книги / Тиристорный электропривод для кранов

Р. П. ГЕРАСИМЯК

ТИРИСТОРНЫЙ

ЭЛЕКТРОПРИВОД ДЛЯ КРАНОВ

МОСКВА «ЭНЕРГИЯ» 1978

ПРЕДИСЛОВИЕ

В настоящее время тиристорные электроприводы применяются во многих производственных механизмах. Однако большое разнообразие тиристорных электропри­ водов, их различие по техническим характеристикам, сложности, надежности, экономическим показателям требуют технико-экономического обоснования их при­ менения для кранов. В предлагаемой книге вниманию читателей на основании работ, проводимых на пред­ приятиях электротехнической промышленности, в специа­ лизированных научных организациях, а также в вузах, и трудов ряда передовых зарубежных фирм показаны особенности тех систем тиристорного электропри­ вода, которые могут быть применены для кранов, сде­ лана их критическая оценка и по возможности — сравни­ тельный анализ. Ввиду сохранившейся тенденции при­ менения на кранах приводов переменного тока здесь большее внимание уделено асинхронному тиристорному электроприводу.

Необходимо подчеркнуть, что вследствие ограничен­ ного объема книги в ней почти не нашли отражения теоретические вопросы тиристорного электропривода. Значительная часть материала книги базируется на раз­ работках Одесского политехнического института, в ко­ торых принимали участие научные сотрудники и вы­ пускники кафедры «Электропривод и автоматизация промышленных установок». Автор приносит им свою благодарность.

Автор признателен редактору канд. техн. наук В. Н. Грасевичу, взявшему на себя труд по редактиро­

ванию книги.

Все замечания и пожелания по содержанию книги просим направлять в адрес издательства «Энергия»:

113114, Москва, М-114, Шлюзовая наб., 10.

Автор

з

ВВЕДЕНИЕ

На строительных площадках и складах, в цехах за­ водов, портах, на судах работают краны, осуществляю­ щие перегрузочные, монтажные, всевозможные вспомо­ гательные и технологические операции. Широкое применение кранов в народном хозяйстве, различные условия их эксплуатации определяют многообразие кон­ струкций и основных параметров. Так, если у талей гру­ зоподъемностью 0,3—0,5 т (подъемная сила 3—5 кН) используются двигатели мощностью несколько десятков ватт, то на монтажных козловых кранах грузоподъем­ ностью до 800 т и плавучих до 1000 т требуемая сум­ марная мощность двигателей 600—1000 кВт. В то время как основная скорость механизмов подъема тяжелых мостовых кранов составляет 0,4—0,6 м/мин, соответст­ вующие скорости подъема башенных кранов, предназна­ ченных для высотного строительства, доходят до 100 м/мин, а мостовых перегружателей — до 120 м/мин. Так же сильно различаются частоты вращения стрело­ вых кранов (0,3—2 об/мин), высоты подъема грузов

(5—110 м) и т. д.

В связи с интенсификацией производства в послед­ ние годы заметно вырос объем транспортных и подъем­ но-транспортных операций; последнее привело к тому, что этими работами занято 20% всех работников про­ мышленности и транспорта [Л. 34]. В дальнейшем предполагается значительно увеличить производство кранов. Все это приводит к необходимости повышения производительности подъемно-транспортных операций и автоматизации управления кранами. Можно предста­ вить, какую роль призван сыграть рост производитель­ ности портовых и судовых кранов, если учесть, что 20— 40% общего периода эксплуатации судна находятся под погрузкой-разгрузкой [Л. 42].

Работа крановых механизмов определяется назначе­ нием крана и условиями производственного процесса.

Для улучшения эксплуатационных показателей кранов (точности работы, производительности), а также повы­ шения надежности оборудования, упрощения управле­ ния следует совершенствовать их электропривод. Рост грузоподъемности кранов, увеличение их рабочих скоро­ стей, стремление повысить среднюю загрузку кранов созданием, например, системы контейнерных перевозок и специальных контейнерных кранов (при этом произ­ водительность перегрузочных операций может достигать 1000 т/ч), а также необходимость автоматизации управ­ ления обусловливают в ряде случаев жесткие требо­ вания к электроприводу основных крановых меха­ низмов.

К основным относятся такие механизмы, которые, не­ посредственно участвуя в подъемно-транспортных опе­ рациях, определяют их темп и качество (механизмы подъема, передвижения мостов, тележек и т. п.).

Механизмы подъема. К механизмам подъема предъ­ являются следующие требования [Л. 6]:

1. Работа двигателя при спуске осуществляется в двигательном либо тормозном режимах в зависимости от веса груза; переход от одного режима к другому должен осуществляться автоматически при любых тре­ буемых скоростях.

2. Согласно правилам устройства кранов у всех вновь изготовляемых грузоподъемных машин, предна­ значенных для выполнения монтажных и других работ, требующих точности и осторожности при посадке гру­ зов, должны быть предусмотрены соответствующие ма­ лые скорости механизмов подъема и перемещения. Диа­ пазон регулирования скорости должен быть таким, что­ бы обеспечить мягкую посадку перемещаемого груза либо точную установку деталей; он может составлять от (3^5) 1 до 50 : 1.

3. Число устойчивых рабочих скоростей определяется назначением крана и диапазоном регулирования. По­ мимо основной могут потребоваться еще одна — три устойчивые скорости.

4. Для некоторых кранов с большой высотой подъе­ ма и относительно длительными операциями с легкими грузами либо без груза привод должен обеспечивать повышенную скорость подъема и спуска пустого крюка; это превышение может составлять 1,5—3 по отношению к номинальной скорости, причем желательно, чтобы,

начиная с определенного веса груза, скорость росла по гиперболическому закону.

5.Привод должен обеспечивать плавный выбор сла­ бины каната, не допуская подъема груза «с подхватом».

6.Во избежание чрезмерных нагрузок в звеньях кинематики при переходе на пониженные скорости

подъема или спуска либо остановке желательно осу­ ществлять электрическое торможение механизма с ре­ гулируемым тормозным моментом.

Механизмы передвижения (поворота). К механизмам передвижения (поворота) предъявляются следующие требования [Л. 6]:

1.Некоторые краны, осуществляющие монтажные операции, должны иметь одну устойчивую пониженную скорость, составляющую 10—25% номинальной.

2.Электропривод кранов, работающих на открытом воздухе, должен иметь возможность автоматически переходить в тормозной режим без значительного уве­ личения скорости.

3.Для повышения производительности следует стре­ миться к снижению времени переходных процессов, т.,е. электропривод должен обеспечивать по возможности максимально допустимое и постоянное на основном

участке пуска ускорение.

4. Ускорение механизмов передвижения не должно превышать допустимого по условиям буксования колес

орельсы.

5.Для снижения ударов в передачах и ограничения амплитуды раскачивания груза после включения при­ вода и вначале остановки ускорение и рывок должны изменяться по определенному закону.

Если электропривод не удовлетворяет предъявляе­ мым к нему требованиям, то значительно снижаются экс­ плуатационные показатели кранов. Так, если не обеспе­ чиваются требуемые пониженные скорости, то несмотря на высокую номинальную скорость фактическая произ­ водительность низка: из-за необходимости многократ­ ного включения двигателя при посадке груза средняя скорость оказывается меньше паспортной, причем число включений привода заметно возрастает, что значительно повышает загрузку двигателя и тормозов, приводит к большей утомляемости оператора [Л. 26]. Далее, не­ смотря на высокую номинальную скорость и интенсив­ ные переходные процессы механизмов передвижения и

поворота, чрезмерное ускорение либо недостаточно плавное его нарастание не позволяет увеличить произ­ водительность из-за необходимости успокоения раска­ чавшегося груза; это приводит и к усложнению управ­ ления кранами.

Одним из важнейших показателей является надеж­ ность электропривода и всего электрооборудования. Выход из строя элементов электрооборудования по тех­ ническим причинам и вследствие низкого уровня обслу­ живания приводит к простоям, снижению производи­ тельности, нарушению технологического цикла, допол­ нительным затратам на эксплуатацию. Согласно [Л. 40] около 75% всех отказов портальных кранов приходится на электрооборудование; простой кранов по этой же причине составляет приблизительно половину всех про­ стоев.

В 1973 г. около 80% эксплуатируемых крановых электроприводов составляли электроприводы с асин­ хронными двигателями, регулированием сопротивления в цепи ротора, использованием режима однофазного включения [)Л. 34]. Остальные 20% — это приводы с пи­ танием двигателя последовательного возбуждения от

ростными асинхронными короткозамкнутыми двигателя­ ми, двухдвигательные асинхронные приводы, приводы с регулируемым гидротолкателем, вихревым тормозным генератором или динамическим торможением асинхрон­ ного двигателя. Отметим, что лишь система Г—Д спо­ собна удовлетворить возросшие требования к крановым механизмам. Однако дополнительные вращающиеся ма­ шины, требующие много места и тщательного ухода, высокие эксплуатационные затраты, не позволяют ши­ роко применять эту систему на кранах.

Перечисленные системы переменного тока удовле­ творяют требованиям таких крановых механизмов лег­ кого и среднего режимов работы с низкими рабочими

6 :1 ). Поэтому они, являясь достаточно простыми, могут и в дальнейшем применяться для таких механизмов.

Однако для кранов, которые работают в напряжен­ ном режиме и требуют обеспечения интенсивных и

в то же время плавных переходных процессов либо глубокого регулирования скорости, назрела необходи­ мость создания и внедрения более совершенных элек­ троприводов, которые, удовлетворяя этим требованиям, должны быть одновременно легко управляемыми, по возможности недорогими, небольших габаритов, с низ­ кими эксплуатационными затратами и, главное, доста­ точно надежными.

В этом отношении наиболее перспективными яв­ ляются электроприводы с применением тиристоров. Бур­ ное развитие полупроводниковой техники в последние 10—15 лет привело к созданию и широкому распростра­ нению в промышленности силовых управляемых венти­ лей, что открыло новые пути совершенствования элек­ троприводов. Основными факторами, обусловившими быстрое развитие тиристорного электропривода, являют­ ся следующие: высокий к. п. д. тиристорного преобразо­ вателя (0,95—0,97), относительно малые габариты и масса тиристоров, постоянная готовность их к работе, практическая безынерционность тиристоров, незначи­ тельная мощность устройств управления ими, длитель­ ный срок службы тиристоров, большой интервал допу­ стимых для тиристоров рабочих температур, легкость их резервирования.

Включение тиристоров в цепь статора или ротора асинхронного двигателя, питание от тиристорного пре­ образователя якоря и обмотки возбуждения двигателя постоянного тока обеспечивают при наличии соответст­ вующих систем управления и обратных связей практи­ чески все требуемые регулировочные характеристики и динамические режимы. Заметим, что лишь с появле­ нием тиристоров оказался технически реализуемым им­ пульсный и получает широкое распространение частот­ ный способы регулирования.

Нельзя не отметить, что тиристорные электроприводы обладают и рядом недостатков: относительно высока пока стоимость тиристоров, особенно больших мощно­ стей; они плохо переносят перенапряжения и перегрузку по току; схемы управления тиристорными преобразова­ телями часто состоят из большого числа элементов, причем выход из строя хотя бы одного из них может привести к нарушению работы всего привода; малые уровни управляющих сигналов, являясь, с одной сторо­ ны, безусловным достоинством тиристоров, требуют

защиты от случайных помех, которые Могут вызывать сбои в работе электропривода; вентильные преобразо­ ватели искажают напряжение сети, загружая ее выс­ шими гармониками; необходимость более высокого уровня обслуживания преобразователей, насыщенных полупроводниковыми элементами; имеются также пси­ хологические трудности в освоении новой техники экс­ плуатационным персоналом. Многие из этих недостат­ ков являются временными. Так, улучшение технологии изготовления тиристоров позволяет систематически сни­ жать их стоимость. Совершенствование систем управле­ ния, их конструктивного исполнения, а также удобство резервирования приводят к повышению надежности пре­ образователей и т. п.

Благодаря высоким технико-экономическим показа­ телям тиристоров созданы и выпускаются тиристорные электроприводы постоянного и в меньшей степени — переменного тока для металлургической, станкострои­ тельной и других отраслей промышленности. В настоя­ щее время в СССР и за рубежом наметилась тенденция использования различных систем тиристорного электро­ привода для кранов. В нашей стране с 1974—1975 гг. выпускаются серийно тиристорные крановые электро­ приводы.