Azionamento elettrico automatizzato dei meccanismi della gru con controllo a tiristori

I moderni sistemi di azionamento elettrico dei meccanismi delle gru sono implementati principalmente utilizzando motori asincroni, la cui velocità è controllata dal metodo relè-contattore introducendo resistenze nel circuito del rotore. Tali azionamenti elettrici hanno un campo di controllo della velocità ridotto e durante l'avvio e l'arresto creano grandi scosse e accelerazioni, che influiscono negativamente sulle prestazioni della struttura della gru, portano all'oscillazione del carico e limitano l'uso di tali sistemi su gru con maggiore altezza e sollevamento capacità.

Lo sviluppo della tecnologia dei semiconduttori di potenza consente di introdurre soluzioni fondamentalmente nuove nella struttura dell'azionamento elettrico automatizzato delle installazioni di gru. Attualmente, sui meccanismi di sollevamento e movimentazione di gru a torre e carriponte - sistema TP - D.

La velocità del motore in tali sistemi è regolata nell'intervallo (20 ÷ 30): I modificando la tensione di armatura. Allo stesso tempo, durante i processi transitori, il sistema garantisce che le accelerazioni e i calci siano ottenuti entro le norme specificate.

Buone qualità di regolazione si manifestano anche in un azionamento elettrico asincrono, quando un convertitore a tiristori è collegato al circuito dello statore di un motore asincrono (AM). La modifica della tensione dello statore del motore in un ACS chiuso consente di limitare la coppia di avviamento, ottenendo un'accelerazione (decelerazione) regolare dell'azionamento e il necessario intervallo di controllo della velocità.

L'uso di convertitori a tiristori nell'azionamento elettrico automatizzato dei meccanismi delle gru è sempre più utilizzato nella pratica nazionale ed estera. Per conoscere il principio di funzionamento e le possibilità di tali installazioni, soffermiamoci brevemente su due varianti di schemi di controllo per motori CC e CA.

Nella fig. 1 mostra un diagramma schematico del controllo a tiristori di un motore CC ad eccitazione indipendente per un meccanismo di sollevamento di un carroponte. L'armatura del motore è alimentata da un convertitore a tiristori reversibile, che consiste in un trasformatore di potenza Tr, che serve a far corrispondere la tensione del convertitore e il carico, due gruppi di tiristori T1 — T6 e T7 — ​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​, reattori di livellamento 1UR e 2UR, che sono entrambi reattori di livellamento resi insaturi .

Riso. 1. Schema dell'azionamento elettrico della gru secondo il sistema TP-D.

Il gruppo di tiristori T1 - T6 funziona come un raddrizzatore durante il sollevamento e un inverter durante l'abbassamento di carichi pesanti, poiché la direzione della corrente nel circuito dell'indotto del motore per queste modalità è la stessa. Il secondo gruppo di tiristori T7 - ​​​​T12, fornendo la direzione opposta della corrente di armatura, funziona come raddrizzatore durante lo spegnimento e nelle modalità transitorie di avviamento del motore per abbassare i freni, come inverter quando si ferma durante il sollevamento carichi o gancio.

A differenza dei meccanismi per le gru mobili, dove i gruppi di tiristori devono essere gli stessi, per i meccanismi di sollevamento, la potenza dei tiristori del secondo gruppo può essere ridotta rispetto al primo, poiché la corrente del motore durante lo spegnimento è molto inferiore rispetto al sollevamento e all'abbassamento di carichi pesanti carichi.

La regolazione della tensione raddrizzata del convertitore a tiristori (TC) viene effettuata utilizzando un sistema di controllo della fase dell'impulso a semiconduttore costituito da due blocchi SIFU-1 e SIFU-2 (Fig. 1), ciascuno dei quali fornisce due impulsi di accensione al corrispondente tiristore sfalsato di 60 °.

Per semplificare il sistema di controllo e aumentare l'affidabilità dell'azionamento elettrico, questo schema utilizza il controllo coordinato del TP reversibile. Per questo, le caratteristiche gestionali ei sistemi di gestione dei due gruppi devono essere strettamente collegati. Se gli impulsi di sblocco vengono forniti ai tiristori T1 - T6, fornendo la modalità di funzionamento correttiva di questo gruppo, gli impulsi di sblocco vengono forniti ai tiristori T7 - ​​​​T12 in modo che questo gruppo sia preparato per il funzionamento dall'inverter.

Gli angoli di controllo α1 e α2 per qualsiasi modalità operativa del TP devono essere modificati in modo tale che la tensione media del gruppo raddrizzatore non superi la tensione del gruppo inverter, ovvero se questa condizione non è soddisfatta, la corrente di equalizzazione raddrizzata scorrerà tra i due gruppi di tiristori, che carica ulteriormente le valvole e il trasformatore e può anche causare l'intervento della protezione.

Tuttavia, anche con la corretta corrispondenza degli angoli di controllo α1 e α2 dai tiristori dei gruppi raddrizzatore e inverter, è possibile il flusso di una corrente di equalizzazione alternata a causa della disuguaglianza dei valori istantanei delle tensioni UαB e UαI. Per limitare questa corrente di equalizzazione vengono utilizzate le reattanze di equalizzazione 1UR e 2UR.

La corrente di armatura del motore passa sempre attraverso uno dei reattori, per cui le increspature di questa corrente si riducono e il reattore stesso è parzialmente saturo. Il secondo reattore, attraverso il quale attualmente scorre solo la corrente di equalizzazione, rimane insaturo e limita iyp.

L'azionamento della gru elettrica a tiristori ha un sistema di controllo a circuito singolo (CS) realizzato utilizzando un amplificatore magnetico sommatore reversibile ad alta velocità SMUR, che è alimentato da un generatore di tensione rettangolare con una frequenza di 1000 Hz. In presenza di un'interruzione di corrente, un tale sistema di controllo consente di ottenere soddisfacenti caratteristiche statiche ed elevata qualità dei processi transitori.

Il sistema di controllo dell'azionamento elettrico contiene un feedback negativo per la tensione e la corrente del motore intermittente, oltre a un debole feedback positivo per la tensione Ud.Il segnale nel circuito delle bobine di pilotaggio SMUR è determinato dalla differenza tra la tensione di riferimento Uc proveniente dal resistore R4 e la tensione di retroazione αUd prelevata dal potenziometro POS. Il valore e la polarità del segnale di comando, che determina la velocità e il senso di rotazione dell'azionamento, è regolato dal controller KK.

La tensione inversa Ud viene interrotta mediante diodi zener al silicio collegati in parallelo con gli avvolgimenti principali dello SMUR. Se la differenza di tensione Ud — aUd è maggiore di Ust.n, allora i diodi zener conducono corrente e la tensione delle bobine di controllo diventa uguale a Uz.max = Ust.n.

Da questo punto in poi, la variazione del segnale aUd per diminuire non influisce sulla corrente negli avvolgimenti principali dello SMUR, cioè la retroazione negativa per la tensione Ud non funziona, cosa che solitamente avviene a correnti motore Id> (1.5 ÷ 1.8) Id .n.

Se il segnale di retroazione aUd si avvicina al segnale di riferimento Uz, allora la tensione sui diodi zener diventa minore di Ust.n e la corrente non li attraversa. La corrente negli avvolgimenti principali dello SMUR sarà determinata dalla differenza di tensione U3 — aUd e in questo caso entra in gioco la retroazione di tensione negativa.

Il segnale di retroazione della corrente negativa viene prelevato da due gruppi di trasformatori di corrente TT1 - TT3 e TT4 - TT8, che lavorano rispettivamente con gruppi di tiristori T1 - T6 e T7 - ​​​​​​T12. Nell'interruttore di corrente BTO, la tensione alternata trifase U2TT ≡ Id ottenuta sui resistori R viene raddrizzata e tramite i diodi zener, che fungono da tensione di riferimento, il segnale Uto.s viene inviato agli avvolgimenti di corrente dello SMUR , abbassando il risultato risultante all'ingresso dell'amplificatore.Ciò riduce la tensione del convertitore Ud e limita la corrente del circuito di armatura Id in modalità statica e dinamica.

Per ottenere un elevato fattore di riempimento delle caratteristiche meccaniche ω = f (M) dell'azionamento elettrico e per mantenere un'accelerazione (decelerazione) costante nei modi transitori, oltre ai collegamenti sopra elencati, viene applicata una retroazione positiva nel circuito per tensione.

Il fattore di guadagno di questa connessione è scelto kpn = 1 / kpr ≈ ΔUy / ΔUd. in accordo con il tratto iniziale della caratteristica Ud = f (Uy) del convertitore, ma con un ordine inferiore al coefficiente α della retroazione negativa su Ud. L'effetto di questa relazione si manifesta principalmente nell'attuale zona di discontinuità, fornendo sezioni ripide dell'elemento.

Nella fig. 2, a mostra le caratteristiche statiche dell'azionamento del paranco per diversi valori della tensione di riferimento U3 corrispondenti a diverse posizioni del controller.

In prima approssimazione si può presumere che nelle modalità di transizione start, reverse e stop, il punto operativo negli assi delle coordinate ω = f (M) si muova lungo la caratteristica statica. Quindi l'accelerazione del sistema:

dove ω è la velocità angolare, Ma è il momento sviluppato dal motore, Mc è il momento di resistenza del carico in movimento, ΔMc è il momento delle perdite negli ingranaggi, J è il momento di inerzia ridotto all'albero motore.

Se ignoriamo le perdite di trasmissione, la condizione per l'uguaglianza dell'accelerazione all'avvio del motore su e giù, così come quando ci si ferma da su e giù è l'uguaglianza dei momenti dinamici dell'azionamento elettrico, ovvero Mdin.p = Mdin.s.Per soddisfare questa condizione, le caratteristiche statiche dell'azionamento del paranco devono essere asimmetriche rispetto all'asse della velocità (Mstop.p> Mstop.s) e avere un fronte ripido nella regione del valore del momento frenante (Fig. 2, a) .

Riso. 2. Caratteristiche meccaniche dell'azionamento elettrico secondo il sistema TP-D: a - meccanismo di sollevamento, b - meccanismo di movimento.

Per gli azionamenti dei meccanismi di traslazione della gru si deve tener conto della natura reattiva del momento resistente, che non dipende dalla direzione di marcia. A parità di coppia del motore, la coppia di resistenza reattiva rallenterà il processo di avviamento e accelererà il processo di arresto dell'azionamento.

Per eliminare questo fenomeno, che può portare allo slittamento delle ruote motrici e alla rapida usura delle trasmissioni meccaniche, è necessario mantenere accelerazioni approssimativamente costanti durante l'avviamento, la retromarcia e l'arresto nei meccanismi di guida. Ciò si ottiene ottenendo le caratteristiche statiche ω = f (M) mostrate in Fig. 2, b.

I tipi specificati di caratteristiche meccaniche dell'azionamento elettrico possono essere ottenuti variando corrispondentemente i coefficienti di retroazione di corrente negativa Id e retroazione di tensione positiva Ud.

Lo schema di controllo completo dell'azionamento elettrico controllato da tiristori del carroponte include tutti i collegamenti di interblocco e i circuiti di protezione discussi negli schemi forniti in precedenza.

Quando si utilizza TP nell'azionamento elettrico dei meccanismi della gru, è necessario prestare attenzione alla loro alimentazione.La notevole natura non sinusoidale della corrente consumata dai convertitori provoca una distorsione della forma d'onda della tensione all'ingresso del convertitore. Queste distorsioni influenzano il funzionamento della sezione di potenza del convertitore e del sistema di controllo della fase di impulso (SPPC). La distorsione della forma d'onda della tensione di rete provoca un notevole sottoutilizzo del motore.

La distorsione della tensione di alimentazione ha un forte effetto su SPPD, soprattutto in assenza di filtri di ingresso. In alcuni casi, queste distorsioni possono far sì che i tiristori si aprano completamente in modo casuale. Questo fenomeno può essere eliminato al meglio alimentando la SPPHU da carrelli separati collegati a un trasformatore che non ha un carico raddrizzatore.

I possibili modi di utilizzare i tiristori per controllare la velocità dei motori asincroni sono molto diversi: si tratta di convertitori di frequenza a tiristori (inverter autonomi), regolatori di tensione a tiristori inclusi nel circuito dello statore, regolatori di impulsi di resistenza e correnti nei circuiti elettrici, ecc.

Negli azionamenti elettrici delle gru vengono utilizzati principalmente regolatori di tensione a tiristori e regolatori di impulsi, a causa della loro relativa semplicità e affidabilità, tuttavia l'uso di ciascuno di questi regolatori separatamente non soddisfa pienamente i requisiti per gli azionamenti elettrici dei meccanismi delle gru.

Infatti, quando nel circuito del rotore di un motore a induzione viene utilizzato solo un regolatore di resistenza all'impulso, è possibile prevedere una zona di regolazione limitata da naturale e corrispondente alle caratteristiche meccaniche del reostato di impedenza, cioèla zona di regolazione corrisponde alla modalità motoria e alla modalità di opposizione con riempimento incompleto I e IV o III e II quadrante del piano delle caratteristiche meccaniche.

L'uso di un regolatore di tensione a tiristori, soprattutto reversibile, fornisce sostanzialmente una zona di controllo della velocità che copre l'intera parte operativa del piano M, ω da -ωn a + ωn e da - Mk a + Mk. Tuttavia, in questo caso, ci saranno significative perdite di scorrimento nel motore stesso, il che porta alla necessità di sovrastimare notevolmente la sua potenza installata e, di conseguenza, le sue dimensioni.

A questo proposito, vengono creati sistemi di azionamento elettrico asincrono per meccanismi di gru, in cui il motore è controllato da una combinazione di regolazione a impulsi della resistenza nel rotore e variazioni della tensione fornita allo statore. Questo riempie i quattro quadranti delle prestazioni meccaniche.

Un diagramma schematico di tale controllo combinato è mostrato in Fig. 3. Il circuito del rotore include un circuito di controllo dell'impulso di resistenza nel circuito a corrente raddrizzata. I parametri del circuito sono selezionati per garantire il funzionamento del motore nei quadranti I e III nelle aree comprese tra il reostato e le caratteristiche naturali (in Fig. 4, ombreggiato con linee verticali).

Riso. 3. Schema di un azionamento elettrico della gru con regolatore a tiristori della tensione dello statore e controllo dell'impulso della resistenza del rotore.

Per il controllo della velocità nelle zone comprese tra le caratteristiche del reostato e l'asse della velocità ombreggiate da linee orizzontali in fig. 4, oltre che per l'inversione del motore, viene utilizzato un regolatore di tensione a tiristori, costituito da coppie di tiristori antiparalleli 1—2, 4—5, 6—7, 8—9, 11—12.La modifica della tensione fornita allo statore viene effettuata regolando l'angolo di apertura delle coppie di tiristori 1-2, 6-7, 11-12-per un senso di rotazione e 4-5, 6-7, 8-9-per l'altro direzione di rotazione.

Riso. 4. Regole per il controllo combinato di un motore a induzione.

Per ottenere caratteristiche meccaniche rigide e per limitare le coppie del motore, il circuito fornisce un feedback di velocità e corrente di rotore rettificato fornito da un tachogeneratore TG e un trasformatore DC (amplificatore magnetico) TPT

È più facile riempire l'intero I quadrante collegando un condensatore con resistenza R1 in serie (Fig. 3). In questo caso, la resistenza equivalente nella corrente rotorica raddrizzata può variare da zero a infinito e quindi la corrente rotorica può essere controllata dal valore massimo a zero.

L'intervallo di regolazione della velocità del motore in tale schema si estende all'asse delle ordinate, ma il valore della capacità del condensatore risulta essere molto significativo.

Per riempire l'intero I quadrante a valori di capacità inferiori, la resistenza del resistore R1 è suddivisa in fasi separate. Nel primo stadio viene successivamente introdotta la capacità, che viene attivata a basse correnti. I passaggi vengono rimossi con un metodo a impulsi, seguito da un cortocircuito di ciascuno di essi tramite tiristori o contattori. Il riempimento dell'intero I quadrante può essere ottenuto anche combinando le variazioni di resistenza a impulsi con il funzionamento a impulsi del motore. Tale schema è mostrato in fig. 5.

Nell'area compresa tra l'asse della velocità e la caratteristica del reostato (Fig. 4), il motore funziona in modalità a impulsi.Allo stesso tempo, gli impulsi di controllo non vengono forniti al tiristore T3 e rimane sempre chiuso. Il circuito che realizza la modalità a impulsi del motore è costituito da un tiristore funzionante T1, un tiristore ausiliario T2, un condensatore di commutazione C e resistori R1 e R2. Quando il tiristore T1 è aperto, la corrente scorre attraverso il resistore R1. Il condensatore C viene caricato a una tensione pari alla caduta di tensione su R1.

Quando un impulso di controllo viene applicato al tiristore T2, la tensione del condensatore viene applicata nella direzione opposta al tiristore T1 e lo chiude. Allo stesso tempo, il condensatore viene ricaricato. La presenza dell'induttanza del motore porta al fatto che il processo di ricarica del condensatore è di natura oscillatoria, per cui il tiristore T2 si chiude da solo senza dare segnali di controllo e il circuito del rotore risulta aperto. Quindi viene applicato un impulso di controllo al tiristore T1 e tutti i processi vengono ripetuti nuovamente.

Riso. 5. Schema di controllo combinato ad impulsi di un motore asincrono

Pertanto, con la fornitura periodica di segnali di controllo ai tiristori, per una parte del periodo, una corrente scorre nel rotore, determinata dalla resistenza del resistore R1. Nell'altra parte del periodo, il circuito del rotore risulta aperto, la coppia sviluppata dal motore è nulla e il suo punto di lavoro è sull'asse della velocità. Modificando la durata relativa del tiristore T1 durante il periodo, è possibile ottenere il valore medio della coppia sviluppata dal motore da zero al valore massimo corrispondente al funzionamento della caratteristica del reostato quando il rotore R1 viene introdotto nel circuito

Utilizzando varie retroazioni, è possibile ottenere caratteristiche del tipo desiderato nella regione compresa tra l'asse della velocità e la caratteristica del reostato. La transizione alla regione tra il reostato e le caratteristiche naturali richiede che il tiristore T2 rimanga sempre chiuso e il tiristore T1 rimanga sempre aperto. Cortocircuitando la resistenza R1 utilizzando un interruttore con il tiristore principale T3, è possibile modificare dolcemente la resistenza nel circuito del rotore dal valore R1 a 0, fornendo così una caratteristica naturale del motore.

La modalità a impulsi del motore commutato nel circuito del rotore può essere eseguita anche in modalità di frenatura dinamica. Utilizzando retroazioni diverse, in questo caso, nel II quadrante, si possono ottenere le caratteristiche meccaniche desiderate. Con l'aiuto dello schema di controllo logico, è possibile eseguire una transizione automatica del motore da una modalità all'altra e riempire tutti i quadranti delle caratteristiche meccaniche.