Automatisierter elektrischer Antrieb von Kranmechanismen mit Thyristorsteuerung

Moderne Systeme elektrischer Antriebe von Kranmechanismen werden hauptsächlich mit Asynchronmotoren realisiert, deren Drehzahl nach dem Relais-Schütz-Verfahren durch Einbringen von Widerständen in den Rotorkreis gesteuert wird. Solche Elektroantriebe haben einen kleinen Geschwindigkeitsregelbereich und erzeugen beim Starten und Stoppen große Stöße und Beschleunigungen, was sich negativ auf die Leistung der Krankonstruktion auswirkt, zum Schwingen der Last führt und den Einsatz solcher Systeme bei Kränen mit größerer Höhe und Hubhöhe einschränkt Kapazität.

Die Entwicklung der Leistungshalbleitertechnologie ermöglicht die Einführung grundlegend neuer Lösungen im Aufbau des automatisierten elektrischen Antriebs von Krananlagen. Derzeit wird an den Hebe- und Bewegungsmechanismen von Turmdrehkranen und Brückenkränen ein regelbarer Elektroantrieb mit Gleichstrommotoren eingesetzt, die von leistungsstarken Thyristorwandlern angetrieben werden – TP-System – D.

Die Motordrehzahl wird in solchen Systemen im Bereich (20 ÷ 30): I durch Änderung der Ankerspannung geregelt. Gleichzeitig stellt das System bei transienten Vorgängen sicher, dass Beschleunigungen und Tritte innerhalb der vorgegebenen Normen erzielt werden.

Gute Regeleigenschaften zeigen sich auch bei einem asynchronen Elektroantrieb, wenn ein Thyristor-Umrichter an den Statorkreis eines Asynchronmotors (AM) angeschlossen wird. Die Änderung der Motorstatorspannung in einem geschlossenen ACS ermöglicht die Begrenzung des Anlaufdrehmoments, wodurch eine sanfte Beschleunigung (Verzögerung) des Antriebs und der erforderliche Drehzahlregelbereich erreicht werden.

Der Einsatz von Thyristorstromrichtern beim automatisierten elektrischen Antrieb von Kranmechanismen findet in der in- und ausländischen Praxis zunehmend Anwendung. Um uns mit dem Funktionsprinzip und den Möglichkeiten solcher Anlagen vertraut zu machen, gehen wir kurz auf zwei Varianten von Steuerungsschemata für Gleich- und Wechselstrommotoren ein.

In Abb. 1 zeigt ein schematisches Diagramm der Thyristorsteuerung eines unabhängig erregten Gleichstrommotors für einen Brückenkran-Hebemechanismus. Der Anker des Motors wird von einem reversiblen Thyristorwandler gespeist, der aus einem Leistungstransformator Tr besteht, der zur Anpassung der Spannung des Wandlers und der Last dient, sowie zwei Gruppen von Thyristoren T1 – T6 und T7 – ​​​​​​Die Glättungsreaktoren 1UR und 2UR sind ungesättigte Glättungsreaktoren .

Reis. 1. Schema des elektrischen Antriebs des Krans nach dem TP-D-System.

Die Thyristorgruppe T1 – T6 fungiert beim Heben als Gleichrichter und beim Senken schwerer Lasten als Wechselrichter, da die Stromrichtung im Ankerkreis des Motors für diese Betriebsarten gleich ist. Die zweite Gruppe von Thyristoren T7–T12 sorgt für die entgegengesetzte Richtung des Ankerstroms und fungiert als Gleichrichter beim Herunterfahren und in Übergangsmodi beim Starten des Motors zum Absenken der Bremsen sowie als Wechselrichter beim Anhalten während des Anhebens Lasten oder Haken.

Im Gegensatz zu Mechanismen zum Bewegen von Kränen, bei denen die Thyristorgruppen gleich sein müssen, kann bei Hebemechanismen die Leistung der Thyristoren der zweiten Gruppe geringer sein als die der ersten, da der Motorstrom beim Herunterfahren sehr viel geringer ist als beim Heben und Senken schwerer Lasten Ladungen.

Die Regelung der gleichgerichteten Spannung des Thyristorwandlers (TC) erfolgt über ein Halbleiter-Puls-Phasen-Steuerungssystem bestehend aus zwei Blöcken SIFU-1 und SIFU-2 (Abb. 1), von denen jeder zwei Zündimpulse an die entsprechenden Blöcke liefert Thyristor um 60° versetzt.

Um das Steuerungssystem zu vereinfachen und die Zuverlässigkeit des Elektroantriebs zu erhöhen, verwendet dieses Schema die koordinierte Steuerung des reversiblen TP. Hierzu müssen die Führungsmerkmale und Führungssysteme der beiden Gruppen eng miteinander verknüpft sein. Wenn die Entriegelungsimpulse den Thyristoren T1 – T6 zugeführt werden, um den Korrekturbetrieb dieser Gruppe sicherzustellen, werden die Entriegelungsimpulse den Thyristoren T7 – T12 zugeführt, damit diese Gruppe für den Betrieb durch den Wechselrichter vorbereitet wird.

Die Steuerwinkel α1 und α2 für alle Betriebsarten des TP müssen so geändert werden, dass die mittlere Spannung der Gleichrichtergruppe die Spannung der Wechselrichtergruppe nicht überschreitet, d. h. Ist diese Bedingung nicht erfüllt, fließt der gleichgerichtete Ausgleichsstrom zwischen den beiden Thyristorgruppen, was die Ventile und den Transformator zusätzlich belastet und auch zum Auslösen des Schutzes führen kann.

Allerdings ist auch bei korrekter Abstimmung der Steuerwinkel α1 und α2 der Thyristoren der Gleichrichter- und Wechselrichtergruppen aufgrund der Ungleichheit der Momentanwerte der Spannungen UαB der Fluss eines wechselnden Ausgleichsstroms möglich und UαI. Um diesen Ausgleichsstrom zu begrenzen, werden Ausgleichsdrosseln 1UR und 2UR eingesetzt.

Der Ankerstrom des Motors fließt immer durch eine der Drosseln, wodurch die Welligkeit dieses Stroms verringert wird und die Drossel selbst teilweise gesättigt ist. Die zweite Drossel, durch die derzeit nur der Ausgleichsstrom fließt, bleibt ungesättigt und begrenzt iyp.

Der elektrische Thyristor-Kranantrieb verfügt über ein Einschleifen-Steuerungssystem (CS), das aus einem umkehrbaren Hochgeschwindigkeits-Summiermagnetverstärker SMUR besteht, der von einem rechteckigen Spannungsgenerator mit einer Frequenz von 1000 Hz gespeist wird. Bei einem Stromausfall ermöglicht ein solches Steuersystem die Erzielung zufriedenstellender statischer Eigenschaften und eine hohe Qualität der Übergangsprozesse.

Das Steuersystem des Elektroantriebs enthält eine negative Rückkopplung für die intermittierende Motorspannung und den intermittierenden Motorstrom sowie eine schwache positive Rückkopplung für die Spannung Ud.Das Signal im Schaltkreis der SMUR-Antriebsspulen wird durch die Differenz zwischen der Referenzspannung Uc vom Widerstand R4 und der Rückkopplungsspannung αUd vom POS-Potentiometer bestimmt. Der Wert und die Polarität des Führungssignals, das die Geschwindigkeit und Drehrichtung des Antriebs bestimmt, werden vom KK-Regler geregelt.

Die Sperrspannung Ud wird durch parallel zu den SMUR-Hauptwicklungen geschaltete Silizium-Zenerdioden abgeschaltet. Ist die Spannungsdifferenz Ud — aUd größer als Ust.n, dann leiten die Zenerdioden Strom und die Spannung der Steuerspulen wird gleich Uz.max = Ust.n.

Ab diesem Zeitpunkt hat die Änderung des Signals aUd zur Abnahme keinen Einfluss mehr auf den Strom in den Hauptwicklungen des SMUR, d. h. Die Gegenkopplung für die Spannung Ud funktioniert nicht, was normalerweise bei Motorströmen Id> (1,5 ÷ 1,8) Id .n der Fall ist.

Nähert sich das Rückkopplungssignal aUd dem Referenzsignal Uz, so wird die Spannung an den Zenerdioden kleiner als Ust.n und der Strom fließt nicht durch sie. Der Strom in den Hauptwicklungen des SMUR wird durch die Spannungsdifferenz U3 — aUd bestimmt und in diesem Fall kommt die negative Spannungsrückkopplung ins Spiel.

Das negative Stromrückkopplungssignal wird von zwei Gruppen von Stromwandlern TT1 – TT3 und TT4 – TT8 übernommen, die jeweils mit den Thyristorgruppen T1 – T6 und T7 – T12 arbeiten. Im BTO-Stromunterbrecher wird die an den Widerständen R erhaltene dreiphasige Wechselspannung U2TT ≡ Id gleichgerichtet und über die Zenerdioden, die als Referenzspannung dienen, wird das Signal Uto.s den Stromwicklungen des SMUR zugeführt , wodurch das resultierende Ergebnis am Eingang des Verstärkers verringert wird.Dadurch wird die Umrichterspannung Ud reduziert und der Ankerkreisstrom Id im statischen und dynamischen Betrieb begrenzt.

Um einen hohen Füllfaktor der mechanischen Eigenschaften ω = f (M) des elektrischen Antriebs zu erreichen und eine konstante Beschleunigung (Verzögerung) in transienten Modi aufrechtzuerhalten, wird zusätzlich zu den oben aufgeführten Verbindungen eine positive Rückkopplung angewendet Stromkreis durch Spannung.

Der Verstärkungsfaktor dieser Verbindung wird zu kpn = 1 / kpr ≈ ΔUy / ΔUd gewählt. entsprechend dem Anfangsabschnitt der Kennlinie Ud = f (Uy) des Wandlers, jedoch mit einer Ordnung kleiner als der Koeffizient α der Gegenkopplung auf Ud. Die Auswirkung dieser Beziehung zeigt sich hauptsächlich in der aktuellen Diskontinuitätszone, die steil abfallende Abschnitte des Merkmals darstellt.

In Abb. In Abb. 2, a zeigt die statischen Eigenschaften des Hubantriebs für unterschiedliche Werte der Referenzspannung U3 entsprechend unterschiedlichen Stellungen des Reglers.

In erster Näherung kann davon ausgegangen werden, dass sich in den Übergangsmodi Start, Rückwärts und Stopp der Arbeitspunkt in den Koordinatenachsen ω = f (M) entlang der statischen Kennlinie bewegt. Dann ist die Beschleunigung des Systems:

Dabei ist ω die Winkelgeschwindigkeit, Ma das vom Motor entwickelte Moment, Mc das Widerstandsmoment der bewegten Last, ΔMc das Verlustmoment in den Zahnrädern und J das auf die Motorwelle reduzierte Trägheitsmoment.

Wenn wir die Übertragungsverluste außer Acht lassen, ist die Bedingung für die Gleichheit der Beschleunigungen beim Hoch- und Herunterfahren des Motors sowie beim Anhalten aus dem Hoch- und Runterfahren die Gleichheit der dynamischen Momente des Elektroantriebs, also Mdin.p = Mdin.s.Um diese Bedingung zu erfüllen, müssen die statischen Kennlinien des Hubantriebs asymmetrisch zur Geschwindigkeitsachse sein (Mstop.p > Mstop.s) und im Bereich des Bremsmomentwertes eine steile Front aufweisen (Abb. 2, a) .

Reis. 2. Mechanische Eigenschaften des Elektroantriebs nach dem TP-D-System: a – Hebemechanismus, b – Bewegungsmechanismus.

Bei den Antrieben von Kranfahrwerken ist die reaktive Natur des fahrtrichtungsunabhängigen Widerstandsmoments zu berücksichtigen. Bei gleichem Motordrehmoment verlangsamt das Blindwiderstandsdrehmoment den Startvorgang und beschleunigt den Stoppvorgang des Antriebs.

Um dieses Phänomen zu beseitigen, das zu einem Durchrutschen der Antriebsräder und einem schnellen Verschleiß der mechanischen Getriebe führen kann, ist es notwendig, in den Antriebsmechanismen beim Anfahren, Rückwärtsfahren und Anhalten annähernd konstante Beschleunigungen aufrechtzuerhalten. Dies wird erreicht, indem die in Abb. gezeigten statischen Kennlinien ω = f (M) erhalten werden. 2, geb.

Die angegebenen Arten mechanischer Eigenschaften des Elektroantriebs können durch entsprechende Variation der Koeffizienten der negativen Stromrückkopplung Id und der positiven Spannungsrückkopplung Ud erhalten werden.

Das vollständige Steuerungsschema des thyristorgesteuerten Elektroantriebs des Brückenkrans umfasst alle Verriegelungsverbindungen und Schutzschaltungen, die in den zuvor angegebenen Diagrammen erläutert werden.

Beim Einsatz von TP im elektrischen Antrieb von Kranmechanismen ist auf deren Stromversorgung zu achten.Der erhebliche nicht-sinusförmige Charakter des von den Wandlern verbrauchten Stroms führt zu einer Verzerrung der Spannungswellenform am Eingang des Wandlers. Diese Verzerrungen beeinträchtigen den Betrieb des Leistungsteils des Umrichters und des Pulsphasensteuerungssystems (SPPC). Eine Verzerrung der Wellenform der Netzspannung führt zu einer erheblichen Unterauslastung des Motors.

Die Verzerrung der Versorgungsspannung wirkt sich stark auf SPPD aus, insbesondere wenn keine Eingangsfilter vorhanden sind. In einigen Fällen können diese Verzerrungen dazu führen, dass die Thyristoren zufällig vollständig öffnen. Dieses Phänomen kann am besten beseitigt werden, indem die SPPHU über separate Wagen gespeist wird, die an einen Transformator ohne Gleichrichterlast angeschlossen sind.

Die Einsatzmöglichkeiten von Thyristoren zur Drehzahlregelung von Asynchronmotoren sind sehr vielfältig: Thyristor-Frequenzumrichter (autonome Wechselrichter), im Statorkreis enthaltene Thyristor-Spannungsregler, Impulsregler für Widerstand und Ströme in Stromkreisen usw. .

Bei elektrischen Antrieben von Kränen werden hauptsächlich Thyristor-Spannungsregler und Impulsregler verwendet, was auf ihre relative Einfachheit und Zuverlässigkeit zurückzuführen ist. Die Verwendung jedes dieser Regler einzeln erfüllt jedoch die Anforderungen an elektrische Antriebe von Kranmechanismen nicht vollständig.

Wenn im Rotorkreis eines Induktionsmotors nur ein Impulswiderstandsregler verwendet wird, ist es tatsächlich möglich, eine durch natürliche Eigenschaften begrenzte Regelungszone bereitzustellen, die den mechanischen Eigenschaften des Impedanzwiderstands entspricht, d. h.Die Einstellzone entspricht dem Motormodus und dem Oppositionsmodus mit unvollständiger Füllung der Quadranten I und IV oder III und II der Ebene der mechanischen Eigenschaften.

Die Verwendung eines Thyristor-Spannungsreglers, insbesondere eines reversiblen, sorgt grundsätzlich für eine Geschwindigkeitsregelzone, die den gesamten Arbeitsteil der Ebene M abdeckt, ω von -ωn bis +ωn und von -Mk bis +Mk. Allerdings kommt es in diesem Fall zu erheblichen Schlupfverlusten im Motor selbst, was dazu führt, dass dessen installierte Leistung und damit auch seine Abmessungen deutlich überschätzt werden müssen.

In diesem Zusammenhang entstehen asynchrone elektrische Antriebssysteme für Kranmechanismen, bei denen die Steuerung des Motors durch eine Kombination aus gepulster Regelung des Widerstands im Rotor und Änderungen der dem Stator zugeführten Spannung erfolgt. Dies füllt die vier Quadranten der mechanischen Leistung aus.

Ein schematisches Diagramm einer solchen kombinierten Steuerung ist in Abb. dargestellt. 3. Der Rotorkreis enthält einen Widerstandsimpuls-Steuerkreis im gleichgerichteten Stromkreis. Die Parameter der Schaltung werden so ausgewählt, dass der Betrieb des Motors im I- und III-Quadranten in den Bereichen zwischen dem Rheostat und den natürlichen Eigenschaften gewährleistet ist (in Abb. 4 mit vertikalen Linien schattiert).

Reis. 3. Schema eines elektrischen Kranantriebs mit Thyristorregler der Statorspannung und Impulssteuerung des Rotorwiderstands.

Um die Geschwindigkeit in den Bereichen zwischen den Rheostat-Kennlinien und der in Abb. durch horizontale Linien schattierten Geschwindigkeitsachse zu steuern, 4 sowie zum Reversieren des Motors wird ein Thyristor-Spannungsregler verwendet, der aus Paaren antiparalleler Thyristoren 1–2, 4–5, 6–7, 8–9, 11–12 besteht.Die Änderung der dem Stator zugeführten Spannung erfolgt durch Einstellen des Öffnungswinkels der Thyristorpaare 1-2, 6-7, 11-12 für eine Drehrichtung und 4-5, 6-7, 8-9 für die andere Drehrichtung.

Reis. 4. Regeln für die kombinierte Steuerung eines Induktionsmotors.

Um starre mechanische Eigenschaften zu erhalten und Motordrehmomente zu begrenzen, bietet die Schaltung eine Drehzahl- und gleichgerichtete Rotorstromrückführung, die von einem TG-Tachogenerator und einem DC-Transformator (Magnetverstärker) TPT bereitgestellt wird

Es ist einfacher, den gesamten I-Quadranten zu füllen, indem man einen Kondensator mit dem Widerstand R1 in Reihe schaltet (Abb. 3). In diesem Fall kann der Ersatzwiderstand im gleichgerichteten Rotorstrom von Null bis Unendlich variieren und somit der Rotorstrom vom Maximalwert bis Null gesteuert werden.

Der Bereich der Motorgeschwindigkeitsregelung erstreckt sich in einem solchen Schema bis zur Ordinatenachse, der Kapazitätswert des Kondensators erweist sich jedoch als sehr bedeutsam.

Um den gesamten I-Quadranten bei niedrigeren Kapazitätswerten auszufüllen, wird der Widerstandswert des Widerstands R1 in einzelne Stufen unterteilt. In der ersten Stufe wird sukzessive eine Kapazität eingebracht, die bei geringen Strömen eingeschaltet wird. Die Schritte werden durch ein Impulsverfahren entfernt, gefolgt von einem Kurzschluss jeder von ihnen durch Thyristoren oder Schütze. Das Ausfüllen des gesamten I-Quadranten kann auch durch die Kombination gepulster Widerstandsänderungen mit gepulstem Betrieb des Motors erreicht werden. Ein solches Schema ist in Abb. dargestellt. 5.

Im Bereich zwischen der Drehzahlachse und der Kennlinie des Rheostaten (Abb. 4) arbeitet der Motor im Impulsbetrieb.Gleichzeitig werden dem Thyristor T3 keine Steuerimpulse zugeführt und er bleibt ständig geschlossen. Die Schaltung, die den Impulsbetrieb des Motors realisiert, besteht aus einem Arbeitsthyristor T1, einem Hilfsthyristor T2, einem Schaltkondensator C und den Widerständen R1 und R2. Wenn der Thyristor T1 geöffnet ist, fließt Strom durch den Widerstand R1. Der Kondensator C wird auf eine Spannung aufgeladen, die dem Spannungsabfall an R1 entspricht.

Bei Anlegen eines Steuerimpulses an Thyristor T2 wird die Kondensatorspannung in entgegengesetzter Richtung an Thyristor T1 angelegt und schließt diesen. Gleichzeitig wird der Kondensator aufgeladen. Das Vorhandensein einer Motorinduktivität führt dazu, dass der Vorgang des Aufladens des Kondensators oszillierender Natur ist, wodurch der Thyristor T2 von selbst schließt, ohne Steuersignale zu geben, und der Rotorkreis sich als offen erweist. Anschließend wird ein Steuerimpuls an den Thyristor T1 angelegt und alle Vorgänge wiederholen sich erneut.

Reis. 5. Schema der kombinierten Impulssteuerung eines Asynchronmotors

Somit fließt bei der periodischen Zufuhr von Steuersignalen an die Thyristoren für einen Teil der Periode ein Strom im Rotor, der durch den Widerstandswert des Widerstands R1 bestimmt wird. Im anderen Teil der Periode stellt sich heraus, dass der Rotorkreis offen ist, das vom Motor entwickelte Drehmoment Null ist und sein Arbeitspunkt auf der Drehzahlachse liegt. Durch Ändern der relativen Dauer des Thyristors T1 während der Periode ist es möglich, den Durchschnittswert des vom Motor entwickelten Drehmoments von Null bis zum Maximalwert zu erhalten, der dem Betrieb der Rheostatcharakteristik entspricht, wenn der Rotor R1 in den eingeführt wird Schaltkreis

Durch die Verwendung verschiedener Rückkopplungen ist es möglich, im Bereich zwischen der Drehzahlachse und der Rheostatkennlinie Kennlinien der gewünschten Art zu erhalten. Der Übergang in den Bereich zwischen dem Rheostat und den natürlichen Eigenschaften erfordert, dass Thyristor T2 immer geschlossen bleibt und Thyristor T1 immer geöffnet bleibt. Durch Kurzschließen des Widerstands R1 über einen Schalter mit dem Hauptthyristor T3 ist es möglich, den Widerstand im Rotorkreis stufenlos vom Wert R1 auf 0 zu ändern und so für eine natürliche Charakteristik des Motors zu sorgen.

Der Impulsbetrieb des kommutierten Motors im Rotorkreis kann auch im dynamischen Bremsbetrieb durchgeführt werden. Durch die Verwendung unterschiedlicher Rückmeldungen, in diesem Fall im II. Quadranten, können die gewünschten mechanischen Eigenschaften erzielt werden. Mit Hilfe des Logiksteuerungsschemas ist es möglich, einen automatischen Übergang des Motors von einem Modus in einen anderen durchzuführen und alle Quadranten der mechanischen Eigenschaften auszufüllen.