ГЛАВНАЯ » СТАТЬИ » Применение реверсивных устройств плавного пуска БиСТАРТ-Р для модернизации кран-балок и кранов

Применение реверсивных устройств плавного пуска БиСТАРТ-Р для модернизации кран-балок и кранов

реверсивное устройство плавного пуска БиСТАРТ-Р  

 

 

 

 

 

 Содержание статьи:

  1. Введение
  2. Особенности работы механизмов перемещения и подъема
  3. Параллельная работа электродвигателей
  4. Использование колодочных тормозов при модернизации
  5. Модернизация кранов и кран-балок с использованием стандартных устройств плавного пуска
  6. Модернизация кранов и кран-балок с использованием частотных преобразователей
  7. Модернизация кранов и кран-балок с использованием реверсивных устройств плавного пуска и торможения БиСТАРТ-Р
  8. Заключение

   Перейти к странице описания БиСТАРТ-Р:

реверсивное устройство плавного пуска БиСТАРТ-РБиСТАРТ-Р - реверсивные устройства плавного пуска, динамического торможения и защиты

 

 

1. Введение

В кран-балках и кранах для управления электродвигателями механизмов подъема и перемещения традиционно используются магнитные реверсивные пускатели (2 пускателя соединенные по схеме изменения чередования фаз). При наличии тормоза он подключен параллельно клеммам электродвигателя (рис.1).


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

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.

Для частичного или полного решения указанных проблем обычно используют два вида устройств - устройства плавного пуска (софтстартеры) и частотные преобразователи. Компания НПФ «Битек» с 2007-го года предлагает собственное решение – специальные реверсивные устройства плавного пуска и динамического торможения серии БиСТАРТ-Р. Данные устройства успешно применяются для плавного пуска и торможения в приводах перемещения и для надежной бесконтактной силовой коммутации в приводах подъема.

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 электродвигатель преодолевает только момент трения качения и работает всегда в двигательном режиме (потребляет активную мощность из сети). Электромагнитный тормоз как правило не требуется. Поэтому для приводов перемещения могут успешно применяться устройства плавного пуска, уменьшающие пусковой момент электродвигателя. Характеристика и время разгона определяется разницей момента электродвигателя и момента нагрузки (рис. 2).

Рис.2 Механическая характеристика электродвигателя при перемещении и подъеме груза (двигательный режим)

В приводах подъема/опускания движение вверх и вниз принципиально отличаются.  Цилиндрические редукторы не обеспечивают самостопорения груза и при остановке груз удерживается исключительно колодками тормоза. Основная нагрузка для электродвигателя - это вес груза. При включении на подъем вес груза действует против скорости движения и момента электродвигателя и режим аналогичен перемещению (рис.2). При включении на опускание груза вес груза действует в направлении скорости движения и момента электродвигателя (рис.3), поэтому после размыкания колодок груз фактически свободно падает. Когда груз раскручивает электродвигатель выше синхронной, двигатель переходит в генераторный (тормозной) режим работы и его момент меняет направление и электродвигатель начинает тормозить груз. После этого усилие торможения выравнивается с весом груза и происходит движение на постоянной скорости выше синхронной, двигатель работает в режиме асинхронного генератора с рекуперацией энергии в сеть.

 

Рис.3 Механическая характеристика электродвигателя при опускании груза (генераторный режим)

Использование устройств плавного пуска работающих по принципу снижения напряжения и момента не имеет смысла, т.к. после снятия тормоза груз в любом случае “провалится” под собственным весом и раскрутит двигатель, а снижение момента электродвигателя чревато тем, то двигатель не “поймает” груз после синхронной скорости. Единственным способом плавного опускания груза является плавное увеличение частоты без снижения перегрузочного момента электродвигателя, поэтому плавный подъем/опускание груза может обеспечить только система с частотным преобразователем и блоком тормозных резисторов. Так как при опускании груза преобразователь не может отдавать энергию в сеть, то вся мощность выделяется в тормозных резисторах, которые должны иметь мощность не менее 30% мощности электродвигателя).

При отсутствии необходимости плавного подъема/опускания могут применяться реверсивные устройства БиСТАРТ-Р, которые при отключении функций плавного пуска работают как реверсивные бесконтактные пускатели с почти неограниченным ресурсом включений. Энергетическая эффективность при этом выше, чем с преобразователем частоты, т.к. бесконтактный пускатель сохраняет рекуперацию в сеть при опускании груза.

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, т.е. в режиме полупроводникового контактора.

Более сложными для модернизации являются кран-балки со встроенным тормозом. В случае встроенного электромагнитного тормоза можно попробовать вывести провод обмотки. В двигателях с конусным тормозом необходимым условием корректной работы является создание достаточного магнитного потока в электродвигателе и в этом случае предпочтителен частотный преобразователь, т.к. устройства плавного пуска снижают магнитный поток в роторе при пуске.

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 не имеет смысла.

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 являются наиболее функциональными устройствами управления электродвигателя, т.к. преобразователь частоты уже имеет функцию реверса, плавного пуска, рекуперативного торможения с тормозными резисторами и регулирования скорости, используя все свои функции как в приводах перемещения, так и в приводах подъема.

Для схем со старыми электродвигателями в большинстве случаев рекомендуется замена электродвигателя на новый, т.к. старые двигатели как правило не соответствуют требованиям по напряжению изоляции и высокочастотное ШИМ-модулированная форма напряжение в преобраователе частоты (рис. 6, сиреневая осциллограмма) может привести к ускоренному старению изоляции и паразитным токам через подшипники. В случае пробоя изоляции электродвигателя преобразователь частоты также может быть поврежден.

Еще одной проблемой связанной с высокочастотной коммутацией тразисторов в силовых цепях преобразователей является излучение электромагнитных помех в радиоэфир, емкостные и индуктивные наводки на сигнальные цепи, что влечет за собой необходимость использования ЭМС-фильтров и особая прокладка силовых и управляющих проводов.

Рис.6 Осциллограммы напряжения и тока частотного преобразователя

В схемах с троллеями из-за наличия электролитических конденсаторов высокой емкости нарушение контактов в троллеях может приводить к броскам тока в выпрямительном мосте и повышенной вероятности отказа преобразователя частоты.

Тепловыделение частотных преобразователей составляет до 5-6% от проходящей мощности электродвигателя, поэтому вентиляторы охлаждения применяются уже в маломощных моделях 0.4 кВт и более. При работе с бюджетными моделями преобразователей частоты проблема выхода из строя вентиляторов охлаждения может возникнуть уже спустя 3-4 года, что может привести к простою оборудования.

Серьезная модернизация схемы - это основная особенность применения частотного преобразователя в кран-балках и кранах. Кроме преобразователя частоты необходимо устанавливать блок тормозных резисторов, сетевой дроссель, ЭМС-фильтр, изменять схему подключения тормоза. Кроме этого, напряжение входов управления всех преобразователей частоты составляет 24В, в то время как напряжение на кнопках в схемах составляет 220-380В и требуются дополнительные промежуточные реле, либо перевод на управление 24В всего крана. Учитывая повышенное тепловыделение в преобразователе частоты и тормозных резисторах, а также дополнительное оборудование, потребуется новый шкаф управления. Также требуется квалифицированное программирование частотного преобразователя, имеющего большое количество параметров. В конечном счете, модернизацию с использованием частотных преобразователей желательно выполнять с привлечением организаций, имеющих необходимую квалификацию в этой деятельности. 

Использование преобразователей частоты в приводах подъема ухудшает энергетическую эффективность, т.к. при опускании груза вся энергия выделяется в тормозных резисторах, а не возвращается в сеть, как в стандартной схеме или с использованием бесконтактного пускателя. 

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;
  • для старых электродвигателей требуется 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.

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 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:

  • невозможность использования функций плавного пуска на приводе 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 безальтернативным. 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.

Если рассматривать затраты на модернизацию, то с одной стороны сегодня из-за массового производства в Китае стоимость бюджетных маломощных преобразователей частоты достаточно демократична. Однако если оценивать общие затраты на модернизацию схемы с учетом дополнительных элементов и затрат на переоборудование, а также беря во внимание ресурс работы, поддержку производителя и ремонтопригодность в долгосрочной перспективе, применение устройства БиСТАРТ-Р в конечном счете является более экономичным и надежным.

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. 

<< К содержанию