Применение реверсивных устройств плавного пуска БиСТАРТ-Р для модернизации кран-балок и кранов
1. Проблемы использования магнитных реверсивных пускателей и контакторов в кранах и кран-балках
В кран-балках и кранах широко применяются магнитные реверсивные пускатели (рис.1). Использование магнитных пускателей имеет ряд проблем:
- Подгорание и износ контактов из-за частого включения;
- Выход из строя электродвигателя из-за работы на двух фазах;
- Разбивание шпонок и редукторов из-за ударных нагрузок при прямом пуске;
- Раскачивание груза при резком прямом пуске и торможении колодочным тормозом;
- Проблема точной остановки из-за инерции груза.
а) б)
Рис.1. Схема силовой
цепи с реверсивным магнитным пускателем
а) схема для электродвигателя с короткозамкнутым ротором
б) схема для электродвигателя с фазным ротором
Для решения указанных проблем применяют 2 типа устройств - устройства плавного пуска (регуляторы напряжения) и частотные преобразователи (регуляторы частоты).
Компания НПФ «Битек» с 2007-го года предлагает собственное решение – реверсивные устройства плавного пуска и динамического торможения серии БиСТАРТ-Р. Разработаны различные модификации для приводов перемещения, подъема, а также приводов с червячными редукторами.
Прежде чем разобрать особенности разных решений необходимо акцентировать внимание на особенностях работы приводов перемещения и подъема, а также использования внешних тормозов.
2. Особенности работы механизмов перемещения и подъема
В приводах перемещения нагрузка электродвигателя - это трение качения. При включении вперед и назад нагрузка одинакова и всегда противоположна моменту электродвигателя (рис. 2). Для увеличения времени разгона можно успешно применять как устройства плавного пуска, так и частотные преобразователи.
Рис.2 Механическая характеристика электродвигателя при перемещении и подъеме груза (двигательный режим)
В приводах подъема/опускания
движение вверх и вниз принципиально отличаются. Нагрузка электродвигателя - это вес груза и является односторонней.
При движении вверх электродвигатель при пуске и работе создает усилие вверх против веса груза. Динамика разгона определяется разницей между моментом двигателя и моментом нагрузки (рис.2).
При движении вниз в первые моменты после снятия тормоза электродвигатель создает усилие в ту же сторону, что и груз, а после превышения синхронной скорости момент меняет знак и электродвигатель создает тормозной момент, уравнивающийся с весом груза. Происходит рекуперация электроэнергии в сеть и электродвигатель работает как асинхронный генератор (рис. 3). Динамика разгона при пуске опредяляется как сумма пускового момента двигателя и веса груза.
Рис.3 Механическая характеристика электродвигателя при опускании груза (генераторный режим)
Для приводов подъема стандартные устройства плавного пуска с длительным нарастанием напряжения не подходят, т.к. при опускании груза к моменту, когда груз разгоняется до синхронной скорости на электродвигателе должно быть создано полное напряжение и момент. Однако если использовать функцию плавного пуска не для плавного нарастания скорости, а для устранения ударных нагрузок на редуктор, то возможно использовать быстрое нарастание напряжения за 0.2..0.5 сек, а также регулировать момент включения внешнего тормоза. Данный алгоритм обеспечит устранение ударов и мягкий выбор люфтов в редукторе и шпонках. Для этой цели были разработаны специальные модификации устройств БиСТАРТ-Р (модификация БСТ-xxР/380-x0В) с раздельной регулировкой времени нарастания напряжения при подъеме и опускании, и раздельном управлении задержкой включения реле тормоза.
3. Параллельная работа электродвигателей
В приводе хода моста как правило используются 2 или 4 двигателя работающих параллельно. При модернизации крана с использованием софтстартера, частотного преобразователи или реверсивных устройств БиСТАРТ-Р все электродвигатели группы также должны быть подключены к одному устройству.
4. Использование тормозов при модернизации
В стандартной схеме питание электромагнитного тормоза или гидротолкателя осуществляется от клемм электродвигателя. При модернизации с использованием устройств плавного пуска или частотных преобразователей к тормозам должен быть проложен отдельный кабель и установлен отдельный пускатель, управляемый от встроенного реле устройства плавного пуска или частотного преобразователя.
Сохранить схему тормоза можно только в случае использования реверсивных устройств БиСТАРТ-Р в специальных модификациях для приводов подъема (БСТ-xxР/380-x0В), где время нарастания напряжения можно настроить в узком диапазоне 0.1..0.5 сек.
В кран-балках со встроенным конусным тормозом также можно использовать модификацию для приводов подъема (БСТ-xxР/380-x0В) для решения проблемы разбивания шпонок и редуктора.
5. Недостатки модернизации кранов и кран-балок с использованием стандартных устройств плавного пуска
Рис.4 Схема силовой цепи со стандартным устройством плавного пуска
Зарубежные устройства плавного пуска небольшой мощности (до 15 кВт) преимущественно представлены бюджетными компактными моделями с двухфазным управлением, встроенными шунтирующими контактами без функций защит. Эти модели разработаны для нечастых запусков (6-10 пусков в час) и для продолжительного режима работы через шунтирующие контакты. Радиатор охлаждения тиристоров мал и не имеет защитного термодатчика. Работа в постоянных пусковых режимах может приводить к перегреву и быстрой деградации тиристоров.
Функция плавного останова, иногда ошибочно называемая плавным торможением, выполняет функцию ровно противоположную торможению. Она увеличивает время свободного выбега, а не сокращает его и применяется преимущественно в насосах, работающих с противодавлением для исключения гидроудара из-за быстрой остановки. Для кранов она бесполезна. Исключение составляют краны с использованием самотормозящегося червячного электропривода, в этом случае использование плавного останова целесообразно.
Чтобы применить стандартное устройство плавного пуска на кране его устанавливают в схеме между существующим реверсивным магнитным контактором и сетью. Кнопки пульта остаются подключенными к магнитному пускателю, а дополнительные блок-контакты пускателей объединяются и подают напряжение на вход управления устройства плавного пуска. В этой схеме работает только функция плавного пуска. Для питания схемы управления устройств плавного пуска обычно необходимо питание 220В, которое отсутствует на многих кран-балках и кранах.
Главные недостатки компактных импортных софтстартеров - сохраняется искрение пускателей, слабый запас мощности, двухфазное управление и отсутствие электронных защит. Использование компактных двухфазных софтстартеров на кранах и кран-балках не рекомендуется. Использование полноценных софтстартеров (Emotron MSF, Altistart 48) не решает проблемы с подгоранием магнитных контакторов, использующихся для реверса, а также стоимость этих устройств достаточно высока.
6. Особенности модернизации кранов и кран-балок с использованием частотных преобразователей
Рис.5 Схема силовой цепи с частотным преобразователем
Частотные преобразователи уже имеет функцию реверса, плавного пуска, рекуперативного торможения с тормозными резисторами и регулирования скорости и поэтому являются универсальными для приводов подъема и перемещения.
Главной особенностью использования преобразователей частоты является их принцип формирования выходного напряжения в виде высокочастотной ШИМ с высокими пиками напряжения, что вызывает повышенные помехи, высокочастотные токи утечки (рис. 6).
Рис.6 Осциллограммы напряжения и тока частотного преобразователя
Преимущества использования преобразователя частоты - плавное регулирование скорости, встроенный реверс, стабильность времени разгона и замедления.
Недостатки применения преобразователей частоты на кранах и кран-балках - это суммарная стоимость модернизации, которая включает в себя кроме стоимости преобразователя частоты, выбранного с запасом мощности, стоимость тормозных резисторов, дросселей, шкафа управления, рассчитанного на тепловыделение преобразователя и тормозных резисторов, изменение схемы управления, а также замена электродвигателя в некоторых случаях.
Для приводов подъема необходимо использовать специальные модели частотных преобразователей с функциями управления подъемными механизмами (например, Altivar 71), т.к. обеспечение плавного старта и опускания груза требует использования векторного управления и корректной работы функции управления тормозом. Функция плавного разгона при опускании груза с рекуперацией является одной из наиболее сложных задач для бессенсорного векторного управления и может потребоваться использование обратной связи по скорости. Невозможность рекуперации в сеть при опускании груза требует использования тормозных резисторов мощностью до 30% от мощности электродвигателя.
7. Модернизация кранов и кран-балок с использованием реверсивных устройств плавного пуска и торможения БиСТАРТ-Р
а) б)
в)
Рис.7 Схема силовой цепи с реверсивным устройством плавного пуска БиСТАРТ-Р
а) с питанием тормоза от клемм электродвигателя
б) с управление тормозом от отдельного пускателя
в) применение с двигателем с фазным ротором
Реверсивные устройства плавного пуска и торможения БиСТАРТ-Р кроме того, что имеют дополнительную тиристорную схему реверсирования разработаны по принципам полноценных бесконтактных софтстареров (Emotron MSF, Altistart 48), а именно:
- управление по 3-м фазам;
- полностью бесконтактная коммутация без обводных контакторов;
- запас тиристоров для тяжелых пуков;
- электронная защита и диагностика ошибок;
Основное применение устройства плавного пуска БиСТАРТ-Р получили для приводов передвижения кранов и кран-балок, т.к. функции плавного пуска и плавного DC-торможения обеспечивают хорошие показатели управления и возможность регулировки скорости методом старт-стоп, который в этом случае не оказывает негативного влияния на ресурс работы механизма.
В приводах подъема для устранения ударных нагрузок на редуктор и шпонки были разработаны специальные модификации для приводов подъема (модификация БСТ-xxР/380-x0В) с раздельной регулировкой времени нарастания напряжения на подъем и опускание (0.1..2 сек на подъем и 0.1..0.5 сек на опускание). Опыт эксплуатации показал, что использование плавного нарастания напряжения за 0.5 сек обеспечивает устранение ударных нагрузок в редукторе без изменения схемы управления тормозом. Для повышения плавности хода возможно использование реле управления тормозом с раздельными регулировками срабатывания реле при подъеме и опускании груза.
Схемная и монтажная взаимозаменяемость с магнитными реверсивными пускателями - ключевое преимущество устройств БиСТАРТ-Р. Провода, подходящие к двум катушкам заменяемого магнитного реверсивного пускателя переподключаются к входам управления устройств БиСТАРТ-Р, которые могут иметь различные исполнения по напряжению: 220..380В, 110В, 42В, 24В. Габаритные размеры устройств БиСТАРТ-Р во многих случаях не превышают габаритов магнитных реверсивных пускателей и могут устанавливаться вместо них в те же шкафы.
Плавный пуск с нарастания тока по рампе, добавленный в новых моделях вместо стандартного ограничения тока позволяет обеспечить качественный плавный запуск при изменениях нагрузки.
Функция плавного DC-торможения в пускателях БиСТАРТ-Р выполняется по принципу двухполупериодного выпрямления с ограничением тока и обеспечивает качественное мягкое торможение с регулировкой тока торможения. Функция срабатывает после отпускания кнопки и тормозит в течение заданного времени. При наличии внешнего тормоза можно комбинировать работу электронного и механического торможения. Для работы функции торможения не требуются тормозные резисторы, энергия рассеивается в электродвигателе.
Функция плавного останова для червячных механизмов появилась в новых модификациях (БСТ-xxР/380-x0Ч). Несмотря на то, что подавляющее большинство кранов и кран-балок использует планетарные редукторы и в приводах передвижения требуется торможение, в некоторых механизмах используются червячные редукторы и там стоит обратная задача - необходимость устранения ударов из-за самоторможения и использование функции плавного останова методом плавного снижения напряжения за время 1-2 секунды.
Электронные защиты с диагностикой срабатывания - это один из ключевых факторов долговечности работы устройств БиСТАРТ-Р. За время эксплуатации возникают типичные ситуации, которые выводят из строя электродвигатели и сами пускатели - потеря фазы, заклинивания, перегрузка и др. При отсутствии электронных защит работа двигателя на двух фазах может вывести из строя и коммутационную аппаратуру и сам электродвигатель. Электронные защиты с диагностикой максимально снижают вероятность отказа электродвигателя и пускателя в таких ситуациях.
Реверсивные устройства плавного пуска/торможения БиСТАРТ-Р можно считать лучшим решением среди софтстартеров для реализации функций плавного пуска, торможения и защиты на кранах и кран-балках.
По сравнению с частотными преобразователями устройства БиСТАРТ-Р имеют более ограниченные возможности - невозможность прямого регулирования частоты и плавный пуск осуществляется по принципу регулировки пускового момента. Однако при использовании на приводах передвижения для позиционирования груза успешно применяется передвижение короткими плавными импульсами. Благодаря плавному пуску и бесконтактной коммутации это не оказывает влияния на ресурс пускателя или электродвигателя.
В приводах подъема устройства БиСТАРТ-Р (специальные модификации БСТ-xxР/380-x0В) позволяют устранить ударные нагрузки на механизм за счет нарастания напряжения до 0.5 секунд, сохранив рекуперацию энергии в сеть при опускании груза и минимальное тепловыделение. С векторными частотными преобразователи с тормозными модулями и резисторами при использовании специальных преобразователей (например, Altivar 71), правильной настройке и компоновке схемы можно обеспечить плавное и медленное нарастание скорости при использовании. При этом габариты, стоимость решения и тепловыделение из-за отсутствия рекуперации будут в несколько раз выше, чем при замене реверсивного контактора на устройство БиСТАРТ-Р.
Преимуществами реверсивных устройств плавного пуска БиСТАРТ-Р перед частотными преобразователями можно считать:
- Минимальные работы по модернизации (только замена реверсивного контактора);
- Более простая и отказоустойчивая схема (выше перегрузка тиристоров, нет силовых конденсаторов, естественное охлаждение до 15 кВт);
- Компактные размеры и в 3-4 раза ниже тепловыделение;
- Отсутствие высокочастотных помех и необходимости исползования доп. фильтров и дросселей;
- Сохранение рекуперации в сеть при опускании груза в приводах подъема;
- Сохранение максимального пускового момента электродвигателя;
- Отечественное производство, быстрое гарантийное и постгарантийное обслуживание.
10 летний опыт применения на кранах и кран-балках устройств БиСТАРТ-Р показал их высокую эффективность и надежность. Устройства надежно работают в уличных исполнениях кранов, в схемах с троллейным питанием, в тяжелых условиях. Большинство устройств покупают конечные потребители и устанавливают самостоятельно, а благодаря простым настройкам устройств лишь в редких случаях требуется консультация по телефону.
©2018 ООО "НПФ "Битек"