Частотно-регулируемый электропривод механизмов грузоподъёмных кранов

УДК 62-83:621.69

Е.В. Попов, канд. техн. наук, зав. лаб.,

ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД МЕХАНИЗМОВ ГРУЗОПОДЪЁМНЫХ КРАНОВ

Обобщен опыт использования частотно-регулируемого электропривода для механизмов грузоподъемных кранов. Рассмотрены особенности построения частотно-регулируемых крановых электроприводов, выбора электродвигателей и преобразователей частоты.

Ключевые слова: частотно-регулируемый электропривод, электродвигатель и преобразователь частоты.

Частотно-регулируемый электропривод за последнее десятилетие получил преимущественное применение, как при разработке проектов новых грузоподъемных кранов, так и при модернизации существующих.

Внедрение преобразователей частоты (ПЧ) позволило получить любой требуемый для крановых механизмов диапазон регулирования скорости, как в двигательном, так и в тормозном режимах работы, что ранее достигалось лишь в случае применения электропривода постоянного тока. Повысилось удобство управления краном, существенно увеличился ресурс механических передач, тормозов и металлоконструкций из-за снижения динамических нагрузок при пусках и торможениях механизмов.

В крановом электроприводе наибольшее распространение получили преобразователи частоты ведущих мировых электротехнических фирм. Большинство из них в числе прикладных функций имеют специализированные «крановые»: управление тормозом, подъем с повышенной скоростью, предотвращение ослабевания грузового каната и т.д.

Задачей разработчика электропривода является выбор модели ПЧ, в наибольшей степени отвечающей поставленной задаче и творческое применение заложенных в ПЧ функций.

За прошедшие годы в России созданы сотни работоспособных кранов, механизмы которых оборудованы частотнорегулируемым электроприводом. Однако проектирование при этом проводилось зачастую интуитивно, без анализа режимов работы крановых механизмов, а также без обоснования выбора основных компонентов электропривода: электродвигателя, преобразователя частоты, устройств рассеяния или рекуперации энергии.

При разработке новых и модернизации действующих кранов наметилось два подхода к внедрению частотнорегулируемого электропривода.

Первый из них подразумевает однозначное его применение вне зависимости от требуемого диапазона регулирования, режима работы, условий эксплуатации. В этом случае на всех механизмах применяются специальные (во многих случаях импортные) электродвигатели со встроенными датчиками скорости, встроенными тормозами, принудительной вентиляцией и устройствами обогрева. Наряду с преобразователями частоты вся остальная аппаратура (вплоть до тормозных резисторов) применяется также зарубежного производства. В многодвигательном электроприводе применяются индивидуальные преобразователи для каждого электродвигателя. Во многих случаях применяются устройства рекуперации энергии. Стоимость такого проекта достаточно велика, однако в докризисные времена была приемлема для предприятий сырьевого и энергетического комплексов. Такой подход позволяет выработать одно типовое решение и многократно тиражировать его (изменяя лишь мощность электродвигателей и преобразователей). И если для интенсивно работающих и специальных кранов, например в металлургии это оправдано, то для кранов общего назначения и редко используемых приводит к неоправданному увеличению стоимости и недоиспользованию заложенных в проект возможностей.

Второй подход, используемый в частности ООО «Кранприборсер-вис», базируется на дифференцированном подходе к выбору оборудования в зависимости от назначения, условий работы и предполагаемого срока службы крана.

При этом используются следующие проверенные многолетней практикой принципы проектирования:

1. Для подавляющего большинства кранов реально необходимый диапазон регулирования скорости не превышает 50:1. Номинальная скорость механизмов подъема кранов мостового типа общего назначения не превышает, как правило, 15 м/мин (0,25 м/с). Значение посадочной скорости нормируется только для башенных кранов и составляет 4,8 м/мин. Такая скорость позволяет производить монтажные операции средней точности. Таким образом, указанная скорость в электроприводе механизмов подъема кранов мостового типа достигается при диапазоне регулирования чуть более чем 3:1. Установив диапазон регулирования скорости 20:1, получаем электропривод, позволяющий обеспечить весьма малую посадочную скорость, что для кранов общего назначения не является насущной необходимостью. Монтажные же краны большой грузоподъемности имеют более низкие номинальные скорости, например, 1,4 м/мин (0,023 м/с). Оче-

видно, что уже при диапазоне 10:1 возможно обеспечить монтажные операции с высокой точностью.

Башенные краны из-за большой высоты подъема имеют более высокие номинальные скорости - например 30 м/мин (0,5 м/с), однако и в этом случае требуемый диапазон не превышает 20:1. При этом появляется необходимость в регулировании скорости вверх от номинальной в диапазоне не менее чем 2:1 для ускоренного перемещения легких грузов и опускания пустого крюка.

Механизмы передвижения кранов и тележек кранов мостового типа имеют номинальные скорости от 50 до 75 м/мин (0,83 ... 1,25 м/с). Реально требуемый диапазон также не превышает 50:1.

Такой диапазон регулирования скорости достигается в современном частотнорегулируемом электроприводе при векторном бездатчиковом управлении. Это позволяет использовать крановые асинхронные коротко-замкнутые электродвигатели без датчиков скорости (энкодеров), что существенно снижает их стоимость и повышает надежность всей системы. Следует заметить, что энкодеры в крановом электроприводе являются наименее надежным элементом, выход их из строя происходит достаточно часто.

Что касается защиты от падения груза, обеспечиваемой энкодерами в электроприводе механизма подъема, например, в случае неотрегулированного тормоза, то данная задача является больше организационной, чем технической. Тормоз механизма подъема (как и любой другой) должен быть всегда исправен и отрегулирован - это одна из главных обязанностей эксплуатационного персонала. Например, в системах Г-Д падение и даже движение груза вниз при неотрегулированном тормозе исключено до тех пор, пока работает генератор. Длительный опыт эксплуатации таких систем показал, что обслуживающий персонал вообще перестает следить за регулировкой тормоза. Итог - падение груза с разносом электродвигателя при обесточивании крана, причем количество таких случаев достаточно велико. Напротив, в более простых электроприводах таких случаев не отмечено, поскольку неправильная регулировка тормоза быстро выявляется эксплуатационным персоналом.

В любом правильно спроектированном частотно-регулируемом крановом электроприводе тормоз и так накладывается при скорости, близкой к нулю, а значит, тормозные элементы практически не изнашиваются. Тем не менее, функции безопасности, реализуемые в системах с обратной связью по скорости чрезвычайно полезны.

2. Отечественные крановые электродвигатели серий (4)МТКБ, (4)МТКН показали свою достаточную надежность при работе в частотно-

регулируемом электроприводе. Поскольку большую часть цикла электроприводы кранов общего назначения работает на номинальной скорости, в большинстве случаев возможно применение электродвигателей с самовентиляцией. Таким образом, вопреки сложившемуся мнению, обязательное применение двигателей с независимой вентиляцией в крановом частотно-регулируемом электроприводе не требуется. Опыт ООО «Кранприборсер-вис» свидетельствует, что при модернизации кранов допустимо использовать существующие электродвигатели с фазным ротором с закороченными контактными кольцами.

3. Для кранов мостового типа общего назначения с наиболее распространенными пролетами (до 34,5 м) целесообразно использовать один преобразователь для питания параллельно включенных электродвигателей механизмов передвижения. Поскольку статический момент даже при перемещении номинального груза не превышает 50 % от номинального момента, требуемый диапазон регулирования скорости в большинстве случаев удается получить при скалярном принципе управления.

4. Отечественные крановые резисторы, используемые ранее в составе электроприводов на базе двигателя с фазным ротором, показали свою пригодность в случае их применении в качестве тормозных в составе час-тотнорегулируемого электропривода. При этом их стоимость заметно меньше, чем стоимость аналогичных зарубежных изделий.

5. Устройства рекуперации целесообразно применять при режиме работы крана от 7К и выше. При этом наибольший эффект достигается на кранах имеющих в цикле работы режим опускания тяжелого грузозахватного органа - например грейфера. Использование устройств рекуперации на кранах общего назначения режимов до 5К как правило, не позволяет получить существенной экономии электроэнергии, срок окупаемости при этом может достигать десятков лет. На башенных кранах применение устройств рекуперации не только невыгодно (длительно опускается только пустой крюк), но и чревато потерей работоспособности при питании от передвижных электростанций.

Применение указанного подхода позволяет разумно сочетать современную зарубежную преобразовательную технику с отечественными изделиями, показавшими свою высокую надежность - электродвигателями, резисторами и некоторыми образцами электрической аппаратуры.

Казалось бы, что все вопросы, связанные с применением преобразователей частоты в крановом электроприводе решены. Однако остается ряд вопросов, решение которых может повысить технические и эксплуатационные характеристики электропривода:

1. В ПЧ, применяемых на кранах, целесообразно иметь функцию контроля исправности механического тормоза без применения датчика скорости (векторное бездатчиковое управление). В частности, в ООО «Кранприборсервис» такой алгоритм разработан с использованием стандартных функций ПЧ и в настоящее время проходит стендовую проверку. Однако более желательным было бы иметь подобную функцию в наборе пользовательских настроек.

Необходимо повысить быстродействие защит ПЧ при авариях, могущих привести к потере момента, например, при обрыве фазы на выходе ПЧ, при больших провалах напряжения.

2. Необходимо уточнить методику выбора электродвигателей применительно к особенностям частотнорегулируемого электропривода. С одной стороны, существенно снижаются пусковые потери, с другой стороны, увеличиваются потери от несинусоидальной формы тока, а также появляются участки цикла, где электропривод работает в режиме электрического торможения. В настоящее время разработчики применяют электродвигатели с независимой вентиляцией выбранные «с запасом», без учета реального режима работы. Желательно определить области применения электродвигателей с независимой и самовентиляцией применительно к типам кранов и режимам работы механизмов.

3. Необходимо разобраться, в чем же преимущества специализированных частотно-регулируемых крановых электродвигателей и оправдано ли увеличение их цены по сравнению с обычными крановыми. В чем, за исключением неочевидных преимуществ конструкции (скос пазов, конструкция клетки), их потребительские свойства отличны от обычных двигателей. Отечественные крановые электродвигатели серий (4)МТКБ, (4)МТКН показали свою достаточную надежность при работе в частотно-регулируемом электроприводе.

Поскольку основным способом управления для электроприводов механизмов подъема является векторный, очевидно, что значения перегрузочной способности и пускового момента двигателя на естественной характеристике могут не нормироваться - они формируются системой управления ПЧ. Таким образом, характеристики кранового частотнорегу-лируемого двигателя могут быть идентичны к аналогичным характеристикам двигателей общепромышленного исполнения режима Б1. При этом из-за меньшей перегрузочной способности и соответственно меньшего значения тока холостого хода в ряде случаев возможно уменьшение габарита ПЧ. В последнее время некоторые разработчики используют для механизмов подъема именно общепромышленные машины режима 51. Однако конструкция таких машин не предназначена для работы в повторно-

кратковременном режиме (крепление обмоток, пакета ротора, запас прочности деталей и т.д.). Можно сделать вывод, что крановый частотнорегу-лируемый электродвигатель для применения в электроприводе механизмов подъема должен иметь перегрузочную способность как у общепромышленных электродвигателей, а конструкцию как у крановых.

Для многодвигательных механизмов передвижения в случае питания параллельно включенных электродвигателей от одного ПЧ применяются, как правило, скалярные законы управления. В этом случае повышенная перегрузочная способность традиционных крановых электродвигателей позволяет получить больший диапазон регулирования скорости по сравнению с двигателями общепромышленного исполнения.

4. С учетом низкой перегрузочной способности силовых полупроводниковых приборов мощность устройств рекуперации выбирается в настоящее время исходя из пиковой мощности торможения в переходном процессе. Переходный процесс торможения занимает в цикле работы механизма подъема весьма небольшое время, значительно меньшее, чем время опускания груза с установившейся скоростью. Поэтому большую часть устройство рекуперации, выбранное по пиковой мощности, недогружено по току.

Представляется целесообразным иметь в составе электропривода с рекуперацией энергии также тормозной резистор, служащий для «срезания» пиков тока при торможении. Поскольку резистор допускает существенную кратковременную перегрузку, его мощность и габариты могут быть невелики. Мощность устройства рекуперации при этом может выбираться исходя из установившегося режима.

Список литературы

1. Электрооборудование грузоподъемных кранов / Е.М. Певзнер [и др.] под ред. Г.Б. Онищенко М.: Россельхозакадемия, 2009. 360с.

E. Popov, G. Onischenko

The frequency-regulated electric drive of mechanisms of load-lifting cranes

Experience in development, production and application of frequency controlled electric drive of crane devices is presented. It is paid attention to peculiarity of crane electrodrive design and choice of motors and converters.

Keywords: frequency controlled electric drive, motors and converters of frequency.

Получено 06.07.10