УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ СПУСКОПОДЪЕМНЫМИ РЕЖИМАМИ РАБОТЫ ПОДЪЕМНЫХ МЕХАНИЗМОВ

Полезная модель относится к электротехнике и может использоваться в электроприводах переменного тока на базе асинхронного электродвигателя при питании электродвигателя, как от промышленной сети, так и от автономного источника питания типа дизель-генератора ограниченной мощности, сопоставимой с мощностью питаемых от него электродвигателей, в основном для механизмов подъема кранов как стационарных, так и подвижных на автомобильном или гусеничном ходу.
Известны решения по управлению спускоподъемными режимами работы подъемных механизмов с асинхронными электродвигателями (Яуре А.Г., Певзнер Е.М. Крановый электропривод. Справочник. - М.; Энергоатомиздат, 1988. - 344 с., ил. стр.251-277), однако в этих решениях управление возлагается на человека.
Наиболее близким и принятым за прототип является устройство управления автоматизацией пуско-тормозных режимов дроссельного асинхронного электропривода (Патент РФ №2311725, МПК Н02Р 5/40, 7/62, опубл. 27.11.2007). Работа устройство основана на учете непостоянства момента трения кранового механизма подъема.
Однако, в устройстве используются громоздкий и дорогой дроссель, требуется отключение фаз ротора при силовом спуске, обратная связь по напряжению не обеспечивает требуемой жесткости и стабильности механических характеристик при регулировании скорости, отсутствует возможность плавного регулирования посадочных скоростей при спуске груза на месте его установки, отсутствует режим рекуперативного торможения при спуске тяжелых грузов.
Технической задачей заявляемой полезной модели является упрощение конструкции устройства, обеспечение плавного регулирования скорости при подъеме и спуске грузов с малыми скоростями с повышенной жесткостью механических характеристик при регулировании, обеспечение работы на механических характеристиках электродвигателя, близких к естественным, со спуском тяжелых грузов на максимальных скоростях в режиме рекуперативного торможения.
Указанная техническая задача решается тем, что дроссель заменяется тремя ступенями резисторов, включенных последовательно друг за другом, первая из которых невыключаемая, подключенная к кольцам ротора, вторая ступень двигательного режима и третья ступень противовключения, отключаемая шунтированием резисторов этой ступени в режиме подъема груза, отключаются закорачиванием концов резисторов невыключаемой ступени контактором закорачивания в звезду при подъеме и спуске груза с максимальными скоростями, когда электродвигатель работает на характеристиках близких к естественным характеристикам, и тяжелый груз спускается при работе электродвигателя в режиме рекуперативного торможения. Повышение жесткости и стабильности регулировочных механических характеристик достигается введением датчика частоты напряжения на кольцах ротора электродвигателя, а плавное регулирование скорости подъема/спуска - отказом от дискретного задания скорости и заменой его аналоговым сигналом.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг.1 - представлена функциональная схема устройства управления спускоподъемными режимами работы автоматизации с тиристорным регулятором скорости; на фиг.2 - механические характеристики, отражающие режимы работы модели при спуске/подъеме легкого груза; на фиг.3 представлены механические характеристики, отражающие режимы работы модели при спуске/подъеме тяжелого груза.
Устройство управления спускоподъемными режимами работы подъемного механизма (фиг.1) содержит источник энергии 1 (промышленная сеть или автономный источник типа дизель-генератор), питающий через автоматический выключатель 2 и реверсивный пускатель 3 асинхронный электродвигатель 4, в каждую фазу роторной цепи которого включены последовательно друг за другом три ступени резисторов, первая из которых невыключаемая с резисторами 5 подключена к кольцам ротора, а вторые концы резисторов могут закорачиваться в звезду контактами 9 контактора закорачивания с катушкой 8 для получения характеристик близких к естественным, вторая ступень с резисторами 6 включена для двигательного режима, а третья ступень противовключения с резисторами 7, с возможностью их шунтирования контактами 11 контактора противовключения с катушкой 10, вторыми концами своих резисторов подключена к соединенным в треугольник тиристорам 13 регулирования скорости блока тиристоров 12, управляемых микроконтроллерной системой управления 16, к входу которой подключено устройство задания скорости 17, а также выходы датчиков частоты 14 и напряжения 15, которые в свою очередь подключены к выводам роторной цепи электродвигателя 4.
З
З
oc
Устройство задания скорости (джойстик или система автоматизации объекта) выдает напряжение задания U, уровень которого содержит информацию о требуемом направлении вращения электродвигателя и его скорости. Микроконтроллерная система управления анализирует значение U, формирует команду реверсивному контактору для работы электродвигателя на подъем (П) или спуск (С), управляет контакторами, обеспечивающими шунтирование ступени сопротивления противовключения и закорачивание концов невыключаемой ступени резисторов ротора электродвигателя, и управляет тиристорами блока тиристоров, обеспечивая регулирование скорости. Датчик напряжения реагирует на изменение скорости электродвигателя, выдавая напряжение обратной связи Uмикроконтроллерной системе управления для поддержания заданной скорости электродвигателя. Датчик частоты напряжения ротора обеспечивает сигнал обратной связи по частоте foe для реализации интегральной составляющей регулятора скорости, повышающей жесткость механических характеристик в установившихся режимах работы.
тр
тро
тро.
Особенность работы механизма подъема заключается в том, что груз всегда тянет вниз в направлении спуска. При отключенном и расторможенном электродвигателе падению груза препятствует только момент трения М механизма. Момент трения величина непостоянная. В неподвижном состоянии создается момент трогания механизма М. При движении механизма момент трения уменьшается. В дальнейшем изложении учитывается М
гр1.
гр2.
Если момент, создаваемый грузом, меньше момента трения, то для его спуска требуется двигательный режим работы двигателя на спуск. Такой груз условно назван легким, создаваемый им момент обозначен M, a режим такого спуска назван силовым спуском. Если же груз преодолевает момент трения, то для его спуска требуется работа двигателя в тормозном режиме. Такой груз условно назван тяжелым, создаваемый им момент обозначен М, а режим такого спуска назван тормозным спуском.
Принцип автоматизации управления поясняется на механических характеристиках электропривода для спуска легкого груза на фиг.2 и для спуска тяжелого груза на фиг.3.
Характеристики 1n, 2n и 3n (фиг.2) соответствуют установке устройства задания скорости в положение на подъем. Жирными линиями выделены участки характеристик, участвующие в работе модели. На невыделенных участках характеристик привод никогда не работает.
0
0
0
Характеристика 1n - искусственная характеристика электродвигателя при работе на подъем, соответствующая включению в ротор (для уменьшения токов в роторе в динамических режимах) невыключаемой ступени резисторов с сопротивлениями примерно равными активному сопротивлению фаз обмоток ротора. В дальнейшем изложении эта характеристика условно названа характеристикой близкой к естественной. На эту характеристику электродвигатель попадает только в случае, если электродвигатель имеет скорость ω>0,5ω, где ω - синхронная скорость электродвигателя. Характеристика 2n ограничивает максимальное значение момента при плавном регулировании скорости подъема в диапазоне от ω=0 до ω=0,5ω. Она соответствует случаю зашунтированной ступени сопротивления противовключения. Характеристика 3n формируется при плавном регулировании скорости подъема.
0
0
0
Характеристики 1с, 2с, 3с и 4с соответствуют установке устройства задания скорости в положение на спуск. Характеристика 1с как и 1n - характеристика близкая к естественной, но при работе на спуск. На эту характеристику электродвигатель попадает только в случае, если электродвигатель имеет скорость в диапазоне от ω=-0,5ω до ω=-ω. Характеристики 2с и 3с аналогичны и соответствуют включенной в цепь ротора ступени сопротивления противовключения. Характеристика 2с во 2-м квадранте ограничивает тормозной момент режима торможения противовключением электродвигателя, продолжающего еще вращаться в направлении подъема при снижении скорости. В 3-м квадранте она ограничивает максимальное значение момента при плавном регулировании скорости спуска легкого груза в диапазоне от ω=0 до ω=-0,5ω. Выделенная часть характеристики 3с соответствует случаю, когда устройство задания скорости дает задание на спуск, а микроконтроллерная система управления определила, что груз тяжелый, и статорную цепь электродвигателя переключила на подъем. Характеристика 4с формируется при плавном регулировании скорости спуска.
тро
гр1
На фиг.2 представлены переходы с характеристики на характеристику при изменении задания скорости подъема и спуска легкого груза. Момент трения (взят момент трения трогания М) больше момента M, создаваемого легким грузом. Рассмотрены два случая изменения режимов работы.
тро
гр1
тро
гр1
В первом случае вначале дается ступенчатое задание скорости для работы на характеристике 3n. Происходит создание пускового момента (точка 1) и двигатель разгоняется по характеристике 2n до точки 2. Потом продолжается разгон по характеристике 3n до точки 3, в которой момент двигателя М=М+М и разгон двигателя прекращается. Затем ступенчато изменяется задание скорости на спуск груза со скоростью на характеристике 4с. Переключается пускатель статора на спуск и из точки 3 происходит переход в точку 4 на характеристике 2с. Происходит торможение электродвигателя противовключением до точки 5, в которой изменяется направление вращения электродвигателя и по той же характеристике скорость спуска растет до точки 6, с которой происходит переход по характеристике 4с до точки 7, в которой М=М-M. Наконец, опять ступенчато задание скорости изменяется для подъема на характеристике 3n. Происходит переход от характеристики к характеристике по точкам 7-8-9-1-2-3.
Во втором случае рассмотрен подъем и спуск легкого груза на максимальной скорости. При ступенчатом задании максимальной скорости подъема происходит переход от характеристики к характеристике по точкам 1-10-11-12. Если при работе в точке 12 ступенчато задать максимальную скорость спуска, то переход от характеристики к характеристике происходит по точкам 12-13-14-15-16. Если затем вновь ступенчато дать задание на подъем с максимальной скоростью, то переход от характеристики к характеристике происходит по точкам 16-17-9-1-10-11-12. Таким образом, если груз легкий и не преодолевает при спуске момента трения, то никаких проблем со спуском и подъемом не возникает.
гр2
тро
Проблемы возникают при спуске тяжелого груза, так как он осуществляется при включении статорной цепи электродвигателя на подъем. На фиг.3 рассматривается спуск тяжелого груза, создающего при спуске момент М, превышающий момент трения трогания М. Назначение используемых характеристик описано при рассмотрении фиг.2. Дополнительно введена характеристика 5с, используемая для тормозного спуска такого груза в режиме торможения противовключением двигателя, статорная цепь которого включена на подъем.
Ниже рассматриваются при спуске тяжелого спуска те же режимы, как и при спуске легкого груза.
тро
гр2
гр2
тро
Вначале дается ступенчатое задание скорости для работы на характеристике 3n. Происходит создание пускового момента (точка 1) и двигатель разгоняется по характеристике 2n до точки 2. Потом продолжается разгон по характеристике 3n до точки 3, в которой момент двигателя М=M+М и разгон двигателя прекращается. Затем ступенчато изменяется задание скорости на спуск груза со скоростью на характеристике 4с. Переключается пускатель статора на спуск и из точки 3 происходит переход в точку 4 на характеристике 2с. Происходит торможение электродвигателя противовключением до точки 5, в которой изменяется направление вращения электродвигателя и по той же характеристике скорость спуска растет до точки 6, с которой происходит переход по характеристике 4с до точки 7. В точке 7 момент двигателя равен нулю и груз под действием своего веса разгоняется, и скорость спуска становится больше заданной. Микропроцессорная система управления по данным датчиков напряжения и частоты контролирует скорость спуска и при определенном значении превышения заданной скорости в точке 8 дает команду на переключение статорной цепи на подъем и задает задание на тормозной спуск по характеристике 5с. В точке 9 момент двигателя М=М-М и происходит спуск груза с установившейся скоростью. Наконец, опять ступенчато задание скорости изменяется для подъема на характеристике 3n. Происходит переход от характеристики к характеристике по точкам 9-10-11-1-2-3.
Рассмотрим случай, когда необходимо подъем и спуск тяжелого груза производить на максимальной скорости. При ступенчатом задании максимальной скорости подъема происходит переход от характеристики к характеристике по точкам 1-12-13-14. Если при работе в точке 14 ступенчато задать максимальную скорость спуска, то переход от характеристики к характеристике происходит по точкам 14-15-16-17-18. Двигатель будет работать в точке 18 в режиме рекуперативного торможения. Если затем вновь ступенчато дать задание на подъем с максимальной скоростью, то переход от характеристики к характеристике происходит по точкам 18-19-11-1-12-13-14.
При работе полезной модели решаются следующие задачи:
- автоматизация перехода с силового спуска на спуск тормозной в зависимости от момента, развиваемого грузом;
- реализация плавного регулирования скорости подъема при выборе слабины канатов и посадочных скоростей при спуске груза;
- исключение дросселя и переход на ступени резисторов в роторной цепи электродвигателя;
- повышение жесткости и стабильности механических характеристик электропривода при регулировании скорости;
- реализация режима рекуперативного торможения при спуске тяжелого груза.
Полезная модель предназначена для использования в электроприводах переменного тока на базе асинхронного электродвигателя с фазным ротором для подъемных механизмов кранов, бурильных установок и им подобным.