§ 4.3. Бесконтактные системы управления электроприводами гпм

Основные сведения

Развитие полупроводниковой техники позволило перейти от контактных схем управления судовыми электроприводами к бесконтактным.

В контактных схемах для переключения цепей используют медные контакты, а в .

в бесконтактных полупроводниковые приборы двух видов:

1. транзисторы;

2. тиристоры.

Транзисторы применяют для управления слаботочными цепями с токами до десят-

ков ампер, тиристоры – для управления мощными силовыми цепями электроприводов с токами в десятки, сотни и тысячи ампер.

В судовых электроприводах для переключения силовых электрических цепей при-

меняют комплектные устройства, серийно выпускаемые промышленностью – тиристор-

ные коммутаторы ( см. ниже ).

Достоинства тиристорных коммутаторов:

1. практически неограниченный срок службы, т.к. эти коммутаторы допускают до

1 миллиона включений ( по сравнению с 200…300 тысячами включений у электромагнит-

ных контакторов );

2. высокое быстродействие, т.к. тиристорные коммутаторы включаются практиче-

ски мгновенно, в то время как собственное время включения электромагнитных контакто-

ров составляет сотые и даже десятые доли секунды;

3. малая мощность управления, необходимая для включения коммутатора – до 3 Вт,

эта же мощность у электромагнитных контакторов доходит до 30 Вт;

3. простота обслуживания, т.к. при выходе из строя коммутатора он заменяется

новым.

Недостатки тиристорных коммутаторов:

1. меньшая перегрузочная способность ( по току ), при перегрузке тиристоры сго-

рают, в то время как контакты электромагнитных контакторов легко выдерживают значи-

тельные перегрузки;

2. ограниченное число коммутируемых цепей ( один тиристор – одна цепь ), у эле

ктромагнитных контакторов наибольшее число коммутируемых силовых цепей - 3;

3. гораздо большие габариты, масса и стоимость по сравнению с электромагнитны-

ми контакторами.

Тиристорные коммутаторы

Тиристорным коммутатором называется схема, состоящая из 2-х встречно-парал-

лельно включенных тиристоров и предназначенная для коммутации одного полюса цепи

( рис. 195 )..

Рис. 195. Схема тиристорного коммутатора переменного тока

К элементам схемы тиристорного коммутатора относятся:

VS1 и VS2 – два встречно-параллельно включённых тиристора;

VD1…VD4 – т.н. развязывающие диоды, предназначены для образования двух и

более цепей постоянного тока при питании этих цепей от одного источника постоянного тока;

R – токоограничивающий резистор в цепи тока управления тиристора, для получе-

ния необходимого значения тока управления ( десятки – сотни миллиампер ) при питании цепи управления напряжением в десятки и сотни вольт;

К – контакт реле, управляющий включением-выключением тиристоров ( катушка реле на схеме не показана ).

Для подготовки схемы к работе подают переменное напряжение на её выводы.

В исходном состоянии коммутатора контакт К1:1 реле разомкнут, поэтому тиристо

ры VS1 и VS2 заперты и ток не пропускают. Такое состояние тиристоров равнозначно раз

рыву цепи между точками «А» и «В».

Для включения коммутатора подают питание на катушку реле К1 ( катушка на схе

ме не показана ), при этом контакт К1:1 замыкается.

В условную положительную полуволну переменного напряжения сети полярность напряжения на выводах «А» и «В» такая: «плюс» на выводе «А», «минус» на выводе «В».

При такой полярности образуется цепь тока управления тиристора VS1:

«плюс» на выводе «А» - VD1 – K1:1 – R – VD4 – управляющий электрод VS1 – ка-

тод VS1 - «минус» на выводе «В».

Тиристор включается и становится диодом, пропуская через себя ток по цепи:

«плюс» на выводе «А» - анод VS1 – катод VS1 - «минус» на выводе «В».

Эта же полуволна напряжения удерживает тиристор VS2 закрытым, т.к. «плюс» на

выводе «А» приложен к катоду VS2, а «минус» на выводе «В» - к аноду VS2. т.е. анодное напряжение с такой полярностью является обратным для тиристора.

По этой же причине во вторую полуволну напряжения ( «плюс» в точке В, «минус» в точке А ) тиристор VS1 автоматически запирается, но возникает аналогичная цепь тока управления тиристора VS2:

«плюс» на выводе «В» - VD3 - R – K1:1 VD2 – управляющий электрод VS2 – катод

VS2 - «минус» на выводе «А».

Тиристор включается и становится диодом, пропуская через себя ток по цепи:

«плюс» на выводе «В» - анод VS2 – катод VS2 - «минус» на выводе «А».

Таким образом, напряжение сети автоматически поочерёдно переключает ( комму

тирует ) тиристоры, что равнозначно соединению накоротко выводов «А» и «В». Такую коммутацию тиристоров называют естественной.

Из сказанного следует, что тиристорный коммутатор подобен обычному медному

контакту:

1. если тиристоры VS1 и VS2 закрыты, то цепь между точками А и В разорвана,

что равнозначно разомкнутому медному контакту;

2. если же тиристоры открыты, то цепь между точками А и В соединена через ти-

ристоры накоротко, что равнозначно замкнутому медному контакту;

На базе тиристорных коммутаторов были созданы тиристорные контакторы пере-

менного тока.

Тиристорным контактором называется схема, состоящая из 2-х тиристорных комму

таторов ТК1 и ТК2 , конструктивно объединенных в одном блоке ( корпусе ).( рис. 13.34 ).

Для контроля исправности тиристоров тиристорный контактор может дополняться

блоком контроля исправности тиристоров.

Рис. 196. Схема тиристорного контактора и блока контроля

Работа тиристорного контактора ТК1 ( ТК2 ) объяснена выше, поэтому объясним

работу блока контроля исправности тиристоров

Блок контроля исправности тиристоров

Основная неисправность тиристоров – потеря проводимости тока, что равнозначно обрыву цепи через тиристор.

В цепях обмоток статоров асинхронных двигателей выход даже одного тиристорз

строя равнозначен однополупериодному обрыву фазы ( т.к. оставшийся целым будет про-

пускать «свою» полуволну переменного тока ). Выход из строя сразу двух тиристоров приведет к двухполупериодному, т.е. полному, обрыву линейного провода ( фазы ).

В любом из этих двух случаев вращающий момент двигателя уменьшается.

Если пониженный вращающий момент двигателя станет меньше статического мо-

мента механизма ( грузового крана, лебедки, якорно-швартовного устройства ) , двигатель опрокинется ( груз или якорь вместо подъёма станет опускаться ).

Для отключения электроприводов при обрыве фазы применяют специальные блоки

контроля исправности тиристоров.

Эти блоки контроля включают в те же линейные провод, в которые включены тири

сторные коммутаторы ( рис.13.34, нижняя часть )

Основные элементы блока контроля:

1. Т - понижающий трансформатор 380/27 В;

2. VD1…VD4 – полупроводниковые диоды, собранные в выпрямительный мо-

стик Гретца;

3. VD5 – стабилитрон с напряжение рабочего пробоя 18…20 В;

4. КR1 - реле контроля.

В исходном состоянии, когда замкнуты контакты реле управления К1:1 и К1:2,

тиристорные коммутаторы пропускают ток, поэтому напряжение на первичной обмотке трансформатора Т равно 380 В.

При этом напряжение на вторичной обмотке – 27 В, а напряжение на выходе мости

ка – 24 В постоянного тока ( для мостика Гретца выпрямленное напряжение U = 0,9U = = 0,9*27= 24,3 ≈ 24 В ).

Это напряжение ( 24 В ) больше напряжения пробоя стабилитрона VD5, стабили-

трон пробит ( это – рабочий пробой ) и пропускает через себя ток по цепи:

«плюс» на левом выводе мостика – VD5 – катушка KR1 - «минус» на правом выводе мостика.

Реле контроля KR1 включено, его контакт в схеме управления замкнут ( на данной схеме не показан ), схема работает нормально.

Рассмотрим работу схемы блока в двух случаях:

1. вышел из строя только один тиристор;

2. вышли из строя оба тиристора.

В первом случае, вышедший строя тиристор, например, VS1, перестаёт пропускать ток, т.е. как бы «срезает» одну полуволну напряжения. Вторая полуволна пропускается исправным тиристором VS2.

При этом напряжение на первичной обмотке трансформатора уменьшается в 2 раза, т.е. от 380 В до 190 В.

В результате напряжение на выходе мостика также уменьшается в 2 раза, от 24 В

до 12 В. Это напряжение меньше напряжения пробоя стабилитрона VD5, равного 18…20 В, поэтому стабилитрон запирается, отключая реле KR1.

Реле размыкает контакт KR1, в результате схема управления отключается. При этом асинхронный двигатель отключается от сети и затормаживается.

Во втором случае, если вышли из строя оба тиристора VS1 и VS2, напряжение на

катушке реле КR1 станет равным нулю, реле также отключится.

Отсюда становится понятным назначение стабилитрона VD – он нужен для того,

чтобы отключать реле КV при выходе из строя даже одного из тиристоров - VS1 или VS2.

Особенности построения схем на тиристорных коммутаторах

( переход от контактных схем к бесконтактным );

Таких особенностей две:

1. в силовой части схемы вместо металлических ( медных ) контактов контакторов

применяют тиристорные контакторы ( рис. 197 );

2. в схемах управления вместо мощных электромагнитных контакторов применяют

слаботочные электромагнитные реле.

.

Рис. 197. Эквивалентные схемы силовой части: на тиристорах ( левая ) и металлических контактах ( правая )

В остальном схемы управления контактных и бесконтактных электроприводов оди

наковы.

Бесконтактная система управления электроприводом грузовой лебедки

Схема управления состоит из силовой части ( левая половина схемы ) и собственно схемы управления ( правая половина ) ( рис. 198 )..

Блоки контроля исправности тиристоров для упрощения объяснения на схеме не показаны.

Рис. 198. Принципиальная схема управления электроприводом лебедки

Силовая часть схемы состоит из следующих элементов:

1. автоматического выключателя QF, предназначенного для отключения электро-

двигателя от питающей сети при коротком замыкании в любой из трех обмоток статора –

обмотки первой скорости 1С1, второй 2С1 или третьей 3С1;

2. шести тиристорных контакторов:

Е1 – контактор «Подъем»;

Е2 – контактор «Спуск»;

Е3 - контактор 1-й скорости;

Е4 - контактор 2-й скорости;

Е5 - контактор 3-й скорости;

Е6 – тормозной контактор;

3. трансформатора тока ТА, во вторичную обмотку которого включен амперметр

рА, встроенный в верхнюю часть тумбы командоконтроллера.

4. катушки электромагнитного тормоза YB;

5. нагревательных элементов КК1...КК6 тепловых реле.

6. асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором и тремя обмотками на ста-

торе - 1С1, 2С1, 3С1.

Схема управления состоит из следующих элементов:

1. понижающего трансформатора ТL напряжением 380 / 27 В, предназначенного

для питания катушек промежуточных реле KV1…KV7 и реле времени КТ1, КТ2;

2. командоконтроллера, имеющего 5 контактов SА2:1…SA2:5.

3. реле напряжения KV1;

4. реверсивного реле КV2 «Подъем»;

5. реверсивного реле КV3 «Спуск»;

6. реле 1-й скорости КV4;

7. реле 2-й скорости КV5;

8. реле 3-й скорости КV6;

9. тормозного реле КV7;

10. реле времени КТ1, для задержки перехода двигателя с 1-й скорости на 2-ю;

11. реле времени ( тормозное) КТ2, для перевода двигателя в режим рекуператив

ного торможения;

12. конечного выключателя SQ1, контролирующего длину троса при его намотке на барабан;

13 конечного выключателя SQ2, контролирующего длину троса при его смотке с

барабана;

14. выпрямительного мостика UZ, для питания постоянным током катушек реле

времени КТ1 и КТ2 .

Подготовка схемы к работе

Для подготовки схемы к работе включают:

1. автоматический выключатель QF силовой части схемы на групповом распредели

тельном щите лебёдок внутри стандерса;

2. аварийный выключатель SA1 на тумбе командоконтроллера лебедки.

Исходное состояние

В нулевом положении замкнут контакт SA2:1 командоконтроллера.

Через SA2:1 получает питание реле напряжения KV1, которое замыкает контакты

KV1:1 и KV1:2.

Контакт KV1:1 шунтирует SA2:1, а через KV1:2 подаётся питание на осталь­ную

часть схемы управления.

В результате через контакты KV5:3 и KV6:3 включается реле 1-й скорости KV4, а

через выпрямительный мостик UZ и контакты KV2:6 и KV3:6 включается реле времени КТ1.

Реле KV4 замыкает контакты KV4:1, KV4:2 в тиристорном коммутаторе 1-й скоро-

сти ЕЗ, а также KV4:3 в цепи катушки реле тормоза KV7.

Реле КТ1 мгновенно размыкает контакт КТ1:1 в цепи катушек реле 2-й и 3-й скоро

сти KV5 и KV6, тем самым препятствуя их включению без выдержки времени.

Таким образом, в нулевом положении включены реле KV1, KV4 и КТ1.

Схема управления симметрична, рассмотрим работу схемы в направлении «Подъ-

ём».

Первая скорость

При переводе рукоятки командоконтроллера в 1-е положение «Подъём» размыкает

ся контакт SA2:1 и замыкается SA2:2.

Несмотря на размыкание SA2:1, цепь катушки реле напряжения KV1 сохраняется

через собственный контакт KV:1 (самоблокировка).

Через SA2:2 включается реверсивное реле KV2 «Подъём». Оно замыкает контакты

KV2:1 и KV2:2 в тиристорном коммутаторе Е1 «Подъём» и KV2:5 в цепи катушки реле тормоза KV7.

Реле RV7 включается и замыкает контакты KV7:1, KV7:2 в тиристорном коммута-

торе Е6 тормоза YB.

Двигатель растормаживается и работает на 1 -и скорости.

Кроме того, замыкается контакт KV2:4, предварительно подготавливая цепь управ

ления рекуперативным торможением.

Одновременно реле KV2 размыкает контакт KV2:6 в цепи катушки реле времени

КТ1, отключая его. Контакт КТ1:1 замыкается с выдержкой времени 0,5 с, тем самым за-

держивая переход с 1-й: скорости на 2-ю на это время.

Таким образом, в 1-м положении рукоятки включены реле напряжения KV1, ревер-

сивное KV2 и тормозное KV7.

Вторая скорость

При переводе рукоятки ко\(андоконтроллера во 2-е положение замыкается контакт

SA2:4.

Через него и контакт КТ1:1 , замкнувшийся с выдержкой времени 0,5 с, включается

реле 2-й скорости KV5.

Последнее сначала размыкает контакты KV5:3, отключая реле 1-й скорости KV3, и

замыкает контакты KV5:1, KV5:2 в тиристорном коммутаторе 2-й скорости Е4. Двигатель переходит с 1-й скорости на 2-ю.

Одновременно замыкается контакт KV5:5, включая реле времени рекуперативного

торможения КТ2. Реле КТ2 мгновенно замыкает контакт КТ2:1, в результате параллельно контакту SA2:2 подключается цепь рекуперативного торможения, включающая последова

тельно соединенные контакты КТ2:1 иКУ2:4.

Таким образом, во 2-м положении включены реле: реверсивное KV2 «Подъем», 2-й

скорости KV5, тормозное KV7 и времени КТ2.

Третья скорость

При переводе рукоятки в 3-е положение замыкается контакт SA2:5.

Через него включается реле 3-й скорости KV6. Оно сначала размыкает контакт

KV6:4, отключая реле 2-й скорости KV5, а затем замыкает контакты KV6:1, KV6:2 в цепи тиристорного коммутатора Е5. Двигатель переходит на 3-ю скорость.

Кроме того, замыкается контакт KV6:6, оставляя включённым реле КТ2.

Таким образом, в 3-м положении включены реле: реверсивное KV2, 3-й скорости

KV6, тормозное KV7 и времени КТ2.

Автоматизация рекуперативного торможения

При резком переводе рукоятки командоконтроллера из 3-го или 2-го положения в

нулевое размыкаются контакты SA2:2, SA2:4 и SA2:5.

При этом отключаются реле 3-й (или второй) скорости KV6 ( или KV5 ), их контак

ты KV6:1, KV6:2 и KV5.1, KV5:2 размыкаются, отключая обмотки 3-й и 2-й скорости, а контакты KV5:3 и KV6:3 замыкаются, включая реле 1-й скорости KV4.

Двигатель переходит на 1 -ю скорость.

Одновременно размыкаются контакты KV5:5 и KV6:6, отключая реле КТ2. С этого

момента начинается выдержка времени реле КТ2.

Поэтому контакт этого реле в цепи катушки реверсивного реле KV2 «Подъём» оста

нется замкнутым ещё 0,25 с. В течение этого времени катушка KV2 продолжает получать питание через контакты КТ2:1 и KV2:4 , несмотря на размыкание контакта SA2:2.

Таким образом, остаются включёнными реле реверсивное KV2 и 1-й скорости KV4,

вследствие чего двигатель переходит в режим рекуперативного торможения, создавая на

своем валу тормозной электромагнитный момент.

Через 0,25 с контакт КТ2 размыкается, при этом реле KV2 отключается, размыкая

свои контакты KV2:1 и KV2:2 в тиристорном контакторе Е1 и тем самым отключая двига-

тель от питающей сети.

Одновременно снимается питание с катушки электромагнитного тормоза YB.

Двигатель отключается от сети и затормаживается.

Как следует из пояснения, электрическое и механическое торможение происходило

последовательно - сначала электрическое, потом – механическое. Такое двухступенчатое торможение позволяет избежать резкой остановки электродвигателя, но увеличивает вре-

мя его остановки.

Защиты

Защита от токов короткого замыкания

Для защиты от токов короткого замыкания служат:

1. автематический выключатель QF - от короткого замыкания в любой из 3-х обмо

ток статора 1С1, 2С1 или 3С1;

2. предохранители FU1... FU2 - от короткого замыкания во вторичной обмотке тран

сформатора TL.

При срабатывания любого из перечисленных защитных устройств двигатель отклю

чается от сети и затормаживается.

Защита от токов перегрузки

При перегрузки 3-й скорости тепловые реле КК5, КК6 размыкают свои контакты в

цепи катушки реле 3-й скорости KV6, которое отключается и размыкает контакты KV6:1, KV6:2 в цепи тиристорного контактора Е5. В результате отключается обмотка 3-й скоро-

сти.

Одновременно замыкается контакт KV6:4, через который и контакт SA2:4 включа-

ется реле 2-й скорости KV5.

Двигатель переходит с 3-й скорости на 2-ю.

Аналогично работает схема при перегрузке обмотки 2-й скорости.

При перегрузке 2-й скорости тепловые реле ККЗ, КК4 отключают реле 2-й скоро

сти KV5, которое размыкает контакты KV5:1, KV5:2 в цепи тиристорного коммутатора Е4, отключая обмотку 2-й скорости, и замыкает KV5:3, включая реле 1-й скорости KV4.

Двигатель переходит со 2-й скорости на 1-ю.

При перегрузке 1-й скорости тепловые реле КК1, КК2 отключают реле напряжения

KV1. Это реле размыкает контакты KV1:1 и KV1:2..

При размыкании контакта KV1:1 снимается самоблокировка, при размыкании KV1:2 снимается питание со схемы управления.

При этом двигатель отключается от сети и затормаживается.

Возврат реле КК1.. .КК6 в рабочее состояние - ручной, нажатием кнопки снаружи

корпуса реле.

Для продолжения работы схемы надо сначала вернуть рукоятку командоконтрол-

лера в нулевое положение, чтобы замкнулся контакт SA2:1, через который повторно вклю

чится реле напряжения KV1.

Только после этого рукоятку командоконтроллера можно перевести в нужное рабо-

чее положение.

Защита по снижению напряжения

Для защиты по снижению напряжения служит реле напряжения KV1.

При снижении напряжения до минимально допустимого значения ( 60 % номиналь-

ного и менее, вплоть до обесточивания ) якорь реле напряжения KV отпадает, кон­такты KV1:1...KV1:3 размыкаются, двигатель отключается от сети и затормаживается.

Для повторного включения двигателя надо после восстановления напряжения пере вести рукоятку командоконтроллера в нулевое положение, чтобы замкнулся контакт SA2:1, через который повторно включится реле напряжения KV1.

После этого продолжают работу, устанавливая рукоятку в нужное рабочее положе

ние.

Блокировки

В схеме управления электроприводом лебёдки использованы такие блокировки:

1. от одновременного включения реверсивных реле KV1 и KV2;

2. по длине троса при работе на подъём;

3. по длине троса при работе на спуск.

Блокировка одновременного включения реверсивных реле

Эта блокировка предназначена для исключения одновременного включения ревер-

сивных контакторов Е1 и Е2, т.к. при этом возникает аварийный режим двойного коротко-

го замыкания в силовой части схемы, через одновременно открытые тиристоры в контакто

рах Е1 и Е2.

Для блокировки в цепь катушки одного реверсивного реле включают размыкающие

контакты другого, и наоборот.

В принципиальной схеме электропривода лебёдки в цепь катушки реверсивного ре

ле KV2 «Подъём» включены размыкающие контакты КV3:3 реверсивного реле «Спуск». Аналогично, в цепь катушки реверсивного реле КV3 «Спуск» включены размыкающие контакты КV2:3 реверсивного реле KV2 «Подъём».

Тогда, при включении, например, реле KV2 «Подъем» его контакт КV2:3 размыка-

ется, делая невозможным включение реле KV3 «спуск».

Блокировка по длине троса при работе на подъем

Для этой блокировки служит конечный выключатель SQ1.

При подъёме груза возможно возникновение такой аварийной ситуации: по мере

подъёма груза длина троса между гаком и ноком стрелы непрерывно уменьшается, и гак может упереться в нок стрелы.

Двигатель переходит в режим стоянки под током и набивает грузовой канат, при

этом пытаясь приподнять стрелу. К разрывному усилию в канате от действия веса груза теперь добавится усилие, созданное моментом стоянки (пусковым ) электродвигателя. В результате трос может разорваться и груз упадёт.

Для исключения такой ситуации в схеме используется конечный выключатель SQ1,

установленный на ноке стрелы. Выключатель удерживается во включённом состоянии при помощи противовеса. Когда гак доходит до противовеса и немного приподымает его, пружинный механизм размыкает контакты выключателя, и реверсивный контактор КМ1 отключается.

Вместе с тем, сохраняется возможность работы электропривода в направлении

«Спуск»,, т.к. контакты конечного выключателя SQ2 остаются замкнутыми.

Блокировка по длине троса при работе на спуск

Для этой блокировки служит конечный выключатель SQ2.

При спуске груза конечный выключатель SQ2 ограничивает сматывание шкентеля

с барабана и размыкает свои контакты SQ2, когда на барабане остается 1,5-2 шлага троса.

При отсутствии такого выключателя может возникнуть аварийная ситуация, при

которой продолжение работы двигателя после полной смотки троса с барабана приведёт к его намотке на барабане в противоположном направлении с перехлестами и изломами.