Применение реверсивных устройств плавного пуска БиСТАРТ-Р для модернизации кран-балок и кранов
- Введение
- Особенности работы механизмов перемещения и подъема
- Параллельная работа электродвигателей
- Использование колодочных тормозов при модернизации
- Модернизация кранов и кран-балок с использованием стандартных устройств плавного пуска
- Модернизация кранов и кран-балок с использованием частотных преобразователей
- Модернизация кранов и кран-балок с использованием реверсивных устройств плавного пуска и торможения БиСТАРТ-Р
- Заключение
Перейти к странице описания БиСТАРТ-Р:
БиСТАРТ-Р - реверсивные устройства плавного пуска, динамического торможения и защиты
1. Введение
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;
- Раскачивание груза при резком прямом пуске и торможении колодочным тормозом;
- Разбивание редукторов из-за ударных нагрузок при прямом пуске асинхронного двигателя;
- 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. Данные устройства успешно применяются в приводах перемещения для плавного пуска и торможения постоянным током без использования тормозных резисторов. В приводах подъема они применяются для безударного пуска электродвигателей.
Прежде чем разобрать особенности разных решений необходимо акцентировать внимание на особенностях работы приводов перемещения и подъема, а также использования колодочных 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. При движении вверх электродвигатель тянет груз, а при движении вниз, наоборот груз тянет электродвигатель, а электродвигатель тормозит, поддерживая постоянную скорость. Происходит рекуперация электроэнергии в сеть и электродвигатель работает как асинхронный генератор (рис. 3).
Рис.3 Механическая характеристика электродвигателя при опускании груза (генераторный режим)
Для приводов подъема стандартные устройства плавного пуска не подходят, т.к. недопустимо снижение момента при подъеме/опускании груза. Для этого случая в реверсивных устройствах БиСТАРТ-Р существует 2 режима безударного пуска - с пофазным включением обмоток и с плавным нарастанием напряжения за 80 мс. Данные алгоритмы снижают удары в первый момент пуска, но сохраняют момент.
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 колодочных тормозов при модернизации
В стандартной схеме питание тормоза 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 с отключенной функцией плавного пуска. Допускается использование функции безударного пуска с нарастанием напряжения за 80 мс, который снижает ударные нагрузки на механику.
5. Модернизация 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.
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.
Преимущества применения стандартных устройств плавного пуска:
- простота модернизации;
- решается проблема с плавным запуском;
- низкое тепловыделение в схеме.
Недостатки применения стандартных устройств плавного пуска:
- размыкание контакторов под током;
- необходимо выбирать устройства с запасом по мощности в 2 раза и более;
- отсутствует функция электрического торможения;
- отсутствуют защиты, в том числе самозащита от перегрева тиристоров;
- необходимо напряжения питания 220В, которое может отсутствовать на кране;
- невозможность использования на приводах подъема.
6. Модернизация 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 крутым пиками напряжения, что вызывает повышенные помехи, высокочастотные токи утечки (рис. 6).
Рис.6 Осциллограммы напряжения и тока частотного преобразователя
К другим особенностям относятся ограниченная перегрузочная способность, повышенное тепловыделение 5-6%, необходимость использования тормозных модулей и резисторов, переделки схемы управления на 24В и др.
Преимущества применения преобразователя частоты:
- возможность плавного регулирования скорости;
- встроенные функции реверса, плавного пуска, плавного торможения и регулирования частоты;
- возможность плавного пуска в приводах подъема;
- стабильность времени разгона и замедления.
Недостатки применения преобразователя частоты:
- значительное изменение схемы крана;
- необходимость дополнительного оборудования: тормозные резисторы, сетевой дроссель, ЭМС-фильтр, промежуточные реле для цепей управления, новый шкаф управления;
- необходимость выбора преобразователя с запасом на привод подъема;
- для старых электродвигателей может требоваться замена электродвигателя;
- повышенное тепловыделение в преобразователе частоты и тормозных резисторах;
- ограниченный ресурс вентиляторов в бюджетных преобразователях (3-5 лет);
- отсутствие рекуперации энергии при опускании груза (при опускании 100% энергии рассеивается в тормозных резисторах).
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) применение в качестве бесконтактного пускателя
б) применение с использованием плавного пуска и DC-торможения
в) применение с двигателем с фазным ротором
Реверсивные устройства плавного пуска и торможения БиСТАРТ-Р – это отдельный класс устройств плавного пуска, которые включают в себя встроенную схему бесконтактного реверса, комплекс защит и функцию эффективного и плавного торможения постоянным током (DC-торможение), которая реализуется благодаря реверсивной схеме силовых ключей.
В отличие от традиционных софтстартеров, устройства БиСТАРТ-Р разработаны для частых режимов пуска и торможения, поэтому в них отсутствуют шунтирующие контакты и используется радиатор с высокой теплоотдачей и встроенным термодатчиком для защиты от перегрева. Схема управления электродвигателем полностью бесконтактная и с учетом функции плавного пуска может коммутироваться неограниченное количество раз. В 4-5 раз меньшее тепловыделение по сравнению с преобразователями частоты и отсутствие вентиляторов в моделях до 15 кВт, является серьезным преимуществом при эксплуатации в нагруженных условиях по температуре и запыленности. В моделях 22 кВт и выше используются надежные вентиляторы с наработкой 10 лет.
Входы для подключения кнопок управления Вперед/Назад по аналогии с магнитными пускателями имеют несколько вариантов исполнения: 220..400В, 15-50В и 24В со встроенным источником питания, благодаря этому устройства БиСТАРТ-Р могут включаться в существующую схему и в существующий шкаф управления без переделки, просто заменой реверсивного магнитного пускателя на устройство БиСТАРТ-Р, а также использоваться в любых схемах модернизации с радиоуправлением или с преобразователями частоты.
Модернизация без изменения схемы заменой существующего контактора на устройство БиСТАРТ-Р возможна в 2-х случаях:
- в приводах перемещения при отсутствии колодочного тормоза;
- в приводах подъема с колодочным тормозом при отключенных функциях плавного пуска и торможения (рис. 7,а).
В этих случаях стоимость модернизации фактически равна стоимости устройства БиСТАРТ-Р.
Усложнение схемы может происходить в случае необходимости использования электромагнитного тормоза и использовании функций плавного пуска и торможения. В этом случае тормоз должен быть запитан от отдельного пускателя, управляемого через реле в устройстве БиСТАРТ-Р, которое размыкает тормоз в начале пуска и замыкает по окончанию действия торможения, минимизируя износ колодок (рис. 7, б).
В кранах с электродвигателями с фазным ротором при переходе на управление с пола, модернизация заключается в установке устройства БиСТАРТ-Р в цепи статора и замыкании обмотки ротора на фиксированное сопротивление (рис.7, в). Замыкать обмотку накоротко нежелательно, т.к. при этом будет низкий пусковой момент и высокий пусковой ток.
В устройствах БиСТАРТ-Р используется алгоритм плавного пуска с ограничением тока, обеспечивающий хорошую линейность запуска. Как и любое устройство плавного пуска БиСТАРТ-Р регулирует пусковой момент, а не скорость, поэтому на характеристику разгона влияет нагрузка. Настройка параметров запуска сводится к настройке уставки ограничения тока и уставки максимального времени пуска для защиты от заклинивания.
Для приводов перемещения, в которых нагрузка может значительно отличаться (например, при уличной эксплуатации зимой) предусмотрена возможность переключения параметров пуска на ходу по внешнему дискретному входу. В устройстве можно настроить 2 уставки ограничения тока и переключать их внешним переключателем либо использовать кнопки с двойным ходом.
Функция DC-торможения в устройствах БиСТАРТ-Р срабатывает при отпускании кнопки управления и в обмотку двигателя подается постоянный ток в течение настроенного времени. В устройстве 2 настройки: ток торможения и время подачи тормозного тока. Если во время действия будет снова нажата кнопка запуска, то приоритет получит команда управления и двигатель запустится.
Существует и альтернативный способ торможения, а именно плавное торможение противотоком. Особенность его в том, что устройства БиСТАРТ-Р используют функцию плавного пуска с ограничением тока, которая при включении из любого состояния ограничивает ток на заданном уровне. Т.е. если на полном ходу крана сразу же включить кран в обратную сторону, то благодаря плавному пуску с ограничением тока произойдет плавное линейное замедление.
Преимущества применения устройств БиСТАРТ-Р:
- самый простой способ частичной модернизации кранов и кран-балок;
- встроенные функции реверса, плавного пуска, торможения и защиты;
- возможность работы со старыми электродвигателями;
- возможность переключения параметров плавного пуска на ходу внешним сигналом;
- отсутствие вентиляторов охлаждения в моделях до 15 кВт;
- сохранение рекуперации в сеть в приводе подъема в режиме бесконтактного пускателя.
Недостатки применения устройств БиСТАРТ-Р:
- возможность использования только безударного пуска для приводов подъема;
- зависимость характеристик ускорения от нагрузки.
8. Заключение
По совокупности факторов лучшими решениями для модернизации кранов на сегодня является применение частотных преобразователей и реверсивных устройств плавного пуска БиСТАРТ-Р. Использование стандартных устройств плавного пуска для этих задач неэффективно, т.к. не решает большинство проблем.
Выбор между преобразователем частоты и реверсивным устройством БиСТАРТ-Р необходимо оценивать с точки зрения технологических требований и исходя из стоимости суммарных затрат, либо использовать оба решения. Например, преобразователь частоты может быть использован на приводе подъема, а устройства БиСТАРТ-Р на приводах перемещения.
По технологическим требованиям если необходимо плавно регулировать скорость движения, а также необходимо очень медленное ускорение и замедление (например, при транспортировке расплавленного металла), то использование преобразователя частоты является оптимальным. Для кранов и кран-балок, в которых не требуется регулировки скорости движения и достаточно плавности разгона/торможения до 6-8 секунд применение устройств БиСТАРТ-Р является эффективным и надежным решением.
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.
В 2018-м году ожидается обновление линейки устройств БиСТАРТ-Р, в результате которого произойдет добавление более простых экономичных моделей, будут уменьшены габариты и оптимизирован функционал устройств, а также выпущены модели для работы от -40 градусов.