5.Импульсные схемы управления электродвигателями

5.1 В аккумуляторных автопогрузчиках

Применение электрического привода для машин напольного транспорта неуклонно расширяется, что объясняется рядом его пре­имуществ. Основные из них следующие: постоянная готовность к действию; возможность установки отдельного двигателя к каждому механизму машины, что значительно упрощает конструкцию и уп­равление механизмами; высокая экономичность; легкость регули­рования скорости в значительных пределах и удобство реверсирования механизмов; возможность работы со значительными кратковременными перегрузками; отсутствие выхлопных газов, безопас­ность работы, надежность срабатывания предохранительных уст­ройств. Дальнейшее расширение использования электропривода для машин напольного транспорта сдерживается, однако трудностями регулирования скорости электродвигателей, связанными с повышен­ным расходом энергоемкости аккумуляторной батареи – источни­ком энергии машины.

В механизмах передвижения электропогрузчика применяют элек­тродвигатели с последовательным возбуждением, так как по услови­ям работы погрузчика часто требуется большой крутящий момент, иногда в несколько раз превышающий номинальный. У этих двига­телей обмотки имеют малое сопротивление, и для пуска двигателя необходимо изменять напряжение на клеммах или подключать добавочное пусковое сопротивление.

Изменение напряжения на клеммах двигателя нельзя достигнуть изменением числа элементов аккумуляторной батареи, соединенных последовательно, так как это приведет к быстрой разрядке аккумуляторов и уменьшению срока службы батареи.

Пусковые сопротивления при включении расходуют энергию батареи, энергоемкость которой является важнейшим показателем временной работы машины без подзарядки. Поэтому были попытки использовать системы регулирования без пусковых сопротивлений. Такие электросхемы сложны, дороги и увеличивают размеры машин габаритов. Поэтому у большинства отечественных и зару­бежных погрузчиков применяют реостатное регулирование, хотя оно неэкономично с точки зрения энергоемкости аккумуляторной бати реи. При такой схеме пуск машины производится командоконтроллером с несколькими пусковыми ступенями или угольным реостатом, что обеспечивает продолжительное изменение сопротивле­ния и мягкое включение двигателя и всей трансмиссии.

На рисунке 28, а показано изменение силы тока при включении ре­остата с пятью ступенями скоростей, а на рисунке 28, б – зависимость силы потребляемого тока от скорости движения электропогрузчика при различных системах управления тяговыми электродвигателями со ступенчатым изменением скорости командоконтроллером (1), с угольным реостатом (2) и с импульсным управлением (3).

Абсциссы кривой (рис. 28, а) показывают потери мощности и момент пуска при изменении силы тока и падении напряжения па клеммах сопротивлений.

Обычно вилочные погрузчики обслуживают складские помеще­ния, имеющие узкие проезды, что вызывает большое число манев­ренных операций. Время разгона двигателя в общем цикле работы

Рисунок 28 – Изменение силы тока электродвигателей механизма передвижения электропогрузчиков в режимах разгона и при движении с различными скоростями: I – ток полной нагрузки, I_max – наибольший ток, I_{а, б} – ток, выдаваемый аккумуляторной батареей, V – скорость движения электропогрузчика

имеет большой удельный вес; иногда погрузчики работают только в пусковых режимах (когда расстояние между местами погрузки и разгрузки не превышает нескольких метров). По графикам на рисунке 28, б можно судить о затраченной энергии аккумуляторной батареи, которая целиком относится к бесполезным потерям.

Преимущественно применяют следующие способы регулирова­ния скорости аккумуляторных машин напольного транспорта.

1. Использование сопротивления последовательно включенного в цепь якоря двигателя; величина сопротивления меняется включе­нием контактов, шунтирующих отдельные его участки.

2. Использование сопротивления последовательно включенного в цепь якоря двигателя и состоящего из столба угольных пластин. Величина сопротивления меняется в зависимости от силы сжатия столбца пластин ножной педалью. Для достижения максимальной скорости включается контакт, шунтирующий все сопротивления.

3. Попеременное включение и выключение линейного контакта цепи, регулирующего скорость движения либо числом включения в единицу времени, либо при одном и том же числе включений дли­тельностью каждого включения.

Недостатки первых двух способов были рассмотрены выше. Тре­тий способ — импульсного включения электродвигателя — имеет ряд преимуществ. Он основывается на применении полупроводни­ков, обеспечивающих длительность включения (выключения) при­мерно 0,008 с.

Принцип импульсного управления рассмотрим с помощью не­скольких схем.

Предположим, что цепь состоит из аккумуляторной батареи, дви­гателя и прерывателя (рис. 29, а). Ели замкнуть прерыватель, двига­тель начнет работать, но, поскольку погрузчик неподвижен, еще не может достигнуть нужной частоты вращения. При размыкании пре­рывателя частота вращения двигателя снизится. Если перед его ос­тановкой снова замкнуть прерыватель, то частота вращения будет увеличиваться, и описанное выше явление повторится. Средняя ча­стота вращения двигателя зависит от режима его работы. Она будет увеличиваться до тех пор, пока двигатель не будет работать на пол­ную мощность. После этого прерыватель не нужен. Иначе говоря, скорость двигателя увеличивается вместе с ростом длительности импульсов, которые поступают в электродвигатель. Это поступление импульсов приводит к скачкообразному функционированию систе­мы. Если теперь разомкнуть прерыватель, то двигатель начнет работать как генератор и накопленными самоиндукционными обмотками энергия будет тратиться на искрообразование между клеммами прерывателя.

Рисунок 29 – Схемы систем импульсного регулирования

Рассмотрим схему на рисунке 29, б. Прерыватель замкнут. Ток от батареи идет от А к В через двигатель и не может пересечь диод и направлении СД. Противоток может следовать от В к А через диод в направлении ДС, и контур снова замкнется двигателем. На клем­мах двигателя расположен корпус полупроводника или элементар­ный детектор, пропускающий ток в одном направлении и фактичес­ки противодействующий прохождению вредных токов. В нашем случае диод (или детектор) не может пропустить ток батареи, когда прерыватель закрыт, и поэтому ток проходит через двигатель. На­оборот, если прерыватель открыт, то ток самоиндукции, который выходит из двигателя в том же направлении пропускается диодом и создает замкнутый контур, изолируя батарею и включая двигатель. Последний продолжает работать в течение некоторого времени под действием этого тока даже при замкнутом прерывателе.

Неравномерность работы системы в значительной мере умень­шится или ликвидируется, если подавать очень короткие импульсы порядка 100–300 в 1 с. Кроме того, можно значительно снизить рас­ход электроэнергии, поскольку при размыкании прерывателя элект­родвигатель снабжается током помимо аккумуляторной батареи.

Высокочастотные импульсы с любой частотой можно получить с помощью электронной системы управления. Ее мощность практи­чески не зависит от габаритов. Система на отдельных участках по­стоянного тока прерывает его в определенном интервале времени. Регулируя продолжительность перерывов и импульсов тока, выбира­ют их значения, которые требуются для получения средней скорости двигателя, достигаемой при определенной последовательности им­пульсов. Во время этих операций противоток самоиндукции, прохо­дя через диод, играет роль маховика поршневого двигателя, хотя для осуществления этих действий требуются доли секунды.

Существует два метода создания электронных (импульсных) схем управления. Первый метод заключается в использовании кремниевых выпрямителей – так называемых контролирующих диодов; тре­тий диод в соответствии с потенциалом, которым он заряжен, открывает или закрывает путь главному току в элементе выпрямления. Такой процесс применяется в трехэлектродной лампе, в которой роль вспомогательного электрода играет сетка. Но в отличие от ламп контролирующие диоды объемом в несколько кубических сантимет­ров позволяют подавать ток силой 100 А и выше.

Обратимся к схеме на рисунке 29, в. Двигатель М не питается от батареи, потому что контролирующий диод (тиристор ТН_Х) не вклю­чен. Если тиристор возбудить, то ток проходит через двигатель и сообщает ему некоторую скорость под действием электроэнергии батареи. В то же время через сопротивление R от двигателя цирку­лирует ток, который заряжает конденсатор С. Если в конце данного времени t включить тиристор ТН₂, конденсатор начнет разряжаться через контур abcd, а через тиристор ТН₁ пойдет обратный ток. Результирующий ток может достигнуть небольшой величины, но если она меньше величины тока, проходящего через тиристор ТН₁, то результирующий ток затухает. Двигатель отделен от батареи, но продолжает работать от своего самоиндукционного тока, который циркулирует по контуру efgh через диод D₁ . Это происходит во вре­мя t₂ отсечки тиристора ТН₁, который по истечении этого времени посылает новый импульс, и цикл снова повторяется.

Из изложенного можно сделать вывод, что если увеличить продол­жительность импульсов, т.е. время t₁, то электродвигатель будет по­степенно увеличивать частоту вращения. Пуск двигателя будет закон­чен, когда продолжительность работы тиристора ТН₁ достигнет 100%.

Система управления электродвигателем включает потенциометр Р и генератор. Потенциометр действует от педали и устанавливает переменное напряжение, изменяющееся пропорционально скорости движения погрузчика. Генератор или электронная группа создает и усиливает под действием высокого переменного напряжения тока, необходимые для возбуждения командных электродов – тиристо­ров ТН₁ и ТН₂

Схема позволяет автоматически ограничивать силу тока до вели­чины, допустимой для тиристоров, ограничивать время действия потенциометра, уменьшающего напряжение батареи, что дает воз­можность при малом расходе электроэнергии осуществлять мягкий и сравнительно длительный пуск без толчков. Хорошо отрегулиро­ванная система электронного пуска позволяет трогаться погрузчику с места и перемещаться со скоростью от нулевой до номинальной и течении требуемого времени.

Как только фаза электронного пуска закончится, произойдет ав­томатическое замыкание цепи, и двигатель получит питание от акку­муляторной батареи, минуя тиристоры.

Сущность второго метода создания электронных схем управления рассмотрим на схеме, показанной на рисунке 29, г. В схеме предусмот­рено использование транзисторов, аналогичных употребляемым н радиотехнике, но больших габаритов. Сравнение рассмотренной схе­мы с предыдущей показывает их схожесть.

Потенциометр Р снижает напряжение передатчика (триггера), который имеет транзистор TR₁, включающий электродвигатель н течении времени t₁ так же как и в предыдущей схеме. Самоиндукционный ток электродвигателя, ограничивая напряжение потенцио­метра, блокирует триггер и транзистор TR₁ к моменту истечения времени t₁. Во время t₂ сила тока самоиндукции при проходе его через дроссельную катушку S и диод D₁ увеличивается. Транзистор TR₂ включая напряжение от зажимов шунта, в случае необходимости ограничивает силу тока транзистора TR₁.

Применяемые транзисторы (диаметром до 20-30 мм) пропускают ток величиной порядка 25 А . Схемой предусмотрена параллельная установка транзисторов, что влечет неравномерное распределение протекающего через них тока. Это основной недостаток транзистор­ных схем.

Тиристорная схема имеет тот недостаток, что падение напряже­ния на кремниевых тиристорах велико, а это уменьшает ее КПД. Кроме того, такие тиристоры недостаточно стойки и требуют интен­сивной вентиляции для охлаждения. Германиевые тиристоры лише­ны этого недостатка и могут работать в более тяжелых условиях.

Обе рассмотренные системы имеют примерно одинаковые пре­имущества перед старыми схемами управления. На рисунке 30 пред­ставлен график изменения силы тока в электродвигателе: сначала она возрастает во время фазы t₁, а затем убывает во время фазы t₂, когда ток проходит через диод. Батарея подает ток только во время фазы t₁.

Система работает подобно трансформатору: батарея подает ток относительно небольшой величины при нормальном напряже­нии, электродвигатель же получает ток большой силы при слабом напряжении, которое не изменяется в течении всего времени пуска.

Соотношение между средними величинами тока, подаваемого батареей, и тока, проходящего в электродвигателе, может достигать 1/5. Соотношение меняется в зависимости от выполняемой части рабочего цикла погрузчика и составляет (в амперах) при пуске (включении) 12/55, разгоне 50/200, движении 80/260, торможении двигателя 95/285.

Рисунок 30 – Схема подачи импульсов

Импульсная система управления при работе электропогрузчика дейст­вует только в неустановившихся фазах его дви­жения, поэтому основная экономия электроэнергии аккумуляторной батареи достигается при работе машины на коротких пле­чах и при частом маневри­ровании. Общая экономия может достигать 28/60% энергоемкости батареи; чем больше в рабочем цикле погрузчика доля неустановившегося движе­ния, тем больше эконо­мия. Наибольшее приме­нение в промышленности получили тиристоры типа SCR, отличающиеся ус­тойчивыми характеристиками и повышенной надежностью в работе.­

Три принципиальные разновидности электросхем импульсного управления тяговыми дви­гателями механизма передвижения погрузчика показаны на рисунке 31.

Преимущества электронного управления погрузчиками возраста­ют, если применяются печатные схемы. Эти схемы достаточно точ­ны и устойчивы в работе, не требуют проверки и тщательного ухода. Применение электронной системы управления погрузчиком позво­ляет выполнять больший объем перегрузочных работ, компенсируя тем самым более высокую ее стоимость в сравнении со стоимостью обычно применяемых систем управления. Регулирование скорости импульсами, выполняемое электронной схемой, – важное техничес­кое достижение, которое расширяет область применения машин на­польного транспорта.

Рисунок 31 – Схемы управления двигателем: а — с механическими прерывателями направления тока; б — бесконтакт­ного переключения направления тока; в — с рекуперацией электроэнергии в аккумуляторную батарею при торможении автопогрузчика: 1 – батарея; 2 – реверс; 3 – переключатель; 4 – педаль командоконтроллера; 5 – командоконтроллер; 6 – генератор импульсов; 7 – тяговый электродвигатель; 8 – диоды; 9 – обмотки возбуждения; 10 – комму­тационная цепь; 11 – тиристоры

Изменение интервала, т.е. частоты импульсов, подаваемых к электродвигателю, производится потенциометром несложной кон­струкции, устанавливаемым на педали. Ход педали двухступенча­тый; скорость погрузчика на первой ступени возрастает до 25%, на второй — 100%. Это улучшает управление машиной при низких ско­ростях. Система импульсного регулирования работает при скоростях погрузчика до 80% от полной, после чего контактор замыкает, от­ключает систему и к двигателю подается полный ток от батареи. Такая конструкция обеспечивает максимальные скорости погрузчи­ка и КПД системы.

Электропгрузчики имеют предохранительные и блокирующие ус­тройства, которые предохраняют электрическую цепь от поврежде­ний при возможных неисправностях электронного устройства или грубых нарушениях правил эксплуатации. Применяются следующие виды предохранительных устройств:

–контур безопасного отказа. Если основной источник импульсов не включается, то размыкается главный контактор переднего или заднего хода;

– контрольный контур безопасного отказа. Если контур безопас­ного отказа не действует, главные контакторы не замкнутся;

– блокировка ускорителя. Если ускоритель вводится в действие прежде переключателя направления движения, то контакторы не замкнутся;

– блокировка переключателя направления. Если переключатель на­правления реверсируется при нажатой педали ускорения, то кон­такторы автоматически разомкнутся;

– блокировка короткозамыкающего контактора. Если двигатель перестает пульсировать, то короткозамыкающий контактор не смо­жет замкнуться;

– блокировка тормоза (по специальному заказу). Если тормоз вво­дится в действие при нажатой педали ускорения, то подача энергии к двигателю прекращается, но главные контакторы остаются вклю­ченными. Если тормоз приводится в действие, когда короткозамыка­ющий контактор включен, то он автоматически отключается.

В сети предусматривается установка плавкого предохранителя для защиты тиристора в случае короткого замыкания цепи или пере­грузки.

Осуществление «ползучего» хода при импульсном регулировании позволяет погрузчикам с высокой точностью маневрировать в слож­ных условиях. Помимо этого, появилась возможность увеличить высоту штабелирования грузов до 15 м. Повысилась производитель­ность труда водителя ввиду облегчения управления погрузчиком, безопасность выполнения погрузочных и транспортных работ вслед­ствие плавного наращивания скорости машины.

Применение импульсного регулирования позволяет упростить уход и техническое обслуживание электрооборудования. Текущий ремонт может выполняться специалистами невысокой квалифика­ции, поскольку электронное устройство состоит из ряда релейных устройств и печатных контуров, соединенных штепсельными разъе­мами. Их легко снимать и заменять. Обслуживающий персонал снаб­жается руководством по эксплуатации, облегчающим обнаружение и устранение неисправностей.

Импульсное регулирование увеличивает срок службы трансмис­сии и тормозной системы погрузчика, так как при работе не тре­буются частые повторные торможения как при других видах регули­рования.