книги / Тиристорный электропривод для кранов
..pdfскорости: с ростом нагрузки сигнал обратной связи по скорости воздействует на уменьшение угла а, вследст вие чего возрастает среднее значение напряжения и мо мент двигателя. Использование таких замкнутых систем асинхронного электропривода с соответствующим коэф фициентом усиления (если нужно — с промежуточным усилителем) позволяет получить в I и IV квадрантах
Рис. 1-1. Схема включения |
Рис. 1-2. Механические характери- |
|
тиристоров в |
цепь статора |
стики двигателя при регулирова- |
асинхронного |
двигателя. |
нии напряжения тиристорами. |
жесткие механические характеристики при диапазоне регулирования 40 : 1—50 : 1.
На рис. 1-2 показаны экспериментальные механиче ские характеристики (в относительных единицах) дви гателя серии МТ с тиристорным регулятором напряже ния (ТРН) и внешними резисторами в цепи ротора, снятые при работе в разомкнутой (У, 2, 3) и замкнутой (4—5) системах.
Асинхронный электропривод с тиристорным регуля тором напряжения (ТРН—АД) может удовлетворить многие требования механизмов подъема и горизонталь ного перемещения кранов. Обеспечивается нужный диа пазон регулирования скорости при подъеме (I квадрант) и тормозном спуске (IV квадрант). Для получения ха рактеристик во II и III квадрантах привод реверсирует ся контакторами В и Я (см. рис. 1-1) либо бесконтактно добавлением еще двух пар тиристоров. Автоматический переход из двигательного режима в тормозной и нао борот осуществляется применением несложного узла
в цепях управления. Плавность переходных процессов, ограничение перегрузки, поддержание постоянного ди намического момента при пуске может осуществляться воздействием на угол управления а по заданной про грамме либо в функции определенной величины, напри мер тока при использовании обратной связи по току.
Принципиально тормозной спуск грузов может осу ществляться при работе двигателя в режиме противовключения либо динамического торможения. Технико экономическое сравнение этих режимов при спуске [Л. 11] показало, что использование режима динамиче ского торможения приводит к повышенному нагреву двигателя, необходимости в дополнительных тиристорах и коммутации резисторов в цепи ротора при переходе с одной скорости спуска на другую. В то же время ре жим противовключения не требует введения дополни тельных элементов как в силовую цепь, так и в цепь управления; работают те же тиристоры, что и на подъеме.
В [Л. 11] показано, что при правильном выборе со противления цепи ротора нагрев двигателя при тормоз ном спуске в режиме противовключения не превышает нагрева машины, работающей в режиме динамического торможения, если реализуются аналогичные характе ристики. Регулирование скорости и выбор режима рабо ты (подъем, тормозной спуск) осуществляются измене нием задающего напряжения.
Необходимое для работы в установившемся режиме сопротивление цепи ротора электропривода подъема рассчитывается из условия: при полностью открытых тиристорах момент двигателя должен на 10—30% пре вышать момент номинального груза. Если устойчивые скорости требуются только в зоне низких скоростей (s= 0 ,9 -M ,l), то полное сопротивление цепи ротора обычно составляет 0,6—0,8 номинального. При этом мо жет понадобиться одна постоянно введенная ступень резистора и одна — выключаемая. Если необходимо, кроме пониженных, иметь промежуточные скорости подъема и спуска, например характеристики 4, 5, 8 на рис. 1-2, то в зависимости от этих скоростей и статиче ского момента номинального груза могут понадобиться две-три шунтируемые ступени, а сопротивление рези стора— в пределах 0,38—1,3 номинального. В цепи ро тора двигателя механизмов горизонтального перемеще-
12
ния при управлении от ТРН также может вводиться
невыключаемая, |
а |
иногда — и одна шунтируемая сту |
пень резистора. |
Во |
всех случаях переход на основную |
скорость осуществляется шунтированием резисторов в роторе с использованием узла токовой отсечки, под держивающего постоянным ток статора или ротора воз действием на угол а тиристоров.
Наиболее приемлемым и распространенным является асинхронный электропривод с ТРН. В течение несколь ких лет он применяется за рубежом. Подобный привод для серийного кранового электропривода разработан и в СССР [Л. 23]. Поэтому ниже подробнее остановимся на различных вариантах силовых схем ТРН, особенно стях систем управления и пр.
1-2. ВЫБОР ОСНОВНОГО ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ, СРАВНЕНИЕ СИЛОВЫХ СХЕМ
Регулирование напряжения на статоре с помощью силовых вентилей может осуществляться при включении их по разным схемам. В литературе описаны различные варианты схем силовой цепи асинхронного электропри вода с фазовым управлением, отличающиеся количест вом силовых элементов, способом их включения, схемой соединения обмотки статора двигателя и, следовательно, формой напряжения, подводимого к двигателю [Л. 1, 41]. Число вариантов этих схем может быть сокращено, если учесть, что к кранам, как правило, подводится трехфазная сеть 380 В без нулевого провода.
Таким образом, рассмотрение ограничим схемами, которые могут применяться для двигателей с обмоткой статора, соединенной в звезду без нулевого провода. Они приведены на рис. 1-3. Все эти схемы, отличающие ся числом тиристоров и схемой их включения, предпо лагают симметричное управление вентилями, когда от сутствует постоянная составляющая напряжения. Схема рис. 1-3,5 (с одной глухо подключенной к сети фазой двигателя) и схема рис. 1-3,е (с двумя тиристорами только в одной фазе) регулируют также степень несимметрии подводимого к двигателю напряжения. Схема рис. 1-3,е, как создающая при закрытых тиристорах ре жим крайней несимметрии, а также имеющая другие специфические особенности, рассматривается в гл. 2. Схема рис. 1-3,5 более сопоставима со схемами
рис. |
1-3,а, б, |
в |
и г вследствие |
ее особенностей |
(неболь |
|
шая |
степень |
несймметрии напряжения, |
при |
закрытых |
||
тиристорах ток |
через обмотки |
двигателя |
не |
протекает |
||
и т. д.). Все эти схемы в той или иной степени исполь зуются в электроприводах крановых механизмов [Л. 30, 56]. Однако для их обоснованного применения необхо димо произвести технико-экономическое сравнение.
Рис. 1-3. Схемы ТРИ в статоре, соединенном звездой без нулевого провода.
а — симметричное |
включение тиристоров |
во |
всех фазах; б, |
г — соединение |
|||
в треугольник соответственно шести и трех тиристоров; |
в — включение диодоп |
||||||
и трех |
тиристоров; |
д — схема с четырьмя тиристорами |
и глухо |
подключенной |
|||
к сети фазой |
двигателя; е — включение двух |
тиристоров в одну |
фазу. |
||||
Приведенные на рис. 1-3,а—д схемы при изменении |
|||||||
угла |
а |
от |
значения <р |
до |
максимального аМакс |
||
(табл. 1-1) приводят к изменению среднего значения напряжения на двигателе от номинального до нуля. С обратной связью по скорости все они обеспечивают практически одинаковые механические характеристики и требуемый диапазон регулирования. При использова нии схем рис. 1-3,а, д с добавлением двух фазных групп тиристоров возможно осуществление бесконтактного реверса, в то время как остальные в состоянии обеспе чить лишь бестоковую коммутацию реверсивных кон такторов.
Показатели
Схема ТРН
1-3, а |
1-3, б |
1-3, в |
1-3, г |
1-3, д |
рис. |
рнс. |
рис. |
рис. |
рис. |
Максимальное значение угла управления амакс
Максимальное значение среднего тока через тиристоры (диоды)
Аф.макс* = ^ср.максДдв
Наибольшее значение напряжения на тиртсторах:
^пр.макс
прямого ^пр.макс* — [], ^ф.макс
^обр.макс
обратного ^обр.макс*— //.
^ф.макс
о |
180е 210е 210е |
о |
ело |
ю о |
0,45 0,26 0,45 0,675 0,45
1,5 1,73 1,73 1,73 1,73
1,5 |
1,73 0 |
) ,73 |
1,73 |
На выбор схемы силовой цепи ТРН при одинаковых технических показателях решающее влияние оказывают надежность и экономичность выбираемого варианта, зависящие в свою очередь от количества и параметров силовых элементов и элементов схемы управления. Кро ме того, необходимо учитывать зависимость полных по терь, а также потерь в двигателе от схемы силовой части. Для электропривода крановых механизмов реша ющее значение имеют потери в обмотках, определяющие требуемую мощность двигателя; так как время работы на регулировочных характеристиках относительно неве лико, то в меньшей мере нужно считаться с полными потерями во всей системе электропривода.
От структуры силовой цепи зависят параметры тири сторов и диодов и, следовательно, стоимость последних. Средние значения тока через вентили для разных схем приведены в табл. 1-1. Там же для сравнения даны максимальные напряжения, прикладываемые к венти лям при работе привода на установочных скоростях (<0,1 (Он), когда можно не учитывать э. д. с. вращения; эти напряжения являются наибольшими для каждой из схем при работе двигателя в I квадранте.
Для экономического, сопоставления схем в качестве примера сделан расчет стоимости и надежности ТРН (вентилей и блоков управления) при работе с крановым
двигателем МТВ-512-8. Ориентировочные относительные значения стоимости и времени наработки на отказ ТРИ приведены в табл. 1-2. В ней имеются также расчетные относительные значения стоимости всего электропривода и годовых эксплуатационных затрат при работе с тем же двигателем и различным вариантом силовых схем. До полнительно отметим, что некоторые схемы из-за осо бенностей их структуры обладают повышенной надеж
ностью. Так, в схеме рис. |
1-3,в вследствие |
наличия |
||
|
|
Т а б л и ц а |
1-2 |
|
|
|
Схема ТРН |
|
|
Показатели |
рис. 1-3, а |
рис. 1-3, в |
рис. |
1-3, д |
|
||||
Стоимость ТРН |
1 |
0,62 |
0,725 |
|
Стоимость электропривода |
1 |
0,8 |
0,85 |
|
Годовые эксплуатационные затраты |
1 |
0,95 |
0,94 |
|
Время наработки на отказ |
1 |
1,8 |
1,5 |
|
Вероятность безотказной работы |
0,834 |
0,906 |
0,885 |
|
диодов тиристоры защищены от действия обратного на пряжения. В схемах рис. 1-3,6 и г, где тиристоры вклю чены в рассечку нулевой точки, отпадает необходимость защищать вентили от токов короткого замыкания. По следнее относится также к схеме рис. 1-3,в при соответ ствующем включении вентилей.
Значительное влияние схема включения вентилей оказывает на энергетические показатели привода. Про цессы коммутации тиристоров обусловливают несинусоидальность токов и напряжений, которые в общем случае содержат спектр различных гармоник, опреде ляемый количеством управляемых вентилей. Так, при работе по схеме рис. 1-3,6 в двигателе не протекают лишь четные гармоники токов, по схемам рис. 1-3,в, г —
гармоники, кратные трем, а при использовании |
схем |
рис. 1-3,а, 6 в двигателе отсутствуют как четные, |
так |
и гармоники, кратные трем; в последнем случае гармо
нический состав токов наилучший, |
так как, |
кроме |
1-й, |
по обмоткам двигателя протекают |
лишь 5, |
7, И, |
13-я |
и т. д. гармоники, и следует ожидать, что потери в ма шине при использовании этих схем — минимальные.
Анализ различных силовых схем с точки зрения энергетики приведен в [Л. 19, 41, 50], а их сопоставле-
16
ние сделано в [Л. 16, 53]. На основании большого числа экспериментов с двигателями крановой серии получены зависимости потерь в обмотках в функции момента при постоянном скольжении s для всех схем рис. 1-3. Эти зависимости при s= 0 ,8 и двух значениях
приведены на рис. 1-4, где ДА>Л* — относительное значение электрических потерь в двигателе. За базовую
ЬВ
12
0,8
0,4
О |
0,2 |
0,4 |
0,8 |
0,8 |
1,0 |
|
Рис. 1-4. Зависимости потерь в двигателе |
от момента при s=0,8. |
|
||||
/ — регулирование напряжения без искажения; |
2 — регулирование |
напряжения |
||||
по схеме рис. 1*3,а, б; 3 — по схеме |
рис. 1-3,в, |
г\ 4 — по схеме рис. 1-3,д; |
5 — |
|||
по схеме рис. 1-3,е. |
|
|
|
|
|
|
величину приняты |
номинальные электрические |
потери, |
||||
a Af* — момент |
двигателя, |
отнесенный к моменту |
на |
|||
механической характеристике, полученной при реостат ном регулировании, когда тиристоры полностью откры ты. Используя такие зависимости, можно оценить влия ние схемы силовой цепи на установленную мощность двигателя. Сравнение лучше всего проводить по сред ним потерям за цикл работы механизма.
Были проведены расчеты для одного из возможных графиков нагрузки механизма подъема.
Когда время работы при подъеме принимается рав ным времени спуска, установочная скорость составляет 0,1 сон, а время работы на установочной скорости /у составляет 10—40% всего времени работы /р в цикле.
2—328 |
17 |
Результаты расчета сведены в табл. 1-3, где указано в процентах превышение средних потерь для разных схем по отношению к потерям в двигателе, работающе му по тому же графику нагрузки, но при регулировании резисторами в роторе. Расчет проводился для того слу чая, когда на регулировочных характеристиках подъема и спуска работа двигателя МТВ-512-8 осуществлялась
|
|
|
|
|
Т а б л и ц а |
1-3 |
|
|
Тип двигателя |
|
|
Схема |
|
|
|
|
V |
рис. 1-3, а, б |
рис. 1-3, |
б , г |
рис. 1-3, |
о |
|
|
|
|
|||||
МТВ-412-8 |
0,1 |
2 |
6 |
|
6 |
|
|
0,2 |
4,7 |
12,5 |
|
12,5 |
|
||
|
|
|
|
||||
|
|
0.4 |
8,2 |
22 |
|
22 |
|
МТВ-512-8 |
0,3 |
19,8 |
29,4 |
|
32,3 |
|
|
|
|
|
|||||
с |
одинаковыми |
сопротивлениями |
в цепи |
ротора, /?р* = |
|||
= |
0,5 и двигателя МТВ-412-8 — с |
разными; |
работа |
на |
|||
спуске этого двигателя осуществлялась с |
/?р* = 0,83. |
|
|||||
|
Результаты |
расчета |
убеждают, |
что увеличение сред |
|||
них потерь зависит как от схемы, времени работы на пониженной скорости, так и от числа ступеней резисто ров в роторе и их сопротивлений. Дело в том, что рабо та двигателя при различных скольжениях s с одинако выми статическими моментами Мс и сопротивлением Rv сопровождается неодинаковыми потерями. Это различие обусловлено тем, что при больших скольжениях необ ходим и больший диапазон регулирования напряжения, а последнее приводит к увеличению потерь от высших гармоник или несимметрии. Анализ энергетических по казателей свидетельствует о том, что если /?р изменять пропорционально скольжению, то система обеспечивает минимум потерь для данного графика нагрузки.
Таким образом, когда допускается контактный ре верс, можно рекомендовать схемы рис. 1-3,в и г, которые являются наиболее дешевыми и надежными, хотя и вы зывают некоторое увеличение потерь по сравнению со схемами рис. 1-3,а и б. При этом, если ограничиваются габариты и масса преобразователя, лучше применять 'схему рис. 1-3,г. В остальных случаях-— схему рис. 1-3,в, так как при подключении вентилей в фазы после обмо ток двигателя они оказываются (как и в схеме
18
рис. 1-3,г) защищенными от токов короткого замыкания, а электрически соединенные катоды всех тиристоров упрощают построение устройства управления.
Схемы рис. 1-3,а и д целесообразно применять в тех случаях, если требуется бесконтактная коммутация, при чем схему рис. 1-3,д, если не возрастает мощность дви гателя (см. § 1-5).
1-3. ОСОБЕННОСТИ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ
Устройства управления каждым тиристором должны включать узел формирования импульсов необходимой для открывания тиристоров амплитуды, а также фазо сдвигающее устройство, позволяющее изменять а в нуж ном диапазоне. Ширина импульсов для надежного пол ного открывания тиристоров должна быть не менее возможных пределов изменения ср. Так как для двига-
Рис. 1-5. Схема блока фазового управления тиристорами.
телей серии МТ с сопротивлениями в цепи ротора # р* = = 0 , 1 -г-1,0 при изменении скольжения в диапазоне 2— 0,1 угол ф может колебаться от 35 до 85°, то ширина импульсов должна быть в пределах 50—55°.
Для регулирования угла а, как правило, использует ся вертикальный принцип управления. Известны разные модификации схем блоков управления [Л. 41]. На рис. 1-5 приведена одна из схем фазового управления, использованная для ТРИ кранового механизма подъема. Она включает фазосдвигающее устройство (ФСУ), фор мирователь импульсов (ФИ) и усилитель мощности (УМ). Схема ФСУ выполнена на диодном генераторе
пилообразных напряжений. |
|
2* |
19 |
Работа диодного генератора пилообразного напряжения основа на на принципе заряда конденсатора С\ от постоянного напряжения Uп с последующим быстрым ее разрядом. Структура схемы генера тора обеспечивает синхронизацию начала заряда конденсатора с мо ментом перехода напряжения сети ис (напряжения вторичной обмотки трансформатора 1Тр и2тр) соответствующей фазы через нуль и практически полный разряд к моменту нового заряда. Про должительность переднего фронта пилообразного напряжения может достигать 160°. Она зависит от Uu и постоянной времени заряда контура Ri, С1. В интервале времени, пока напряжение синхрониза ции на резисторе R2 превышает напряжение на конденсаторе ипил, диод ДА закрыт, а С\ заряжается от источника постоянного напря жения и п.
В момент совпадения значения иПип с напряжением и2тр (соот
ветствует а Макс |
на рис. 1-7) либо с напряжением управления |
U y |
(си, а2 и т. д.) |
заряд конденсатора С\ прекращается, транзистор |
Т\ |
закрывается и через С2 подает отрицательный сигнал в схему ФИ, состоящего из транзисторов Т2, 7з, конденсатора С3 и резисторов коллекторной цепи /?4, Ra и обратной связи Rs. При наличии тока конденсатора С3 в момент открывания Т2 транзистор Т3 закрывается, и на коллекторе формируется отрицательный импульс, ширина кото рого зависит от постоянной времени контура C3R7. Сформированный таким образом импульс поступает на вход УМ (7*4, 2ТР). С выхо дов 1 и 2 трансформатора 2Тр импульсы подаются на тиристоры соответствующей фазы. Питание двух тиристоров от одного блока сокращает число элементов и обеспечивает симметричное их откры вание.
Для улучшения теплового режима ТА на его базу подается по стоянное смещение Ucм через Д8, /?ц, а для уменьшения размеров 2Тр через Дъ /?ю может подаваться, кроме того, напряжение сме щения Uf высокой частоты (5—10 кГц).
Рассмотренная схема управления обеспечивает регу лирование а в пределах 0—160°, что вполне достаточно для схем рис. 1-3,а, б. Для остальных схем, у которых теоретически угол а может достигать 210°, необходимо осуществлять синхронизацию либо от линейного (схема рис. 1-3,б), либо от фазного (схема рис. 1-3,г) напряже ний; практически это позволяет получить диапазон а = 30-г-200°. Однако такую синхронизацию надежно можно применять лишь для нереверсивных электропри водов.
Напряжение управления % подается на блок фазо вого управления с выхода промежуточного усилителя /7У, на вход которого поступает напряжение, представ ляющее собой алгебраическую сумму задающего напря жения и3 и напряжений обратных связей по скорости и-гг, току ит и т. д. На рис. 1-6 показана упрощенная схема питания ПУ при наличии отрицательной обрат ной связи по скорости с использованием тахогенератора.