариант 6 (контакты 1-11), так и от подвесного кнопочного поста управления с пола. При управлении командоконтроллером из кабины на первом положении хода с нуля не происходит изменение коммутационного положения в схеме. Двигатели отключены. Во втором положении хода включаются контакторы направления 1КМ1 (1КМ2), 20 2КМ1 (2КМ2) и контактор тормоза КМЗ. Электродвигатели в импульсно-ключевом режиме работают на малой частоте вращения также и в третьем положении, но при увеличенном пусковом моменте и увеличенной уставке скорости движения. В последующих положениях тиристорный коммутатор шунтируется и разгон осуществляется на реостатных характеристиках. При обратном ходе рукоятки командоконтроллера в положениях 3 и 2 осуществляется свободный выбег крана при разомкнутой роторной цепи, а в положении 1 электродвигатель реверсируется, интенсивно и плавно тормозится до остановки. Если на кран действует попутный ветер, он будет двигаться с малой скоростью (около 10 % номинальной) до тех пор, пока привод не будет отключен переводом командоконтроллера в нулевое положение, при котором срабатывают механические тормоза. При кнопочном управлении с пола при помощи поста ПКТ66 нажатием двухходовых кнопок SB1 (SB2) включается малая скорость, а при дальнейшем нажатии этих кнопок замыкается контакт SB11 (SB21) и осуществляется движение на большой скорости. Отпускание кнопки (размыкание SB11) позволяет реализовать свободный выбег, а полное отпускание кнопок SB1 (SB2) ведет к отключению двигателей и наложению механических тормозов; в целях сокращения выбега и безопасности в схемах предусмотрено по два конечных выключателя SQ1, SQ2 для отключения привода на большой скорости в каждом из направлений. Доводка крана после срабатывания выключателей SQ1, SQ2 осуществляется при нажатии кнопок SB3 (SB4) соответственно в кабине или на пульте.
Электронные реле времени КТ1, КТ2 имеют схему, приведенную на рис. 4.
В схеме реле через выпрямитель VD и тиристор VS образуется цепь включения контролируемого контактора или пускателя. При этом образование цепи прямой и обратной полуволн тока осуществляется включением тиристора VS.
Рис. 4. Схема электронного реле времени
В свою очередь включение этого тиристора осуществляется с помощью однопереходного транзистора VT и конденсаторов CI, С2. Регулировкой времени заряда конденсатора с помощью переменного резистора R1 устанавливается определенное время между подачей напряжения на входные зажимы реле и замыканием цепи тиристором VS; после включения управляемого контактора цепь электронного реле шунтируется вспомогательными контактами этого контактора.
По описанной выше схеме изготовляются комплектные устройства управления панели Б6505 для управления одним двигателем мощностью от 1,4 до 22 кВт и Б6506 - для управления двумя двигателями в том же диапазоне мощностей, т.е. максимально до 2X22 кВт. Такая мощность является предельно требуемой для кранов грузоподъемностью 50 т группы режимов 6К по ГОСТ 25546-82.
Для кранов грузоподъемностью свыше 50 т применяются аналогичные комплектные устройства для мощностей от 2X30 до 2X55 кВт. Механизмы передвижения с единичной мощностью двигателей свыше 55 кВт в стране не изготовляются, поэтому данные устройства пригодны для всех типов кранов общего назначения.
Система очень проста в наладке и эксплуатации. Установка малой скорости обеспечивается переменными резисторами R2-R4 на месте. Других регулировок не требуется. При исправных стабилитронах скоростные параметры соблюдаются достаточно точно даже при больших колебаниях напряжения в сети.
