ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЙ АСИНХРОННЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД

Подъемно-транспортные механизмы

В последнее время наметилась тенденция к использованию в подъемно-транспортных механизмах частотно-регулируемых асин­хронных электроприводов. Рассмотрим основные преимущества перехода к частотному регулированию на примере электроприво­дов козлового контейнерного крана типа ККК20-25-8.5-5 грузо­подъемностью 20 т, предназначенного для перегрузки железнодо­рожных контейнеров типа 1C и ICC.

Как показало обследование крана и проведенный замер ряда параметров с использованием анализатора электропотребления AR5, для электрооборудования крана характерны следующие недо­статки:

• электроприводы механизмов крана выполнены на базе асин­хронных двигателей с фазным ротором и сопротивлениями, вклю­ченными в цепь ротора. Переключение ступеней сопротивлений в роторе является устаревшим способом управления, не обеспечи­вает удовлетворительных регулировочных характеристик и плав­ности управления крановыми механизмами, что приводит к ин­тенсивному износу механического оборудования;

• способ реостатного регулирования, связанный с повышени­ем энергопотребления при снижении частоты вращения двигате­ля, отличается низким КПД и его применение нецелесообразно из-за низкой эффективности (см. подразд. 2.2);

• использование релейно-контакторной аппаратуры для регу­лирования частоты вращения двигателей приводит к интенсивно­му износу электрооборудования при повторно-кратковременном режиме работы;

• при используемой схеме управления электроприводом про­исходит значительное потребление реактивной мощности и су­щественно снижен коэффициент мощности (до 0,5...0,6).

Переход на частотное управление электроприводами крана обес­печивает следующие преимущества:

• плавное бесступенчатое регулирование скорости механизмов во всем диапазоне;

• контролируемый плавный разгон и торможение двигателей, что приводит к существенному повышению надежности механи­ческого и электрического оборудования, увеличению срока его службы, повышению комфортности управления;

• высокое качество регулирования скорости горизонтального и вертикального перемещений при использовании современных ал­горитмов векторного управления;

• повышение коэффициента мощности почти до единицы, так как современные преобразователи частоты практически не по­требляют реактивной энергии;

• экономию электроэнергии, связанную с переходом на энер­гетически эффективное управление и отказом от параметриче­ского управления, а также с уменьшением потерь энергии в пус­ковых режимах;

• бесконтактное управление исполнительными механизмами, обеспечивающее повышение надежности электрооборудования;

• широкие возможности программной настройки параметров работы механизмов, контроля работы, диагностики неисправно­стей.

Рассмотрим два варианта использования частотно-регулируе­мых электроприводов с применением ППЧ в козловом контей­нерном кране.

В первом варианте используются классические двухзвенные преобразователи частоты, содержащие неуправляемый входной диодный выпрямитель и транзисторный инвертор. Для гашения энергии в тормозных режимах применяются дополнительные тор­мозные модули и резисторы. Такое решение связано с существен­ным увеличением габаритных размеров оборудования и является неэкономичным, так как каждый из преобразователей требует наличия сетевого дросселя, тормозного модуля, контактора и авто­матического выключателя. Мощности преобразователей выбраны таким образом, чтобы обеспечить перегрузку двигателей по току

2,2.. .2,5. Варианты упрощенной однолинейной схемы электрообо­рудования козлового контейнерного крана показаны на рис. 5.16.

Во втором варианте для регулирования частоты вращения дви­гателей используются преобразователи частоты, включающие в себя выпрямители с возможностью рекуперации электроэнергии в сеть, общее звено постоянного тока и индивидуальные инвер­торы для питания каждого двигателя.

Основным преимуществом такой структуры является возмож­ность возврата энергии в питающую сеть в тормозных режимах. Это позволяет избавиться от громоздких стеллажей с резистора-

Привод подъема

380 В, 50 Гц _

ми, которые в традиционном варианте используются для перево­да запасенной механизмами кинетической энергии в тепловую.

Каждый из двигателей питается от собственного инвертора, преобразующего постоянное напряжение общего промежуточно­го звена в напряжение регулируемой частоты и амплитуды. Исполь­зование индивидуальных инверторов вместо группового электро­привода позволяет использовать высококачественное векторное управление, выравнивать скорости и нагрузки двигателей одного механизма, а также обеспечивает резервирование за счет возмож­ности работы при выходе из строя одного из преобразователей.

Ранее в качестве рекуперативных выпрямителей использова­лись двухкомплектные тиристорные выпрямители. Современны­ми преобразователями являются активные выпрямители, кото­рые конструктивно представляют собой те же транзисторные инвер­торы. Однотипность конструкции инверторов и активных выпря­мителей позволяет использовать для всех преобразователей общие запасные части. Отличие от обычного инвертора заключается в установке другой платы управления. Активные выпрямители име­ют следующие преимущества перед двухкомплектными тиристор­ными:

• возможность работы при кратковременной потере контакта с питающей сетью даже в режиме рекуперации, что очень важно для троллейного токоподвода к крану;

• практически синусоидальные сетевые ток и напряжение во всех режимах, т. е. низкий уровень высших гармоник в потребля­емом токе;

• высокое качество стабилизации уровня выходного постоян­ного напряжения при отклонениях или несимметрии питающей сети, а также при резких изменениях нагрузки приводов;

• возможность работы без потребления реактивной мощности и даже с опережающим коэффициентом мощности;

• конструкцию, аналогичную обычным инверторам (общие за­пасные части, интерфейсы и панели настройки).

В качестве механических тормозных устройств на всех механиз­мах крана применяются колодочные тормоза с электрогидравли - ческими или электромагнитными толкателями. Включение тор­мозов производится при замыкании контактов релейных выходов преобразователей, назначенных на выполнение функции «управ­ление механическим тормозом». Алгоритм управления обеспечи­вает своевременное наложение и разблокировку тормозов, а так­же исключает стоянку двигателей под током.

Для ограничения хода механизмов используются конечные выключатели. Остановка привода при достижении крайних положе­ний осуществляется не полным отключением привода, а плав­ным снижением скорости с заданным темпом. При этом сохраняет­ся возможность включения механизмов в обратном направлении.

Для управления краном применяется программируемый конт­роллер. При этом контроллер, преобразователи частоты и пульт управления объединяются в двухпроводную промышленную сеть. Для связи с пультом управления также используется двухпровод­ная сеть. В пульт управления устанавливается станция распреде­ленного ввода (вывода), к которому подключаются дополнитель­ные модули дискретного ввода (вывода) для приема сигналов от командоконтроллеров, кнопок и переключателей, а также для включения светосигнальной арматуры. Кроме того, на пульт уста­навливается диагностическая текстовая панель.

Расчеты потребления энергии и потерь, выполненные с использо­ванием методов математического моделирования, как это сдела­но для лифтов (см. подразд. 5.2.3), показывают, что переход к частот­ному регулированию скорости короткозамкнутых асинхронных двигателей взамен реостатного управления с добавочными сопро­тивлениями в роторе обеспечивает снижение потерь практически во всех режимах работы механизмов подъема, перемещения крана и тележки. Так, пусковые потери могут быть снижены в 5 —10 раз за счет реализации частотного пуска. Потери при работе на пони­женной скорости в двигательном режиме снижаются пропорци­онально снижению скорости относительно номинальной, а поте­ри при тормозном спуске груза могут быть снижены в 15 — 20 раз. Исключение режима торможения противовключением позволяет в 2 — 3 раза снизить потери в тормозных режимах.

Наиболее эффективным для рассматриваемого крана и других кранов оказывается применение преобразователей частоты с актив­ными выпрямителями для реализации режима рекуперативного торможения. На рис. 5.17 приведены диаграммы относительного потребления энергии электроприводами подъема и перемещения

□ Реостатное регулирование fS ППЧ—АД с тормозным резистором ■ ППЧ—АД с активным выпрямителем

тележки крана (продолжительность включений — 40%, 120 вклю­чений в час). Потребление энергии в традиционном электропри­воде с релейно-контакторным управлением принято за 100%.

Значимое энергосбережение может быть получено при частот­ном регулировании и на таких механизмах, как конвейеры и транс­портеры. Кроме того, на них может быть получен существенный технологический эффект за счет регулируемого плавного пуска и останова (сохранность транспортируемого груза) и регулирова­ния скорости в процессе работы (согласование и оптимизация транспортных потоков, регулирование уровня в бункерах и т. д.), что в итоге приводит к повышению производительности и каче­ства выпускаемой продукции.