книги / Тиристорный электропривод для кранов
..pdfР. П. ГЕРАСИМЯК
ТИРИСТОРНЫЙ
ЭЛЕКТРОПРИВОД ДЛЯ КРАНОВ
МОСКВА «ЭНЕРГИЯ» 1978
31.291 Г 37
УДК 62—83:621.382.2.
Герасимяк Р. П.
Г 37 Тиристорный электропривод для кранов. — М.: Энергия, 1978. — 112 с., ил.
В книге излагаются особенности построения схем тиристорного электропривода для кранов, анализируются возможности получения требуемых статических и динамических характеристик, проводится сравнение различных систем тиристорного электропривода, даются ре комендации по их применению для основных механизмов кранов.
Книга предназначается для инженерно-технических работников, занимающихся проектированием, эксплуатацией и модернизацией кра новых электроприводов. Она может быть полезна также студентам вузов и техникумов, специализирующимся в области электропривода или подъемно-транспортного оборудования.
30307-111 |
|
31.291 |
051(01)-78 |
272’77 |
6П2.1.081 |
(§) Издательство «Энергия», 1978 г.
ПРЕДИСЛОВИЕ
В настоящее время тиристорные электроприводы применяются во многих производственных механизмах. Однако большое разнообразие тиристорных электропри водов, их различие по техническим характеристикам, сложности, надежности, экономическим показателям требуют технико-экономического обоснования их при менения для кранов. В предлагаемой книге вниманию читателей на основании работ, проводимых на пред приятиях электротехнической промышленности, в специа лизированных научных организациях, а также в вузах, и трудов ряда передовых зарубежных фирм показаны особенности тех систем тиристорного электропри вода, которые могут быть применены для кранов, сде лана их критическая оценка и по возможности — сравни тельный анализ. Ввиду сохранившейся тенденции при менения на кранах приводов переменного тока здесь большее внимание уделено асинхронному тиристорному электроприводу.
Необходимо подчеркнуть, что вследствие ограничен ного объема книги в ней почти не нашли отражения теоретические вопросы тиристорного электропривода. Значительная часть материала книги базируется на раз работках Одесского политехнического института, в ко торых принимали участие научные сотрудники и вы пускники кафедры «Электропривод и автоматизация промышленных установок». Автор приносит им свою благодарность.
Автор признателен редактору канд. техн. наук В. Н. Грасевичу, взявшему на себя труд по редактиро
ванию книги.
Все замечания и пожелания по содержанию книги просим направлять в адрес издательства «Энергия»:
113114, Москва, М-114, Шлюзовая наб., 10.
Автор
з
ВВЕДЕНИЕ
На строительных площадках и складах, в цехах за водов, портах, на судах работают краны, осуществляю щие перегрузочные, монтажные, всевозможные вспомо гательные и технологические операции. Широкое применение кранов в народном хозяйстве, различные условия их эксплуатации определяют многообразие кон струкций и основных параметров. Так, если у талей гру зоподъемностью 0,3—0,5 т (подъемная сила 3—5 кН) используются двигатели мощностью несколько десятков ватт, то на монтажных козловых кранах грузоподъем ностью до 800 т и плавучих до 1000 т требуемая сум марная мощность двигателей 600—1000 кВт. В то время как основная скорость механизмов подъема тяжелых мостовых кранов составляет 0,4—0,6 м/мин, соответст вующие скорости подъема башенных кранов, предназна ченных для высотного строительства, доходят до 100 м/мин, а мостовых перегружателей — до 120 м/мин. Так же сильно различаются частоты вращения стрело вых кранов (0,3—2 об/мин), высоты подъема грузов
(5—110 м) и т. д.
В связи с интенсификацией производства в послед ние годы заметно вырос объем транспортных и подъем но-транспортных операций; последнее привело к тому, что этими работами занято 20% всех работников про мышленности и транспорта [Л. 34]. В дальнейшем предполагается значительно увеличить производство кранов. Все это приводит к необходимости повышения производительности подъемно-транспортных операций и автоматизации управления кранами. Можно предста вить, какую роль призван сыграть рост производитель ности портовых и судовых кранов, если учесть, что 20— 40% общего периода эксплуатации судна находятся под погрузкой-разгрузкой [Л. 42].
Работа крановых механизмов определяется назначе нием крана и условиями производственного процесса.
Для улучшения эксплуатационных показателей кранов (точности работы, производительности), а также повы шения надежности оборудования, упрощения управле ния следует совершенствовать их электропривод. Рост грузоподъемности кранов, увеличение их рабочих скоро стей, стремление повысить среднюю загрузку кранов созданием, например, системы контейнерных перевозок и специальных контейнерных кранов (при этом произ водительность перегрузочных операций может достигать 1000 т/ч), а также необходимость автоматизации управ ления обусловливают в ряде случаев жесткие требо вания к электроприводу основных крановых меха низмов.
К основным относятся такие механизмы, которые, не посредственно участвуя в подъемно-транспортных опе рациях, определяют их темп и качество (механизмы подъема, передвижения мостов, тележек и т. п.).
Механизмы подъема. К механизмам подъема предъ являются следующие требования [Л. 6]:
1. Работа двигателя при спуске осуществляется в двигательном либо тормозном режимах в зависимости от веса груза; переход от одного режима к другому должен осуществляться автоматически при любых тре буемых скоростях.
2. Согласно правилам устройства кранов у всех вновь изготовляемых грузоподъемных машин, предна значенных для выполнения монтажных и других работ, требующих точности и осторожности при посадке гру зов, должны быть предусмотрены соответствующие ма лые скорости механизмов подъема и перемещения. Диа пазон регулирования скорости должен быть таким, что бы обеспечить мягкую посадку перемещаемого груза либо точную установку деталей; он может составлять от (3^5) 1 до 50 : 1.
3. Число устойчивых рабочих скоростей определяется назначением крана и диапазоном регулирования. По мимо основной могут потребоваться еще одна — три устойчивые скорости.
4. Для некоторых кранов с большой высотой подъе ма и относительно длительными операциями с легкими грузами либо без груза привод должен обеспечивать повышенную скорость подъема и спуска пустого крюка; это превышение может составлять 1,5—3 по отношению к номинальной скорости, причем желательно, чтобы,
начиная с определенного веса груза, скорость росла по гиперболическому закону.
5.Привод должен обеспечивать плавный выбор сла бины каната, не допуская подъема груза «с подхватом».
6.Во избежание чрезмерных нагрузок в звеньях кинематики при переходе на пониженные скорости
подъема или спуска либо остановке желательно осу ществлять электрическое торможение механизма с ре гулируемым тормозным моментом.
Механизмы передвижения (поворота). К механизмам передвижения (поворота) предъявляются следующие требования [Л. 6]:
1.Некоторые краны, осуществляющие монтажные операции, должны иметь одну устойчивую пониженную скорость, составляющую 10—25% номинальной.
2.Электропривод кранов, работающих на открытом воздухе, должен иметь возможность автоматически переходить в тормозной режим без значительного уве личения скорости.
3.Для повышения производительности следует стре миться к снижению времени переходных процессов, т.,е. электропривод должен обеспечивать по возможности максимально допустимое и постоянное на основном
участке пуска ускорение.
4. Ускорение механизмов передвижения не должно превышать допустимого по условиям буксования колес
орельсы.
5.Для снижения ударов в передачах и ограничения амплитуды раскачивания груза после включения при вода и вначале остановки ускорение и рывок должны изменяться по определенному закону.
Если электропривод не удовлетворяет предъявляе мым к нему требованиям, то значительно снижаются экс плуатационные показатели кранов. Так, если не обеспе чиваются требуемые пониженные скорости, то несмотря на высокую номинальную скорость фактическая произ водительность низка: из-за необходимости многократ ного включения двигателя при посадке груза средняя скорость оказывается меньше паспортной, причем число включений привода заметно возрастает, что значительно повышает загрузку двигателя и тормозов, приводит к большей утомляемости оператора [Л. 26]. Далее, не смотря на высокую номинальную скорость и интенсив ные переходные процессы механизмов передвижения и
поворота, чрезмерное ускорение либо недостаточно плавное его нарастание не позволяет увеличить произ водительность из-за необходимости успокоения раска чавшегося груза; это приводит и к усложнению управ ления кранами.
Одним из важнейших показателей является надеж ность электропривода и всего электрооборудования. Выход из строя элементов электрооборудования по тех ническим причинам и вследствие низкого уровня обслу живания приводит к простоям, снижению производи тельности, нарушению технологического цикла, допол нительным затратам на эксплуатацию. Согласно [Л. 40] около 75% всех отказов портальных кранов приходится на электрооборудование; простой кранов по этой же причине составляет приблизительно половину всех про стоев.
В 1973 г. около 80% эксплуатируемых крановых электроприводов составляли электроприводы с асин хронными двигателями, регулированием сопротивления в цепи ротора, использованием режима однофазного включения [)Л. 34]. Остальные 20% — это приводы с пи танием двигателя последовательного возбуждения от
сети, |
системы генератор — двигатель (Г—Д), |
а из си |
стем |
переменного тока — электроприводы с |
многоско |
ростными асинхронными короткозамкнутыми двигателя ми, двухдвигательные асинхронные приводы, приводы с регулируемым гидротолкателем, вихревым тормозным генератором или динамическим торможением асинхрон ного двигателя. Отметим, что лишь система Г—Д спо собна удовлетворить возросшие требования к крановым механизмам. Однако дополнительные вращающиеся ма шины, требующие много места и тщательного ухода, высокие эксплуатационные затраты, не позволяют ши роко применять эту систему на кранах.
Перечисленные системы переменного тока удовле творяют требованиям таких крановых механизмов лег кого и среднего режимов работы с низкими рабочими
скоростями, от которых не требуется высокая |
произ |
|
водительность, а регулирование скорости (если |
оно |
не |
обходимо) — лишь в ограниченном диапазоне |
(3 |
1— |
6 :1 ). Поэтому они, являясь достаточно простыми, могут и в дальнейшем применяться для таких механизмов.
Однако для кранов, которые работают в напряжен ном режиме и требуют обеспечения интенсивных и
в то же время плавных переходных процессов либо глубокого регулирования скорости, назрела необходи мость создания и внедрения более совершенных элек троприводов, которые, удовлетворяя этим требованиям, должны быть одновременно легко управляемыми, по возможности недорогими, небольших габаритов, с низ кими эксплуатационными затратами и, главное, доста точно надежными.
В этом отношении наиболее перспективными яв ляются электроприводы с применением тиристоров. Бур ное развитие полупроводниковой техники в последние 10—15 лет привело к созданию и широкому распростра нению в промышленности силовых управляемых венти лей, что открыло новые пути совершенствования элек троприводов. Основными факторами, обусловившими быстрое развитие тиристорного электропривода, являют ся следующие: высокий к. п. д. тиристорного преобразо вателя (0,95—0,97), относительно малые габариты и масса тиристоров, постоянная готовность их к работе, практическая безынерционность тиристоров, незначи тельная мощность устройств управления ими, длитель ный срок службы тиристоров, большой интервал допу стимых для тиристоров рабочих температур, легкость их резервирования.
Включение тиристоров в цепь статора или ротора асинхронного двигателя, питание от тиристорного пре образователя якоря и обмотки возбуждения двигателя постоянного тока обеспечивают при наличии соответст вующих систем управления и обратных связей практи чески все требуемые регулировочные характеристики и динамические режимы. Заметим, что лишь с появле нием тиристоров оказался технически реализуемым им пульсный и получает широкое распространение частот ный способы регулирования.
Нельзя не отметить, что тиристорные электроприводы обладают и рядом недостатков: относительно высока пока стоимость тиристоров, особенно больших мощно стей; они плохо переносят перенапряжения и перегрузку по току; схемы управления тиристорными преобразова телями часто состоят из большого числа элементов, причем выход из строя хотя бы одного из них может привести к нарушению работы всего привода; малые уровни управляющих сигналов, являясь, с одной сторо ны, безусловным достоинством тиристоров, требуют
защиты от случайных помех, которые Могут вызывать сбои в работе электропривода; вентильные преобразо ватели искажают напряжение сети, загружая ее выс шими гармониками; необходимость более высокого уровня обслуживания преобразователей, насыщенных полупроводниковыми элементами; имеются также пси хологические трудности в освоении новой техники экс плуатационным персоналом. Многие из этих недостат ков являются временными. Так, улучшение технологии изготовления тиристоров позволяет систематически сни жать их стоимость. Совершенствование систем управле ния, их конструктивного исполнения, а также удобство резервирования приводят к повышению надежности пре образователей и т. п.
Благодаря высоким технико-экономическим показа телям тиристоров созданы и выпускаются тиристорные электроприводы постоянного и в меньшей степени — переменного тока для металлургической, станкострои тельной и других отраслей промышленности. В настоя щее время в СССР и за рубежом наметилась тенденция использования различных систем тиристорного электро привода для кранов. В нашей стране с 1974—1975 гг. выпускаются серийно тиристорные крановые электро приводы.
Глава первая
АСИНХРОННЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД С ТИРИСТОРНЫМ РЕГУЛЯТОРОМ НАПРЯЖЕНИЯ
1-1. ТИРИСТОРНЫЙ РЕГУЛЯТОР НАПРЯЖЕНИЯ В КРАНОВОМ ЭЛЕКТРОПРИВОДЕ
Включение тиристоров в цепь статора асинхронного двигателя (АД) позволяет осуществлять его бесконтакт ную коммутацию и главное — регулировать подводимое к статору напряжение. На рис. 1-1 приведена простей шая схема с двумя встречно-параллельными тиристо рами в каждой фазе. Управление напряжением двига теля производится симметричным изменением угла открывания тиристоров а. Сигналы с устройства управ ления УУ (блока фазового управления) должны следо вать с частотой питающего напряжения и быть синхро низированы с напряжением на аноде соответствующего вентиля.
Известно, что при а^<р (ср — это фазовый угол на грузки, определяемый в данном случае параметрами двигателя, сопротивлением цепи ротора и скольжением) через фазы протекает непрерывный синусоидальный ток, а к двигателю прикладывается полное напряжение сети. При увеличении а искажается форма кривой напряже ния, -приложенного к статору, снижается его среднее значение, что позволяет получить гамму регулировоч ных механических характеристик.
Для управления тиристорами служит устройство управления УУ, которое формирует импульсы с крутым фронтом и шириной около 60° и перемещает их в диа пазоне от ф до 150° по отношению к синусоиде питаю щего напряжения соответствующей фазы.
Чтобы получить жесткие механические характеристи ки, необходимо с изменением нагрузки на валу двига теля автоматически изменять подводимое напряжение. Для этого служит отрицательная обратная связь по
10