Accionamiento eléctrico automatizado de mecanismos de grúa con control de tiristores

Los sistemas modernos de accionamiento eléctrico de mecanismos de grúa se implementan principalmente mediante motores asíncronos, cuya velocidad se controla mediante el método de relé-contactor mediante la introducción de resistencias en el circuito del rotor. Dichos accionamientos eléctricos tienen un rango de control de velocidad pequeño y al arrancar y detenerse crean grandes patadas y aceleraciones, lo que afecta negativamente el rendimiento de la estructura de la grúa, provoca el balanceo de la carga y limita el uso de dichos sistemas en grúas con mayor altura y capacidad de elevación. capacidad

El desarrollo de la tecnología de semiconductores de potencia permite introducir soluciones fundamentalmente nuevas en la estructura del accionamiento eléctrico automatizado de las instalaciones de grúas. Actualmente, en los mecanismos de elevación y movimiento de grúas torre y puentes grúa se utiliza un accionamiento eléctrico ajustable con motores de corriente continua accionados por potentes convertidores de tiristores - sistema TP - D.

La velocidad del motor en tales sistemas se regula en el rango (20 ÷ 30): I cambiando el voltaje de armadura. Al mismo tiempo, durante los procesos transitorios, el sistema asegura que las aceleraciones y patadas se obtengan dentro de las normas especificadas.

Las buenas cualidades de regulación también se manifiestan en un accionamiento eléctrico asíncrono, cuando se conecta un convertidor de tiristores al circuito del estator de un motor asíncrono (AM). Cambiar la tensión del estator del motor en un ACS cerrado permite limitar el par de arranque, logrando una aceleración (desaceleración) suave del variador y el rango de control de velocidad necesario.

El uso de convertidores de tiristores en el accionamiento eléctrico automatizado de mecanismos de grúa se utiliza cada vez más en la práctica nacional y extranjera. Para familiarizarse con el principio de funcionamiento y las posibilidades de tales instalaciones, detengámonos brevemente en dos variantes de esquemas de control para motores de CC y CA.

En la Fig. 1 muestra un diagrama esquemático del control de tiristores de un motor de CC excitado independientemente para un mecanismo de elevación de grúa puente. El inducido del motor es alimentado por un convertidor tiristor reversible, que consta de un transformador de potencia Tr, que sirve para igualar la tensión del convertidor y la carga, dos grupos de tiristores T1 — T6 y T7 — ​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​, reactores de suavizado 1UR y 2UR, que son ambos reactores de suavizado sin saturar .

Arroz. 1. Esquema del accionamiento eléctrico de la grúa según el sistema TP-D.

El grupo de tiristores T1 — T6 funciona como un rectificador al levantar y un inversor al bajar cargas pesadas, ya que la dirección de la corriente en el circuito de armadura del motor para estos modos es la misma. El segundo grupo de tiristores T7 - ​​T12, que proporciona la dirección opuesta de la corriente de armadura, funciona como rectificador durante el apagado y en modos transitorios de arranque del motor para bajar los frenos, como inversor cuando se detiene en el proceso de elevación. cargas o gancho.

A diferencia de los mecanismos para mover grúas, donde los grupos de tiristores deben ser los mismos, para los mecanismos de elevación, la potencia de los tiristores del segundo grupo puede tomarse menos que la del primero, ya que la corriente del motor durante el apagado es muy menor que cuando se levanta y baja pesado. cargas

La regulación de la tensión rectificada del convertidor de tiristores (TC) se lleva a cabo mediante un sistema de control de fase de pulso de semiconductores que consta de dos bloques SIFU-1 y SIFU-2 (Fig. 1), cada uno de los cuales suministra dos pulsos de disparo al correspondiente tiristor compensado en 60 °.

Para simplificar el sistema de control y aumentar la confiabilidad del accionamiento eléctrico, este esquema utiliza el control coordinado del TP reversible. Para ello, las características de gestión y los sistemas de gestión de los dos grupos deben estar estrechamente vinculados. Si los pulsos de desbloqueo se suministran a los tiristores T1 - T6, proporcionando el modo de operación correctivo de este grupo, entonces los pulsos de desbloqueo se suministran a los tiristores T7 - ​​T12 para que este grupo esté preparado para el funcionamiento del inversor.

Los ángulos de control α1 y α2 para cualquier modo de operación del TP deben cambiarse de tal manera que el voltaje promedio del grupo rectificador no exceda el voltaje del grupo inversor, es decir si esta condición no se cumple, entonces la corriente de compensación rectificada fluirá entre los dos grupos de tiristores, lo que carga adicionalmente las válvulas y el transformador y también puede provocar el disparo de la protección.

Sin embargo, incluso con la coincidencia correcta de los ángulos de control α1 y α2 de los tiristores de los grupos rectificador e inversor, es posible el flujo de una corriente de compensación alterna debido a la desigualdad de los valores instantáneos de los voltajes UαB y UαI. Para limitar esta corriente de ecualización, se utilizan reactores de ecualización 1UR y 2UR.

La corriente de armadura del motor siempre pasa a través de uno de los reactores, por lo que las ondas de esta corriente se reducen y el reactor en sí está parcialmente saturado. El segundo reactor, a través del cual actualmente solo fluye corriente de compensación, permanece no saturado y limita iyp.

El accionamiento de la grúa eléctrica de tiristores tiene un sistema de control de un solo lazo (CS) realizado utilizando un amplificador magnético sumador reversible SMUR de alta velocidad, que es alimentado por un generador de voltaje rectangular con una frecuencia de 1000 Hz. En presencia de un corte de energía, dicho sistema de control permite obtener características estáticas satisfactorias y alta calidad de los procesos transitorios.

El sistema de control de accionamiento eléctrico contiene retroalimentación negativa para el voltaje y la corriente intermitentes del motor, así como una retroalimentación positiva débil para el voltaje Ud.La señal en el circuito de las bobinas de excitación SMUR está determinada por la diferencia entre el voltaje de referencia Uc proveniente de la resistencia R4 y el voltaje de retroalimentación αUd tomado del potenciómetro POS. El controlador KK regula el valor y la polaridad de la señal de comando, que determina la velocidad y la dirección de rotación del accionamiento.

La tensión inversa Ud se corta mediante diodos zener de silicio conectados en paralelo con los devanados principales SMUR. Si la diferencia de voltaje Ud — aUd es mayor que Ust.n, entonces los diodos zener conducen corriente y el voltaje de las bobinas de control se vuelve igual a Uz.max = Ust.n.

A partir de este momento, el cambio en la señal aUd para disminuir no afecta la corriente en los devanados principales del SMUR, es decir no funciona la realimentación negativa de la tensión Ud, lo que suele ocurrir con las corrientes del motor Id> (1,5 ÷ 1,8) Id .n.

Si la señal de retroalimentación aUd se acerca a la señal de referencia Uz, entonces el voltaje en los diodos zener se vuelve menor que Ust.n y la corriente no fluye a través de ellos. La corriente en los devanados principales del SMUR estará determinada por la diferencia de voltaje U3 — aUd y en este caso entra en juego la retroalimentación de voltaje negativo.

La señal de retroalimentación de corriente negativa se toma de dos grupos de transformadores de corriente TT1 — TT3 y TT4 — TT8, que trabajan con grupos de tiristores T1 — T6 y T7 — ​​T12, respectivamente. En el interruptor de corriente BTO se rectifica la tensión alterna trifásica U2TT ≡ Id obtenida en las resistencias R, y a través de los diodos zener, que actúan como tensión de referencia, se alimenta la señal Uto.s a los devanados de corriente del SMUR , bajando el resultado resultante a la entrada del amplificador.Esto reduce la tensión del convertidor Ud y limita la corriente del circuito de armadura Id en los modos estático y dinámico.

Para obtener un alto factor de llenado de las características mecánicas ω = f (M) del accionamiento eléctrico y mantener una aceleración (desaceleración) constante en modos transitorios, además de las conexiones enumeradas anteriormente, se aplica una retroalimentación positiva en el circuito por tensión.

El factor de ganancia de esta conexión se elige kpn = 1 / kpr ≈ ΔUy / ΔUd. de acuerdo con el tramo inicial de la característica Ud = f (Uy) del convertidor, pero de orden menor que el coeficiente α de la realimentación negativa sobre Ud. El efecto de esta relación se manifiesta principalmente en la zona de discontinuidad actual, proporcionando secciones de la característica con buzamiento pronunciado.

En la Fig. 2, a muestra las características estáticas del accionamiento del polipasto para diferentes valores de la tensión de referencia U3 correspondientes a diferentes posiciones del controlador.

Como primera aproximación, se puede suponer que en los modos de transición de marcha, marcha atrás y paro, el punto de funcionamiento en los ejes de coordenadas ω = f (M) se desplaza a lo largo de la característica estática. Entonces la aceleración del sistema:

donde ω es la velocidad angular, Ma es el momento desarrollado por el motor, Mc es el momento de resistencia de la carga en movimiento, ΔMc es el momento de pérdidas en los engranajes, J es el momento de inercia reducido al eje del motor.

Si ignoramos las pérdidas de transmisión, entonces la condición para la igualdad de aceleración al arrancar el motor hacia arriba y hacia abajo, así como cuando se detiene desde arriba y hacia abajo, es la igualdad de los momentos dinámicos del accionamiento eléctrico, es decir, Mdin.p = Mdin.s.Para cumplir esta condición, las características estáticas del accionamiento del polipasto deben ser asimétricas con respecto al eje de velocidad (Mstop.p> Mstop.s) y tener un frente empinado en la región del valor del momento de frenado (Fig. 2, a) .

Arroz. 2. Características mecánicas del accionamiento eléctrico según el sistema TP-D: a — mecanismo de elevación, b — mecanismo de movimiento.

Para los accionamientos de mecanismos de traslación de grúas se debe tener en cuenta la naturaleza reactiva del momento resistente, que no depende del sentido de la marcha. Con el mismo valor de par motor, el par de resistencia reactiva ralentizará el proceso de arranque y acelerará el proceso de parada del variador.

Para eliminar este fenómeno, que puede provocar el deslizamiento de las ruedas motrices y el rápido desgaste de las transmisiones mecánicas, es necesario mantener aceleraciones aproximadamente constantes durante el arranque, la marcha atrás y la parada en los mecanismos de conducción. Esto se logra obteniendo las características estáticas ω = f (M) que se muestran en la Fig. 2, b.

Los tipos especificados de características mecánicas del accionamiento eléctrico se pueden obtener variando correspondientemente los coeficientes de realimentación de corriente negativa Id y realimentación de tensión positiva Ud.

El esquema de control completo del accionamiento eléctrico controlado por tiristores de la grúa puente incluye todas las conexiones de enclavamiento y los circuitos de protección que se describen en los diagramas anteriores.

Cuando se utiliza TP en el accionamiento eléctrico de mecanismos de grúa, se debe prestar atención a su fuente de alimentación.La naturaleza significativamente no sinusoidal de la corriente consumida por los convertidores provoca una distorsión de la forma de onda del voltaje en la entrada del convertidor. Estas distorsiones afectan el funcionamiento de la sección de potencia del convertidor y el sistema de control de fase de pulso (SPPC). La distorsión de la forma de onda del voltaje de línea causa una subutilización significativa del motor.

La distorsión del voltaje de suministro tiene un fuerte efecto en SPPD, especialmente en ausencia de filtros de entrada. En algunos casos, estas distorsiones pueden hacer que los tiristores se abran completamente al azar. La mejor manera de eliminar este fenómeno es alimentando la SPPHU desde carros separados conectados a un transformador que no tenga una carga de rectificador.

Las posibles formas de usar tiristores para controlar la velocidad de los motores asíncronos son muy diversas: estos son convertidores de frecuencia de tiristores (inversores autónomos), reguladores de voltaje de tiristores incluidos en el circuito del estator, reguladores de impulso de resistencia y corrientes en circuitos eléctricos, etc. .

En los accionamientos eléctricos de grúas, se utilizan principalmente reguladores de voltaje de tiristores y reguladores de impulsos, lo que se debe a su relativa simplicidad y fiabilidad. Sin embargo, el uso de cada uno de estos reguladores por separado no cumple completamente con los requisitos para accionamientos eléctricos de mecanismos de grúas.

De hecho, cuando solo se usa un regulador de resistencia de pulso en el circuito del rotor de un motor de inducción, es posible proporcionar una zona de regulación limitada por la naturaleza y correspondiente a las características mecánicas del reóstato de impedancia, es decirla zona de ajuste corresponde al modo motor y al modo oposición con llenado incompleto de los cuadrantes I y IV o III y II del plano de características mecánicas.

El uso de un regulador de voltaje de tiristores, especialmente uno reversible, proporciona básicamente una zona de control de velocidad que cubre toda la parte de trabajo del plano M, ω de -ωn a + ωn y de — Mk a + Mk. Sin embargo, en este caso, habrá importantes pérdidas por deslizamiento en el propio motor, lo que lleva a la necesidad de sobreestimar significativamente su potencia instalada y, en consecuencia, sus dimensiones.

En este sentido, se crean sistemas de accionamiento eléctrico asíncrono para mecanismos de grúa, donde el motor es controlado por una combinación de regulación pulsada de la resistencia en el rotor y cambios en el voltaje suministrado al estator. Esto llena los cuatro cuadrantes del rendimiento mecánico.

Un diagrama esquemático de dicho control combinado se muestra en la Fig. 3. El circuito del rotor incluye un circuito de control de impulsos de resistencia en el circuito de corriente rectificada. Los parámetros del circuito se seleccionan para garantizar el funcionamiento del motor en los cuadrantes I y III en las áreas entre el reóstato y las características naturales (en la Fig. 4, sombreadas con líneas verticales).

Arroz. 3. Esquema de accionamiento eléctrico de una grúa con tiristor regulador de la tensión del estator y control de impulsos de la resistencia del rotor.

Para controlar la velocidad en las áreas entre las características del reóstato y el eje de velocidad sombreado por líneas horizontales en la fig. 4, así como para invertir el motor, se usa un regulador de voltaje de tiristores, que consta de pares de tiristores antiparalelos 1-2, 4-5, 6-7, 8-9, 11-12.El cambio de la tensión suministrada al estator se realiza ajustando el ángulo de apertura de los pares de tiristores 1-2, 6-7, 11-12 para un sentido de giro y 4-5, 6-7, 8-9 para el otro. Dirección de rotación.

Arroz. 4. Reglas para el control combinado de un motor de inducción.

Para obtener características mecánicas rígidas y limitar los pares del motor, el circuito proporciona retroalimentación de velocidad y corriente de rotor rectificada proporcionada por un tacogenerador TG y un transformador de CC (amplificador magnético) TPT

Es más fácil llenar todo el cuadrante I conectando un capacitor con resistencia R1 en serie (Fig. 3). En este caso, la resistencia equivalente en la corriente del rotor rectificada puede variar de cero a infinito y, por lo tanto, la corriente del rotor puede controlarse desde el valor máximo hasta cero.

El rango de regulación de la velocidad del motor en tal esquema se extiende hasta el eje de ordenadas, pero el valor de la capacitancia del capacitor resulta ser muy significativo.

Para llenar todo el cuadrante I con valores de capacitancia más bajos, la resistencia de la resistencia R1 se divide en pasos separados. En la primera etapa, se introduce sucesivamente la capacitancia, que se enciende a bajas corrientes. Los escalones se eliminan por un método de pulsos, seguido de un cortocircuito de cada uno de ellos a través de tiristores o contactores. El llenado de todo el cuadrante I también se puede obtener combinando cambios de resistencia pulsados ​​con el funcionamiento pulsado del motor. Tal esquema se muestra en la fig. 5.

En el área entre el eje de velocidad y la característica del reóstato (Fig. 4), el motor opera en modo de pulso.Al mismo tiempo, no se suministran pulsos de control al tiristor T3 y permanece cerrado todo el tiempo. El circuito que realiza el modo de pulso del motor consta de un tiristor de trabajo T1, un tiristor auxiliar T2, un condensador de conmutación C y resistencias R1 y R2. Cuando el tiristor T1 está abierto, la corriente fluye a través de la resistencia R1. El condensador C se carga a un voltaje igual a la caída de voltaje en R1.

Cuando se aplica un pulso de control al tiristor T2, el voltaje del capacitor se aplica en la dirección opuesta al tiristor T1 y lo cierra. Al mismo tiempo, el condensador se recarga. La presencia de inductancia del motor conduce al hecho de que el proceso de recarga del condensador es de naturaleza oscilatoria, como resultado de lo cual el tiristor T2 se cierra solo sin dar señales de control, y el circuito del rotor se abre. Luego se aplica un pulso de control al tiristor T1 y todos los procesos se repiten nuevamente.

Arroz. 5. Esquema de control combinado de impulsos de un motor asíncrono

Por lo tanto, con el suministro periódico de señales de control a los tiristores, durante una parte del período, fluye una corriente en el rotor, determinada por la resistencia de la resistencia R1. En la otra parte del período, el circuito del rotor resulta estar abierto, el par desarrollado por el motor es cero y su punto de operación está en el eje de la velocidad. Cambiando la duración relativa del tiristor T1 durante el período, es posible obtener el valor medio del par desarrollado por el motor desde cero hasta el valor máximo correspondiente a la operación de la característica del reóstato cuando el rotor R1 se introduce en el circuito

Usando varias retroalimentaciones, es posible obtener características del tipo deseado en la región entre el eje de velocidad y la característica del reóstato. La transición a la región entre el reóstato y las características naturales requiere que el tiristor T2 permanezca cerrado en todo momento y el tiristor T1 permanezca abierto en todo momento. Al cortocircuitar la resistencia R1 usando un interruptor con el tiristor principal T3, es posible cambiar suavemente la resistencia en el circuito del rotor del valor R1 a 0, proporcionando así una característica natural del motor.

El modo de impulso del motor conmutado en el circuito del rotor también se puede realizar en modo de frenado dinámico. Utilizando diferentes retroalimentaciones, en este caso en el II cuadrante, se pueden obtener las características mecánicas deseadas. Con la ayuda del esquema de control lógico, es posible realizar una transición automática del motor de un modo a otro y llenar todos los cuadrantes de las características mecánicas.