Zautomatyzowany napęd elektryczny mechanizmów dźwignicowych ze sterowaniem tyrystorowym

Nowoczesne układy napędów elektrycznych mechanizmów dźwignicowych realizowane są głównie z wykorzystaniem silników asynchronicznych, których prędkość obrotowa regulowana jest metodą przekaźnikowo-stycznikową poprzez wprowadzenie rezystancji do obwodu wirnika. Takie napędy elektryczne mają mały zakres regulacji prędkości, a przy ruszaniu i zatrzymywaniu powodują duże kopnięcia i przyspieszenia, co niekorzystnie wpływa na pracę konstrukcji żurawia, prowadzi do kołysania ładunku i ogranicza zastosowanie takich układów na żurawiach o zwiększonej wysokości i udźwigu pojemność .

Rozwój technologii półprzewodników mocy umożliwia wprowadzenie zasadniczo nowych rozwiązań w konstrukcji zautomatyzowanego napędu elektrycznego instalacji dźwigowych. Obecnie w mechanizmach podnoszenia i przemieszczania żurawi wieżowych i suwnic pomostowych stosowany jest regulowany napęd elektryczny z silnikami prądu stałego napędzanymi przez mocne przekształtniki tyrystorowe - system TP - D.

Prędkość silnika w takich układach jest regulowana w zakresie (20 ÷ 30): I poprzez zmianę napięcia twornika. Jednocześnie podczas procesów przejściowych system zapewnia uzyskanie przyspieszeń i kopnięć w określonych normach.

Dobre właściwości regulacyjne przejawiają się również w asynchronicznym napędzie elektrycznym, w którym przekształtnik tyrystorowy jest podłączony do obwodu stojana silnika asynchronicznego (AM). Zmiana napięcia stojana silnika w zamkniętym ACS pozwala na ograniczenie momentu rozruchowego, uzyskanie płynnego przyspieszania (hamowania) napędu oraz niezbędnego zakresu regulacji prędkości.

Zastosowanie przetwornic tyrystorowych w zautomatyzowanym napędzie elektrycznym mechanizmów dźwigowych jest coraz częściej stosowane w praktyce krajowej i zagranicznej. Aby zapoznać się z zasadą działania i możliwościami takich instalacji, zatrzymajmy się pokrótce nad dwoma wariantami schematów sterowania silnikami prądu stałego i prądu przemiennego.

na ryc. 1 przedstawia schemat ideowy tyrystorowego sterowania niezależnie wzbudzonym silnikiem prądu stałego dla mechanizmu podnoszącego suwnicy mostowej. Twornik silnika jest zasilany przez odwracalną przetwornicę tyrystorową, która składa się z transformatora mocy Tr, który służy do dopasowania napięcia przetwornicy i obciążenia, dwóch grup tyrystorów T1 — T6 i T7 —​​​​ ​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​, reaktory wygładzające 1UR i 2UR, które są reaktorami wygładzającymi wykonanymi w stanie nienasyconym .

Ryż. 1. Schemat napędu elektrycznego żurawia wg układu TP-D.

Grupa tyrystorów T1 — T6 działa jako prostownik podczas podnoszenia i falownik podczas opuszczania ciężkich ładunków, ponieważ kierunek prądu w obwodzie twornika silnika dla tych trybów jest taki sam. Druga grupa tyrystorów T7 — T12, zapewniająca przeciwny kierunek prądu twornika, działa jako prostownik podczas wyłączania zasilania iw przejściowych trybach uruchamiania silnika do opuszczania hamulców, jako falownik podczas zatrzymywania w procesie podnoszenia ładunki lub hak.

W przeciwieństwie do mechanizmów do ruchomych dźwigów, w których grupy tyrystorów muszą być takie same, w przypadku mechanizmów podnoszących moc tyrystorów drugiej grupy może być mniejsza niż pierwsza, ponieważ prąd silnika podczas wyłączania jest bardzo mniejszy niż podczas podnoszenia i opuszczania ciężkich masa.

Regulacja napięcia wyprostowanego przekształtnika tyrystorowego (TC) odbywa się za pomocą półprzewodnikowego układu sterowania impulsowo-fazowego składającego się z dwóch bloków SIFU-1 i SIFU-2 (ryc. 1), z których każdy dostarcza dwa impulsy wyzwalające do odpowiedniego tyrystor przesunięty o 60 °.

Aby uprościć układ sterowania i zwiększyć niezawodność napędu elektrycznego, schemat ten wykorzystuje skoordynowane sterowanie odwracalnym TP. W tym celu cechy zarządzania i systemy zarządzania obu grup muszą być ściśle powiązane. Jeżeli impulsy odblokowujące są dostarczane do tyrystorów T1 — T6, zapewniając korekcyjny tryb pracy tej grupy, to impulsy odblokowujące są dostarczane do tyrystorów T7 — T12, aby ta grupa była przygotowana do pracy przez falownik.

Kąty sterowania α1 i α2 dla dowolnych trybów pracy TP muszą być zmienione w taki sposób, aby średnie napięcie grupy prostowników nie przekraczało napięcia grupy inwerterów, tj. jeżeli ten warunek nie zostanie spełniony, to między obiema grupami tyrystorów popłynie wyprostowany prąd wyrównawczy, który dodatkowo obciąża zawory i transformator, a także może spowodować zadziałanie zabezpieczenia.

Jednak nawet przy prawidłowym dopasowaniu kątów sterowania α1 i α2 z tyrystorów grupy prostownika i falownika przepływ przemiennego prądu wyrównawczego jest możliwy ze względu na nierówność chwilowych wartości napięć UαB i UαI. Aby ograniczyć ten prąd wyrównawczy, stosuje się dławiki wyrównawcze 1UR i 2UR.

Prąd twornika silnika zawsze przepływa przez jeden z dławików, dzięki czemu zmniejszają się tętnienia tego prądu, a sam dławik jest częściowo nasycony. Drugi dławik, przez który obecnie płynie tylko prąd wyrównawczy, pozostaje nienasycony i ogranicza iyp.

Tyrystorowy elektryczny napęd suwnicy posiada jednopętlowy układ sterowania (CS) wykonany z wykorzystaniem szybkiego odwracalnego sumującego wzmacniacza magnetycznego SMUR, który jest zasilany z prostokątnego generatora napięcia o częstotliwości 1000 Hz. W przypadku zaniku zasilania taki układ sterowania pozwala na uzyskanie zadowalających charakterystyk statycznych i wysokiej jakości procesów przejściowych.

Układ sterowania napędem elektrycznym zawiera ujemne sprzężenie zwrotne dla przerywanego napięcia i prądu silnika oraz słabe dodatnie sprzężenie zwrotne dla napięcia Ud.Sygnał w obwodzie cewek sterujących SMUR jest wyznaczany przez różnicę między napięciem odniesienia Uc pochodzącym z rezystora R4 a napięciem sprzężenia zwrotnego αUd pobieranym z potencjometru POS. Wartość i polaryzacja sygnału sterującego, który określa prędkość i kierunek obrotów napędu, regulowana jest przez sterownik KK.

Odcięcie napięcia wstecznego Ud odbywa się za pomocą krzemowych diod Zenera połączonych równolegle z uzwojeniami głównymi SMUR. Jeżeli różnica napięć Ud — aUd jest większa niż Ust.n, to diody Zenera przewodzą prąd, a napięcie cewek sterujących staje się równe Uz.max = Ust.n.

Od tego momentu zmiana sygnału aUd na spadek nie wpływa na prąd w głównych uzwojeniach SMUR, tj. nie działa ujemne sprzężenie zwrotne dla napięcia Ud, co zwykle ma miejsce przy prądach silnika Id> (1,5 ÷ 1,8) Id .n.

Jeżeli sygnał sprzężenia zwrotnego aUd zbliża się do sygnału odniesienia Uz, to napięcie na diodach Zenera staje się mniejsze niż Ust.n i prąd przez nie nie płynie. Prąd w uzwojeniach głównych SMUR będzie określony przez różnicę napięć U3 — aUd iw tym przypadku w grę wchodzi ujemne sprzężenie zwrotne napięcia.

Ujemny sygnał sprzężenia zwrotnego prądu jest pobierany z dwóch grup przekładników prądowych TT1 — TT3 i TT4 — TT8, współpracujących odpowiednio z grupami tyrystorów T1 — T6 i T7 — T12. W wyłączniku prądowym BTO trójfazowe napięcie przemienne U2TT ≡ Id uzyskane na rezystorach R jest prostowane, a poprzez diody Zenera, które pełnią funkcję napięcia odniesienia, sygnał Uto.s jest podawany na uzwojenia prądowe SMUR , obniżając wynikowy wynik na wejściu wzmacniacza.Zmniejsza to napięcie przekształtnika Ud i ogranicza prąd obwodu twornika Id w trybie statycznym i dynamicznym.

W celu uzyskania wysokiego współczynnika wypełnienia charakterystyki mechanicznej ω = f (M) napędu elektrycznego oraz utrzymania stałego przyspieszenia (opóźnienia) w stanach nieustalonych, oprócz wymienionych powyżej połączeń, zastosowano dodatnie sprzężenie zwrotne w obwód przez napięcie.

Dobiera się współczynnik wzmocnienia tego połączenia kpn = 1 / kpr ≈ ΔUy / ΔUd. zgodnie z początkowym odcinkiem charakterystyki Ud = f (Uy) przekształtnika, ale o rząd mniejszy niż współczynnik α ujemnego sprzężenia zwrotnego na Ud. Efekt tej zależności przejawia się głównie w obecnej strefie nieciągłości, zapewniającej stromo opadające odcinki obiektu.

na ryc. Na rys. 2 przedstawiono charakterystyki statyczne napędu wciągnika dla różnych wartości napięcia odniesienia U3 odpowiadającego różnym pozycjom sterownika.

Jako pierwsze przybliżenie można przyjąć, że w trybach przejścia start, rewers i stop punkt pracy w osiach współrzędnych ω = f (M) przesuwa się wzdłuż charakterystyki statycznej. Wtedy przyspieszenie układu:

gdzie ω jest prędkością kątową, Ma jest momentem rozwijanym przez silnik, Mc jest momentem oporu poruszającego się obciążenia, ΔMc jest momentem strat w przekładniach, J jest momentem bezwładności zredukowanym do wału silnika.

Jeśli pominiemy straty przekładni, to warunkiem równości przyspieszeń przy ruszaniu silnika w górę iw dół oraz podczas zatrzymywania się w górę i w dół jest równość momentów dynamicznych napędu elektrycznego, czyli Mdin.p = Mdin.s.Aby warunek ten został spełniony, charakterystyka statyczna napędu wyciągu musi być asymetryczna względem osi prędkości (Mstop.p > Mstop.s) oraz mieć stromy front w rejonie wartości momentu hamowania (rys. 2, a) .

Ryż. 2. Charakterystyka mechaniczna napędu elektrycznego według układu TP-D: a — mechanizm podnoszący, b — mechanizm ruchu.

W przypadku napędów mechanizmów jezdnych suwnic należy uwzględnić reaktywny charakter momentu oporu, który nie zależy od kierunku jazdy. Przy tej samej wartości momentu obrotowego silnika, bierny moment rezystancyjny spowalnia proces rozruchu i przyspiesza proces zatrzymywania napędu.

Aby wyeliminować to zjawisko, które może prowadzić do poślizgu kół napędowych i szybkiego zużycia przekładni mechanicznych, konieczne jest utrzymywanie w mechanizmach napędowych w przybliżeniu stałych przyspieszeń podczas ruszania, cofania i zatrzymywania. Osiąga się to poprzez uzyskanie charakterystyki statycznej ω = f (M) pokazanej na rys. 2, b.

Określone rodzaje charakterystyk mechanicznych napędu elektrycznego można uzyskać zmieniając odpowiednio współczynniki ujemnego sprzężenia zwrotnego prądowego Id i dodatniego sprzężenia zwrotnego napięciowego Ud.

Kompletny schemat sterowania tyrystorowego napędu elektrycznego suwnicy obejmuje wszystkie połączenia blokujące i obwody zabezpieczające, które omówiono na schematach podanych wcześniej.

W przypadku stosowania TP w napędzie elektrycznym mechanizmów dźwignicowych należy zwrócić uwagę na ich zasilanie.Znaczna niesinusoidalność prądu pobieranego przez przekształtniki powoduje zniekształcenie przebiegu napięcia na wejściu przekształtnika. Zakłócenia te wpływają na pracę sekcji mocy przekształtnika oraz układu sterowania fazą impulsu (SPPC). Zniekształcenie przebiegu napięcia sieciowego powoduje znaczne niepełne wykorzystanie silnika.

Zniekształcenia napięcia zasilania mają silny wpływ na SPPD, zwłaszcza przy braku filtrów wejściowych. W niektórych przypadkach te zniekształcenia mogą powodować losowe pełne otwarcie tyrystorów. Zjawisko to można najlepiej wyeliminować, zasilając SPPHU z oddzielnych wózków podłączonych do transformatora, który nie ma obciążenia prostowniczego.

Możliwości wykorzystania tyrystorów do sterowania prędkością silników asynchronicznych są bardzo różnorodne — są to tyrystorowe przetwornice częstotliwości (falowniki autonomiczne), tyrystorowe regulatory napięcia zawarte w obwodzie stojana, impulsowe regulatory rezystancji i prądów w obwodach elektrycznych itp. .

W napędach elektrycznych dźwigów stosuje się głównie tyrystorowe regulatory napięcia oraz regulatory impulsowe, co wynika z ich względnej prostoty i niezawodności, jednakże zastosowanie każdego z tych regulatorów z osobna nie spełnia w pełni wymagań stawianych napędom elektrycznym mechanizmów dźwignicowych.

W rzeczywistości, gdy w obwodzie wirnika silnika indukcyjnego zastosowano tylko regulator rezystancji impulsów, możliwe jest zapewnienie strefy regulacji ograniczonej naturalnymi i odpowiadającej właściwościom mechanicznym reostatu impedancji, tj.strefa regulacji odpowiada trybowi motorycznemu i trybowi przeciwstawnemu z niepełnym wypełnieniem I i IV lub III i II ćwiartki płaszczyzny charakterystyk mechanicznych.

Zastosowanie tyrystorowego regulatora napięcia, zwłaszcza rewersyjnego, zapewnia w zasadzie strefę regulacji prędkości obejmującą całą roboczą część płaszczyzny M, ω od -ωn do + ωn i od —Mk do +Mk. Jednak w tym przypadku wystąpią znaczne straty poślizgu w samym silniku, co prowadzi do konieczności znacznego przeszacowania jego zainstalowanej mocy i odpowiednio jego wymiarów.

W związku z tym powstają asynchroniczne elektryczne układy napędowe mechanizmów dźwignicowych, w których sterowanie silnikiem odbywa się poprzez kombinację impulsowej regulacji rezystancji w wirniku i zmian napięcia dostarczanego do stojana. To wypełnia cztery kwadranty wydajności mechanicznej.

Schemat ideowy takiego połączonego sterowania pokazano na rys. 3. Obwód wirnika zawiera obwód sterowania impulsem rezystancyjnym w obwodzie prądu wyprostowanego. Parametry obwodu dobiera się tak, aby zapewnić pracę silnika w I i III ćwiartce w obszarach między reostatem a charakterystyką naturalną (na ryc. 4 zacienione liniami pionowymi).

Ryż. 3. Schemat napędu elektrycznego suwnicy z tyrystorowym regulatorem napięcia stojana i impulsowym sterowaniem rezystancji wirnika.

W celu sterowania prędkością w obszarach między charakterystyką reostatu a osią prędkości zacieniowanymi poziomymi liniami na ryc. 4, jak również do cofania silnika, stosuje się tyrystorowy regulator napięcia, składający się z par antyrównoległych tyrystorów 1-2, 4-5, 6-7, 8-9, 11-12.Zmiana napięcia dostarczanego do stojana odbywa się poprzez regulację kąta otwarcia par tyrystorów 1-2, 6-7, 11-12- dla jednego kierunku obrotów i 4-5, 6-7, 8-9- dla drugiego kierunek rotacji.

Ryż. 4. Zasady sterowania kombinowanego silnika indukcyjnego.

Aby uzyskać sztywne charakterystyki mechaniczne i ograniczyć momenty obrotowe silnika, obwód zapewnia sprzężenie zwrotne prędkości i wyprostowanego prądu wirnika, dostarczane przez tachogenerator TG i transformator prądu stałego (wzmacniacz magnetyczny) TPT

Łatwiej jest wypełnić cały kwadrant I, łącząc szeregowo kondensator o rezystancji R1 (rys. 3). W tym przypadku rezystancja równoważna w wyprostowanym prądzie wirnika może zmieniać się od zera do nieskończoności, a zatem prąd wirnika można regulować od wartości maksymalnej do zera.

Zakres regulacji prędkości silnika w takim schemacie rozciąga się do osi rzędnych, ale wartość pojemności kondensatora okazuje się bardzo znacząca.

Aby wypełnić cały kwadrant I przy niższych wartościach pojemności, rezystancja rezystora R1 jest dzielona na osobne stopnie. W pierwszym etapie sukcesywnie wprowadzana jest pojemność, która jest załączana przy małych prądach. Kroki są usuwane metodą impulsową, po czym następuje zwarcie każdego z nich przez tyrystory lub styczniki. Wypełnienie całego kwadrantu I można również uzyskać łącząc pulsacyjne zmiany rezystancji z pulsacyjną pracą silnika. Taki schemat pokazano na ryc. 5.

W obszarze między osią prędkości a charakterystyką reostatu (rys. 4) silnik pracuje w trybie impulsowym.Jednocześnie impulsy sterujące nie są dostarczane do tyrystora T3 i pozostaje on cały czas zamknięty. Obwód realizujący tryb impulsowy silnika składa się z tyrystora roboczego T1, tyrystora pomocniczego T2, kondensatora przełączającego C oraz rezystorów R1 i R2. Gdy tyrystor T1 jest otwarty, prąd płynie przez rezystor R1. Kondensator C jest ładowany do napięcia równego spadkowi napięcia na R1.

Po przyłożeniu impulsu sterującego do tyrystora T2 napięcie kondensatora jest przykładane w kierunku przeciwnym do tyrystora T1 i zamyka go. W tym samym czasie kondensator jest ładowany. Obecność indukcyjności silnika prowadzi do tego, że proces ładowania kondensatora ma charakter oscylacyjny, w wyniku czego tyrystor T2 zamyka się samoczynnie bez podawania sygnałów sterujących, a obwód wirnika okazuje się otwarty. Następnie do tyrystora T1 przykładany jest impuls sterujący i wszystkie procesy są powtarzane ponownie.

Ryż. 5. Schemat impulsowego sterowania kombinowanego silnika asynchronicznego

Tak więc, przy okresowym dostarczaniu sygnałów sterujących do tyrystorów, przez pewien czas w wirniku płynie prąd, określony przez rezystancję rezystora R1. W drugiej części okresu obwód wirnika okazuje się być otwarty, moment obrotowy rozwijany przez silnik jest równy zeru, a jego punkt pracy znajduje się na osi prędkości. Zmieniając względny czas trwania tyrystora T1 w okresie, można uzyskać średnią wartość momentu obrotowego rozwijanego przez silnik od zera do wartości maksymalnej odpowiadającej działaniu charakterystyki reostatu, gdy wirnik R1 jest wprowadzany do okrążenie

Wykorzystując różne sprzężenia zwrotne, możliwe jest uzyskanie charakterystyki pożądanego typu w obszarze między osią prędkości a charakterystyką reostatu. Przejście do obszaru między reostatem a charakterystyką naturalną wymaga, aby tyrystor T2 był cały czas zamknięty, a tyrystor T1 był cały czas otwarty. Zwierając rezystancję R1 za pomocą przełącznika z tyrystorem głównym T3, można płynnie zmienić rezystancję w obwodzie wirnika z wartości R1 na 0, zapewniając w ten sposób naturalną charakterystykę pracy silnika.

Tryb impulsowy silnika komutowanego w obwodzie wirnika może być również realizowany w trybie hamowania dynamicznego. Stosując różne sprzężenia zwrotne, w tym przypadku w II ćwiartce, można uzyskać pożądane właściwości mechaniczne. Za pomocą logicznego schematu sterowania można wykonać automatyczne przejście silnika z jednego trybu do drugiego i wypełnić wszystkie ćwiartki charakterystyki mechanicznej.