Электрический привод имеет широкое применение в механизмах современных кранов благодаря следующим своим особенностям: возможности установки самостоятельного двигателя к каждому механизму крана, что значительно упрощает конструкцию и управление механизмами; высокой экономичности; относительной простоте регулирования скорости в значительных пределах и удобству реверсирования механизмов; безопасности работы, простоте устройства и надежности предохранительных устройств; возможности работы со значительными кратковременными перегрузками.
Крановый электропривод работает в специфических условиях, определяемых особенностями работы крановых механизмов [1], к которым относятся: изменение нагрузки в больших пределах и направления действия; широкий диапазон регулирования скорости при различных значениях и знаках нагрузки; работа в кратковременном режиме при большом числе включений в час; высокая вероятность перегрузок, различные внешние воздействия на оборудование, находящееся на движущихся частях крана. Все эти условия предъявляют к электроприводу сложные требования в отношении надежности и безопасности.
Выбор рационального способа регулирования является важной задачей, которая решается при проектировании электропривода механизмов кранов. Все системы имеют ряд преимуществ и недостатков, анализ которых при учете предъявляемых технических требований и специфики производственного механизма позволяет осуществить правильный выбор системы регулирования.
Электродвигатели постоянного тока используются для приводов механизмов кранов, требующих большого диапазона регулирования скорости, ее плавного изменения, большого числа включений в час.
Наибольшее распространение в электроприводе крановых механизмов получили асинхронные двигатели, масса, стоимость и эксплуатационное обслуживание которых ниже, чем у двигателей постоянного тока.
Для обеспечения плавного пуска асинхронных двигателей и регулирований их скорости применяются схемы регулирования [4]: с контактно-контроллерными управляющими устройствами; с использованием тиристорных регуляторов напряжения; с использованием тиристорных преобразователей частоты.
Одной из самых перспективных схем крановых приводов являются схемы на базе тиристорных преобразователей. Можно выделить четыре основные системы использования тиристорных преобразователей для регулирования частоты вращения синхронных двигателей.
1. Устройства, преобразующие переменное напряжение питающей сети в переменное напряжение другой величины при одной и той же частоте. Используются тиристорные регуляторы напряжения (ТРН), изменяющие напряжение статора асинхронного двигателя с фазным ротором. Данная схема регулирования применяется в механизмах подъема мостовых кранов с манипуляторами, контейнерных кранах; характеризуется жесткими механическими характеристиками и обеспечивает малые посадочные скорости. Также электроприводы с ТРН применяются и в механизмах передвижения, принципы построения схем при этом одинаковы, отличия имеются только в выполнении отдельных узлов в цепях управления. Основными недостатками данного типа электропривода являются значительные потери скольжения, наличие тахогенератора, высокая стоимость.
2. Асинхронные приводы с импульсным регулированием. В этом случае в цепи фазного ротора асинхронного двигателя устанавливаются силовые тиристорные коммутаторы, которые переключают сопротивления в цепи фазного ротора по сигналу, пропорциональному скольжению ротора, фактически реализуя режим включения–отключения электропривода с мягкими механическими характеристиками. В отличии от схем с ТРН, в которых формирование тормозных режимов производится на характеристиках противовключения, в схемах с ИР благодаря наличию в цепи выпрямленного тока ротора использован режим динамического торможения самовозбуждением. Это позволяет значительно повысить энергетические показатели электропривода.
3. Для управления асинхронными короткозамкнутыми электродвигателями в крановых электроприводах находят применение тиристорные преобразователи частоты (ТПЧ) с непосредственной связью, в которых силовая часть представляет собой управляемый выпрямитель и выполнена на не запираемых тиристорах. Электропривод с ТПЧ с непосредственной связью применяется на механизмах подъема и передвижения для привода двух- и трехскоростных двигателей со смешанным питанием – от преобразователя и от сети переменного тока. На механизмах передвижения применяются односкоростные короткозамкнутые двигатели с питанием от ТПЧ с непосредственной связью.
4. Тиристорные преобразователи частоты с автономными инверторами (ПЧИ). Наиболее широкое применение в современных частотно регулируемых приводах находят преобразователи с явно выраженным звеном постоянного тока. В преобразователях этого класса используется двойное преобразование электрической энергии: входное синусоидальное напряжение с постоянной амплитудой и частотой выпрямляется в управляемом выпрямителе, фильтруется фильтром, сглаживается, а затем вновь преобразуется инвертором в трехфазное напряжение регулируемой частоты с отношением ξ = f2/ f1 как меньшим, так и большем 1 (двухзонное регулирование). Принцип работы таких ПЧ зависит от типа используемого выпрямителя и автономного инвертора. Главным достоинством тиристорных преобразователей частоты, как и в схеме с непосредственной связью, является способность работать с большими токами и напряжениями, выдерживая при этом продолжительную нагрузку и импульсные воздействия. Однако, двойное преобразование энергии приводит к снижению к.п.д. и к некоторому ухудшению массогабаритных показателей по отношению к преобразователям с непосредственной связью.
Для выбора оптимального типа электропривода и управляющих устройств рекомендуется проводить анализ его экономических и массогабаритных показателей. Экономическая оценка при этом производится по формуле [1]:
,
где А – показатель затрат в руб.; Р – номинальная мощность электродвигателя, кВт; Сдв – удельная стоимость 1 кВт мощности двигателя, руб/кВт; Сдв – удельная стоимость управляющего устройства на 1 кВт мощности двигателя, руб/кВт; Sк – число включений за год работы; Sдоп – износостойкость электропривода; Sэл - усредненная стоимость электроэнергии на пуск двигателя мощностью 1 кВт, руб/кВт; β – коэффициент, определяющий потери при пуске, торможении регулировании скорости; γ – коэффициент, характеризующий приведенные моменты инерции механизмов; nвк – число включений в час; Т – число часов работы в год.
Однако данный расчет не учитывает эксплуатационные затраты на обслуживание электропривода, условия безопасности при эксплуатации и техническом обслуживании. Безотказность работы электродвигателей крана, качество эксплуатационных и рабочих характеристик оказывает существенное влияние на производительность труда, на затраты по ремонту крана и рентабельность работы предприятия в целом.
С точки зрения снижения эксплуатационных затрат наиболее предпочтительным является электропривод с частотно регулируемым управлением. Бесконтактная система обеспечивает минимизацию пусковых токов, щадящий режим противовключения, защиту двигателя от перегрева, плавность и экономичность регулирования скорости, минимизацию влияний параметров окружающей среды, полное отсутствие износа деталей пусковой аппаратуры, плавность пуска электроприводов и стабильность их характеристик, облегченный повторно-кратковременный режим с повышенным числом включений и противовключений.
Литература:
- Справочник по кранам. В 2-х томах./Александров М.П., Брауде В.И., Гохберг М.М. и др.; Под общ. Ред. Гохберга М.М.-Л.: Машиностроение, 1988, т. 2.- 559с.
- Хвостов В.С. Машины постоянного тока. М.: Высшая школа, 1988. – 320с.
- Крановое электрооборудование: Справочник / Алексеев Ю.В., Богословский А.П., Певзнер Е.М., и др. Под ред. А.А. Рабиновича. М.:Энергия, 1979. 240 с.
- РадинВ.И., БрускинД.Э., ЗороховичА.Е. Асинхронные машины. Учебник для вузов М.: Высшая школа, 1988. - 328 с.
- Карлов Б., Есин Е. Современные преобразователи частоты: методы управления и аппаратная реализация // Силовая электроника. – С.- П., 2004. - №1 – С. 50-54.
