Geautomatiseerde elektrische aandrijving van kraanmechanismen met thyristorbesturing

Moderne systemen van elektrische aandrijvingen van kraanmechanismen worden voornamelijk geïmplementeerd met behulp van asynchrone motoren, waarvan de snelheid wordt geregeld door de relais-magneetschakelaarmethode door weerstanden in het rotorcircuit te introduceren. Dergelijke elektrische aandrijvingen hebben een klein snelheidsregelbereik en creëren bij het starten en stoppen grote trappen en versnellingen, wat de prestaties van de kraanconstructie nadelig beïnvloedt, leidt tot slingeren van de last en het gebruik van dergelijke systemen op kranen met grotere hoogte en hefvermogen beperkt capaciteit.

De ontwikkeling van de vermogenshalfgeleidertechnologie maakt het mogelijk om fundamenteel nieuwe oplossingen te introduceren in de structuur van de geautomatiseerde elektrische aandrijving van kraaninstallaties. Momenteel wordt een instelbare elektrische aandrijving met gelijkstroommotoren aangedreven door krachtige thyristoromvormers gebruikt op de hef- en verplaatsingsmechanismen van torenkranen en brugkranen - TP-systeem - D.

Het motortoerental in dergelijke systemen wordt geregeld in het bereik (20 ÷ 30): I door de ankerspanning te wijzigen. Tegelijkertijd zorgt het systeem er tijdens overgangsprocessen voor dat acceleraties en trappen binnen de gestelde normen worden verkregen.

Goede regeleigenschappen komen ook tot uiting in een asynchrone elektrische aandrijving, wanneer een thyristoromvormer is aangesloten op het statorcircuit van een asynchrone motor (AM). Door de statorspanning van de motor in een gesloten ACS te wijzigen, kan het startkoppel worden beperkt, waardoor een soepele acceleratie (deceleratie) van de omvormer en het benodigde toerentalregelbereik wordt bereikt.

In de binnen- en buitenlandse praktijk wordt steeds vaker gebruik gemaakt van thyristoromvormers bij de geautomatiseerde elektrische aandrijving van kraanmechanismen. Laten we, om kennis te maken met het werkingsprincipe en de mogelijkheden van dergelijke installaties, kort stilstaan ​​​​bij twee varianten van besturingsschema's voor gelijkstroom- en wisselstroommotoren.

In afb. 1 toont een schematisch diagram van thyristorbesturing van een onafhankelijk bekrachtigde gelijkstroommotor voor een hefmechanisme van een brugkraan. Het anker van de motor wordt gevoed door een omkeerbare thyristoromzetter, die bestaat uit een vermogenstransformator Tr, die dient om de spanning van de omzetter en de belasting aan te passen, twee groepen thyristors T1 - T6 en T7 - ​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​, afvlakreactoren 1UR en 2UR, die beide afvlakreactoren zijn die onverzadigd zijn gemaakt .

Rijst. 1. Schema van de elektrische aandrijving van de kraan volgens het TP-D systeem.

De groep thyristors T1 - T6 werkt als een gelijkrichter bij het heffen en als een omvormer bij het laten zakken van zware lasten, aangezien de stroomrichting in het ankercircuit van de motor voor deze modi hetzelfde is. De tweede groep thyristors T7 - ​​T12, die de tegenovergestelde richting van de ankerstroom levert, werkt als een gelijkrichter tijdens het uitschakelen en in tijdelijke modi van het starten van de motor om de remmen te laten zakken, als een omvormer bij het stoppen tijdens het heffen lasten of haak.

In tegenstelling tot mechanismen voor het verplaatsen van kranen, waarbij thyristorgroepen hetzelfde moeten zijn, kan voor hefmechanismen de kracht van thyristors van de tweede groep minder worden genomen dan de eerste, omdat de motorstroom tijdens het uitschakelen veel minder is dan bij het heffen en neerlaten van zware ladingen.

Regeling van de gelijkgerichte spanning van de thyristoromvormer (TC) wordt uitgevoerd met behulp van een halfgeleider pulsfasebesturingssysteem bestaande uit twee blokken SIFU-1 en SIFU-2 (Fig. 1), die elk twee ontstekingspulsen leveren aan de overeenkomstige thyristor gecompenseerd door 60 °.

Om het besturingssysteem te vereenvoudigen en de betrouwbaarheid van de elektrische aandrijving te vergroten, maakt dit schema gebruik van de gecoördineerde besturing van de omkeerbare TP. Hiervoor moeten de managementkenmerken en managementsystemen van beide groepen nauw met elkaar verbonden zijn. Als de ontgrendelingspulsen worden geleverd aan thyristors T1 - T6, die de correctieve werkingsmodus van deze groep leveren, dan worden de ontgrendelingspulsen geleverd aan thyristors T7 - ​​T12 zodat deze groep wordt voorbereid voor gebruik door de omvormer.

De stuurhoeken α1 en α2 voor alle bedrijfsmodi van de TP moeten zodanig worden gewijzigd dat de gemiddelde spanning van de gelijkrichtergroep de spanning van de invertergroep, d.w.z. als aan deze voorwaarde niet wordt voldaan, zal de gelijkgerichte egalisatiestroom tussen de twee groepen thyristors vloeien, waardoor de kleppen en transformator extra worden belast en ook de beveiliging kan worden geactiveerd.

Maar zelfs met de juiste afstemming van de stuurhoeken α1 en α2 van de thyristors van de gelijkrichter- en invertergroepen, is de stroom van een wisselstroom egalisatie mogelijk vanwege de ongelijkheid van de momentane waarden van de spanningen UαB en UαI. Om deze vereffeningsstroom te beperken, worden de vereffeningsreactoren 1UR en 2UR gebruikt.

De ankerstroom van de motor gaat altijd door een van de reactoren, waardoor de rimpelingen van deze stroom worden verminderd en de reactor zelf gedeeltelijk verzadigd is. De tweede reactor, waar momenteel alleen vereffeningsstroom doorheen stroomt, blijft onverzadigd en beperkt iyp.

De thyristor elektrische kraanaandrijving heeft een single-loop control system (CS) gemaakt met behulp van een snelle omkeerbare sommerende magnetische versterker SMUR, die wordt gevoed door een rechthoekige spanningsgenerator met een frequentie van 1000 Hz. In het geval van een stroomstoring maakt een dergelijk besturingssysteem het mogelijk om bevredigende statische kenmerken en hoge kwaliteit van voorbijgaande processen te verkrijgen.

Het besturingssysteem van de elektrische aandrijving bevat een negatieve terugkoppeling voor de intermitterende motorspanning en -stroom, evenals een zwakke positieve terugkoppeling voor de spanning Ud.Het signaal in het circuit van de SMUR-aandrijfspoelen wordt bepaald door het verschil tussen de referentiespanning Uc afkomstig van de weerstand R4 en de feedbackspanning αUd afkomstig van de POS-potentiometer. De waarde en polariteit van het commandosignaal, dat de snelheid en draairichting van de aandrijving bepaalt, wordt geregeld door de KK-controller.

De sperspanning Ud wordt afgesneden met behulp van silicium zenerdiodes die parallel zijn geschakeld met de SMUR-hoofdwikkelingen. Als het spanningsverschil Ud — aUd groter is dan Ust.n, dan geleiden de zenerdiodes stroom en wordt de spanning van de stuurspoelen gelijk aan Uz.max = Ust.n.

Vanaf dit punt heeft de verandering in het signaal aUd om af te nemen geen invloed op de stroom in de hoofdwikkelingen van de SMUR, d.w.z. de tegenkoppeling voor de spanning Ud werkt niet, wat meestal gebeurt bij motorstromen Id> (1,5 ÷ 1,8) Id .n.

Als het terugkoppelsignaal aUd het referentiesignaal Uz benadert, wordt de spanning op de zenerdiodes kleiner dan Ust.n en vloeit er geen stroom doorheen. De stroom in de hoofdwikkelingen van de SMUR wordt bepaald door het spanningsverschil U3 — aUd en in dit geval komt de negatieve spanningsterugkoppeling in het spel.

Het negatieve stroomterugkoppelingssignaal is afkomstig van twee groepen stroomtransformatoren TT1 — TT3 en TT4 — TT8, die respectievelijk werken met groepen thyristors T1 — T6 en T7 — ​​T12. In de BTO-stroomonderbreker wordt de driefasige wisselspanning U2TT ≡ Id verkregen op de weerstanden R gelijkgericht, en via de zenerdiodes, die werken als een referentiespanning, wordt het signaal Uto.s toegevoerd aan de stroomwikkelingen van de SMUR , waardoor het resulterende resultaat aan de ingang van de versterker wordt verlaagd.Dit vermindert de omzetterspanning Ud en beperkt de ankercircuitstroom Id in statische en dynamische modi.

Om een ​​hoge vulfactor van de mechanische eigenschappen ω = f (M) van de elektrische aandrijving te verkrijgen en om een ​​constante acceleratie (deceleratie) in transiënte modi te behouden, wordt naast de hierboven vermelde verbindingen een positieve terugkoppeling toegepast in de circuit door spanning.

De versterkingsfactor van deze verbinding wordt gekozen kpn = 1 / kpr ≈ ΔUy / ΔUd. in overeenstemming met de beginsectie van de karakteristiek Ud = f (Uy) van de omzetter, maar met een orde kleiner dan de coëfficiënt α van de tegenkoppeling op Ud. Het effect van deze relatie komt vooral tot uiting in de huidige discontinuïteitszone, die sterk dalende delen van het kenmerk oplevert.

In afb. 2, a toont de statische kenmerken van de takelaandrijving voor verschillende waarden van de referentiespanning U3 die overeenkomen met verschillende posities van de controller.

Als eerste benadering kan worden aangenomen dat in de overgangsmodi starten, achteruit en stoppen het werkpunt in de coördinatenassen ω = f (M) langs de statische karakteristiek beweegt. Dan de versnelling van het systeem:

waar ω de hoeksnelheid is, Ma is het moment ontwikkeld door de motor, Mc is het moment van weerstand van de bewegende last, ΔMc is het moment van verliezen in de tandwielen, J is het traagheidsmoment gereduceerd tot de motoras.

Als we transmissieverliezen negeren, dan is de voorwaarde voor de gelijkheid van acceleratie bij het op en neer starten van de motor, evenals bij het stoppen van op en neer, de gelijkheid van de dynamische momenten van de elektrische aandrijving, dat wil zeggen Mdin.p = Mdin.s.Om aan deze voorwaarde te voldoen, moeten de statische eigenschappen van de hijswerkaandrijving asymmetrisch zijn ten opzichte van de snelheidsas (Mstop.p> Mstop.s) en een steil front hebben in het gebied van de remmomentwaarde (afb. 2, a) .

Rijst. 2. Mechanische kenmerken van de elektrische aandrijving volgens het TP-D-systeem: a — hefmechanisme, b — bewegingsmechanisme.

Bij de aandrijvingen van kraanrijmechanismen moet rekening worden gehouden met het reactieve karakter van het weerstandsmoment, dat onafhankelijk is van de rijrichting. Bij dezelfde waarde van het motorkoppel zal het reactieve weerstandskoppel het startproces vertragen en het stopproces van de omvormer versnellen.

Om dit fenomeen, dat kan leiden tot slippen van de aangedreven wielen en snelle slijtage van mechanische transmissies, te elimineren, is het noodzakelijk om ongeveer constante versnellingen aan te houden tijdens het starten, achteruitrijden en stoppen in de aandrijfmechanismen. Dit wordt bereikt door het verkrijgen van de statische kenmerken ω = f (M) getoond in Fig. 2, geb.

De gespecificeerde typen mechanische eigenschappen van de elektrische aandrijving kunnen worden verkregen door overeenkomstig de coëfficiënten van negatieve stroomterugkoppeling Id en positieve spanningsterugkoppeling Ud te variëren.

Het volledige besturingsschema van de thyristorgestuurde elektrische aandrijving van de bovenloopkraan omvat alle in elkaar grijpende verbindingen en beveiligingscircuits die in de eerder gegeven schema's zijn besproken.

Bij gebruik van TP in de elektrische aandrijving van kraanmechanismen moet aandacht worden besteed aan hun stroomvoorziening.De aanzienlijke niet-sinusvormige aard van de stroom die door de omvormers wordt verbruikt, veroorzaakt vervorming van de spanningsgolfvorm aan de ingang van de omvormer. Deze vervormingen beïnvloeden de werking van het vermogensgedeelte van de omvormer en het pulsfasecontrolesysteem (SPPC). Vervorming van de lijnspanningsgolfvorm veroorzaakt een aanzienlijke onderbenutting van de motor.

Vervorming van de voedingsspanning heeft een sterk effect op SPPD, vooral bij afwezigheid van ingangsfilters. In sommige gevallen kunnen deze vervormingen ervoor zorgen dat de thyristors willekeurig volledig openen. Dit fenomeen kan het beste worden verholpen door de SPPHU te voeden vanuit aparte karren die zijn aangesloten op een transformator die geen gelijkrichterbelasting heeft.

De mogelijke manieren om thyristors te gebruiken om de snelheid van asynchrone motoren te regelen zijn zeer divers - dit zijn thyristor-frequentieomvormers (autonome omvormers), thyristor-spanningsregelaars in het statorcircuit, impulsregelaars van weerstand en stromen in elektrische circuits, enz. .

In elektrische kraanaandrijvingen worden voornamelijk thyristorspanningsregelaars en pulsregelaars gebruikt, vanwege hun relatieve eenvoud en betrouwbaarheid.Het gebruik van elk van deze regelaars afzonderlijk voldoet echter niet volledig aan de eisen voor elektrische aandrijvingen van kraanmechanismen.

Wanneer alleen een pulsweerstandsregelaar wordt gebruikt in het rotorcircuit van een asynchrone motor, is het in feite mogelijk om een ​​regelzone te bieden die wordt beperkt door natuurlijke en overeenkomt met de mechanische kenmerken van de impedantiereostaat, d.w.z.de aanpassingszone komt overeen met de motormodus en de oppositiemodus met onvolledige vulling I en IV of III en II kwadranten van het vlak van mechanische kenmerken.

Het gebruik van een thyristor-spanningsregelaar, vooral een omkeerbare, biedt in feite een snelheidsregelingszone die het gehele werkende deel van het vlak M beslaat, ω van -ωn tot + ωn en van — Mk tot + Mk. In dit geval zullen er echter aanzienlijke slipverliezen zijn in de motor zelf, wat ertoe leidt dat het geïnstalleerde vermogen en daarmee de afmetingen aanzienlijk moeten worden overschat.

In dit verband worden asynchrone elektrische aandrijfsystemen voor kraanmechanismen gecreëerd, waarbij de motor wordt bestuurd door een combinatie van pulserende regeling van de weerstand in de rotor en veranderingen in de aan de stator geleverde spanning. Dit vult de vier kwadranten van mechanische prestaties in.

Een schematisch diagram van zo'n gecombineerde regeling wordt getoond in Fig. 3. Het rotorcircuit bevat een weerstandspulsbesturingscircuit in het gelijkgerichte stroomcircuit. De parameters van het circuit worden geselecteerd om de werking van de motor in de kwadranten I en III te verzekeren in de gebieden tussen de reostaat en de natuurlijke kenmerken (in Fig. 4, gearceerd met verticale lijnen).

Rijst. 3. Schema van een kraan elektrische aandrijving met een thyristorregelaar van de statorspanning en impulsregeling van de rotorweerstand.

Om de snelheid te regelen in de gebieden tussen de regelweerstandkarakteristieken en de snelheidsas die in afb. 4, evenals voor het omkeren van de motor, wordt een thyristor-spanningsregelaar gebruikt, bestaande uit paren anti-parallelle thyristors 1-2, 4-5, 6-7, 8-9, 11-12.Het wijzigen van de spanning die aan de stator wordt geleverd, wordt uitgevoerd door de openingshoek van thyristorparen 1-2, 6-7, 11-12-voor één draairichting en 4-5, 6-7, 8-9-voor andere draairichting aan te passen draairichting.

Rijst. 4. Regels voor gecombineerde aansturing van een inductiemotor.

Om rigide mechanische eigenschappen te verkrijgen en motorkoppels te beperken, biedt het circuit snelheid en gelijkgerichte rotorstroomfeedback door een TG-tachogenerator en een DC-transformator (magnetische versterker) TPT

Het is gemakkelijker om het hele I-kwadrant te vullen door een condensator met weerstand R1 in serie te schakelen (fig. 3). In dit geval kan de equivalente weerstand in de gelijkgerichte rotorstroom variëren van nul tot oneindig en kan de rotorstroom dus worden geregeld van de maximale waarde tot nul.

Het bereik van motorsnelheidsregeling in een dergelijk schema strekt zich uit tot de ordinaatas, maar de capaciteitswaarde van de condensator blijkt zeer significant te zijn.

Om het hele I-kwadrant bij lagere capaciteitswaarden te vullen, wordt de weerstand van de weerstand R1 in afzonderlijke stappen verdeeld. In de eerste fase wordt achtereenvolgens capaciteit geïntroduceerd, die bij lage stromen wordt ingeschakeld. De stappen worden verwijderd door een pulsmethode, gevolgd door een kortsluiting van elk van hen via thyristors of contactors. Het vullen van het gehele I-kwadrant kan ook worden verkregen door pulserende weerstandsveranderingen te combineren met pulserende werking van de motor. Een dergelijk schema wordt getoond in Fig. 5.

In het gebied tussen de snelheidsas en de karakteristiek van de weerstand (fig. 4) werkt de motor in de pulsmodus.Tegelijkertijd worden er geen stuurpulsen aan de thyristor T3 geleverd en blijft deze de hele tijd gesloten. Het circuit dat de pulsmodus van de motor realiseert, bestaat uit een werkende thyristor T1, een hulpthyristor T2, een schakelcondensator C en weerstanden R1 en R2. Als thyristor T1 open is, vloeit er stroom door weerstand R1. Condensator C wordt opgeladen tot een spanning die gelijk is aan de spanningsval over R1.

Wanneer een stuurpuls wordt aangelegd aan thyristor T2, wordt de condensatorspanning in de tegenovergestelde richting aangelegd aan thyristor T1 en sluit deze. Tegelijkertijd wordt de condensator opgeladen. De aanwezigheid van motorinductantie leidt ertoe dat het proces van het opladen van de condensator van oscillerende aard is, waardoor de thyristor T2 vanzelf sluit zonder stuursignalen te geven en het rotorcircuit open blijkt te zijn. Vervolgens wordt een stuurpuls aan de thyristor T1 gegeven en worden alle processen opnieuw herhaald.

Rijst. 5. Regeling van impulsgecombineerde regeling van een asynchrone motor

Dus, met de periodieke toevoer van stuursignalen naar de thyristors, gedurende een bepaald deel van de periode, vloeit er een stroom in de rotor, bepaald door de weerstand van de weerstand R1. In het andere deel van de periode blijkt het rotorcircuit open te zijn, is het door de motor ontwikkelde koppel nul en ligt het werkpunt op de snelheidsas. Door de relatieve duur van de thyristor T1 gedurende de periode te wijzigen, is het mogelijk om de gemiddelde waarde van het door de motor ontwikkelde koppel te verkrijgen van nul tot de maximale waarde die overeenkomt met de werking van de weerstandskarakteristiek wanneer de rotor R1 in de circuit

Door gebruik te maken van verschillende terugkoppelingen is het mogelijk karakteristieken van het gewenste type te verkrijgen in het gebied tussen de snelheidsas en de weerstandskarakteristiek. De overgang naar het gebied tussen de reostaat en de natuurlijke karakteristieken vereist dat thyristor T2 te allen tijde gesloten blijft en thyristor T1 te allen tijde open blijft. Door de weerstand R1 kort te sluiten met behulp van een schakelaar met de hoofdthyristor T3, is het mogelijk om de weerstand in het rotorcircuit soepel te veranderen van de waarde R1 naar 0, waardoor een natuurlijke karakteristiek van de motor wordt verkregen.

De impulsmodus van de gecommuteerde motor in het rotorcircuit kan ook in de dynamische remmodus worden uitgevoerd. Door verschillende terugkoppelingen te gebruiken, in dit geval in kwadrant II, kunnen de gewenste mechanische eigenschappen worden verkregen. Met behulp van het logische besturingsschema is het mogelijk om een ​​automatische overgang van de motor van de ene modus naar de andere uit te voeren en alle kwadranten van de mechanische kenmerken te vullen.