Acionamento elétrico automatizado de mecanismos de guindaste com controle tiristorizado

Sistemas modernos de acionamentos elétricos de mecanismos de guindaste são implementados principalmente usando motores assíncronos, cuja velocidade é controlada pelo método relé-contator, introduzindo resistências no circuito do rotor. Esses acionamentos elétricos têm uma pequena faixa de controle de velocidade e, ao iniciar e parar, criam grandes saltos e acelerações, o que afeta negativamente o desempenho da estrutura do guindaste, leva à oscilação da carga e limita o uso de tais sistemas em guindastes com maior altura e levantamento capacidade .

O desenvolvimento da tecnologia de semicondutores de potência possibilita a introdução de soluções fundamentalmente novas na estrutura do acionamento elétrico automatizado de instalações de guindastes. Atualmente, um acionamento elétrico ajustável com motores DC acionados por potentes conversores tiristores é utilizado nos mecanismos de elevação e movimentação de guindastes de torre e pontes rolantes - sistema TP - D.

A velocidade do motor em tais sistemas é regulada na faixa (20 ÷ 30): I alterando a tensão da armadura. Ao mesmo tempo, durante os processos transientes, o sistema garante que as acelerações e chutes sejam obtidos dentro das normas especificadas.

Boas qualidades de regulação também se manifestam em um acionamento elétrico assíncrono, quando um conversor de tiristor é conectado ao circuito do estator de um motor assíncrono (AM). Alterar a tensão do estator do motor em um ACS fechado permite limitar o torque de partida, obtendo uma aceleração (desaceleração) suave do inversor e a faixa de controle de velocidade necessária.

O uso de conversores de tiristor no acionamento elétrico automatizado de mecanismos de guindaste é cada vez mais usado na prática doméstica e estrangeira. Para nos familiarizarmos com o princípio de operação e as possibilidades de tais instalações, vamos nos deter brevemente em duas variantes de esquemas de controle para motores CC e CA.

Na fig. 1 mostra um diagrama esquemático do controle tiristorizado de um motor CC de excitação independente para um mecanismo de elevação de ponte rolante. A armadura do motor é alimentada por um conversor tiristor reversível, que consiste em um transformador de potência Tr, que serve para igualar a tensão do conversor e a carga, dois grupos de tiristores T1 — T6 e T7 —​​​​​ ​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​, reatores de alisamento 1UR e 2UR, ambos reatores de alisamento insaturados .

Arroz. 1. Esquema do acionamento elétrico do guindaste de acordo com o sistema TP-D.

O grupo de tiristores T1 - T6 funciona como retificador ao levantar e inversor ao abaixar cargas pesadas, pois o sentido da corrente no circuito da armadura do motor para esses modos é o mesmo. O segundo grupo de tiristores T7 - ​​​​T12, fornecendo a direção oposta da corrente da armadura, funciona como um retificador durante o desligamento e nos modos transitórios de partida do motor para abaixar os freios, como um inversor ao parar no processo de levantamento cargas ou gancho.

Ao contrário dos mecanismos para guindastes móveis, onde os grupos de tiristores devem ser os mesmos, para mecanismos de elevação, a potência dos tiristores do segundo grupo pode ser menor que a do primeiro, pois a corrente do motor durante o desligamento é muito menor do que ao levantar e abaixar cargas pesadas cargas.

A regulação da tensão retificada do conversor tiristor (TC) é realizada usando um sistema de controle de fase de pulso semicondutor que consiste em dois blocos SIFU-1 e SIFU-2 (Fig. 1), cada um dos quais fornece dois pulsos de disparo ao correspondente deslocamento do tiristor em 60 °.

Para simplificar o sistema de controle e aumentar a confiabilidade do acionamento elétrico, este esquema usa o controle coordenado do TP reversível. Para isso, as características de gestão e os sistemas de gestão dos dois grupos devem estar intimamente ligados. Se os pulsos de desbloqueio forem fornecidos aos tiristores T1 - T6, fornecendo o modo de operação corretivo deste grupo, os pulsos de desbloqueio serão fornecidos aos tiristores T7 - ​​​​T12 para que este grupo seja preparado para operação pelo inversor.

Os ângulos de controle α1 e α2 para quaisquer modos de operação do TP devem ser alterados de forma que a tensão média do grupo retificador não exceda a tensão do grupo inversor, ou seja, se esta condição não for atendida, a corrente de equalização retificada fluirá entre os dois grupos de tiristores, o que adicionalmente carrega as válvulas e o transformador e também pode causar o disparo da proteção.

No entanto, mesmo com a correspondência correta dos ângulos de controle α1 e α2 dos tiristores dos grupos retificador e inversor, o fluxo de uma corrente de equalização alternada é possível devido à desigualdade dos valores instantâneos das tensões UαB e UαI. Para limitar esta corrente de equalização, são utilizados reatores de equalização 1UR e 2UR.

A corrente de armadura do motor sempre passa por um dos reatores, pelo que as ondulações dessa corrente são reduzidas, e o próprio reator fica parcialmente saturado. O segundo reator, através do qual apenas a corrente de equalização flui atualmente, permanece insaturado e limita iyp.

O acionamento do guindaste elétrico tiristorizado possui um sistema de controle de loop único (CS) feito por meio de um amplificador magnético de soma reversível de alta velocidade SMUR, que é alimentado por um gerador de tensão retangular com frequência de 1000 Hz. Na presença de uma falha de energia, tal sistema de controle permite obter características estáticas satisfatórias e alta qualidade de processos transitórios.

O sistema de controle do acionamento elétrico contém feedback negativo para a tensão e corrente intermitentes do motor, bem como um feedback positivo fraco para a tensão Ud.O sinal no circuito das bobinas de acionamento SMUR é determinado pela diferença entre a tensão de referência Uc proveniente do resistor R4 e a tensão de realimentação αUd obtida do potenciômetro POS. O valor e a polaridade do sinal de comando, que determina a velocidade e o sentido de rotação do acionamento, são regulados pelo controlador KK.

A tensão reversa Ud é cortada usando diodos zener de silício conectados em paralelo com os enrolamentos principais SMUR. Se a diferença de tensão Ud — aUd for maior que Ust.n, então os diodos zener conduzem corrente e a tensão das bobinas de controle torna-se igual a Uz.max = Ust.n.

A partir deste ponto, a mudança no sinal aUd para diminuir não afeta a corrente nos enrolamentos principais do SMUR, ou seja, a realimentação negativa para a tensão Ud não funciona, o que geralmente acontece nas correntes do motor Id> (1,5 ÷ 1,8) Id .n.

Se o sinal de realimentação aUd se aproximar do sinal de referência Uz, então a tensão nos diodos zener torna-se menor que Ust.n e a corrente não flui através deles. A corrente nos enrolamentos principais do SMUR será determinada pela diferença de tensão U3 — aUd e, neste caso, o feedback negativo da tensão entra em ação.

O sinal de realimentação de corrente negativa é obtido de dois grupos de transformadores de corrente TT1 — TT3 e TT4 — TT8, trabalhando com grupos de tiristores T1 — T6 e T7 —​​T12, respectivamente. No interruptor de corrente BTO, a tensão alternada trifásica U2TT ≡ Id obtida nos resistores R é retificada e, através dos diodos zener, que atuam como tensão de referência, o sinal Uto.s é alimentado aos enrolamentos de corrente do SMUR , diminuindo o resultado resultante na entrada do amplificador.Isso reduz a tensão Ud do conversor e limita a corrente Id do circuito de armadura nos modos estático e dinâmico.

Para obter um alto fator de preenchimento das características mecânicas ω = f (M) do acionamento elétrico e manter uma aceleração (desaceleração) constante em modos transitórios, além das conexões listadas acima, um feedback positivo é aplicado no circuito por tensão.

O fator de ganho desta conexão é escolhido kpn = 1 / kpr ≈ ΔUy / ΔUd. de acordo com a seção inicial da característica Ud = f (Uy) do conversor, mas com uma ordem menor que o coeficiente α da realimentação negativa em Ud. O efeito dessa relação se manifesta principalmente na atual zona de descontinuidade, fornecendo seções de mergulho acentuado do recurso.

Na fig. 2, a mostra as características estáticas do acionamento do guindaste para diferentes valores da tensão de referência U3 correspondentes a diferentes posições do controlador.

Como primeira aproximação, pode-se supor que nos modos de transição partida, reversão e parada, o ponto de operação nos eixos coordenados ω = f (M) se move ao longo da característica estática. Então a aceleração do sistema:

onde ω é a velocidade angular, Ma é o momento desenvolvido pelo motor, Mc é o momento de resistência da carga móvel, ΔMc é o momento de perdas nas engrenagens, J é o momento de inércia reduzido ao eixo do motor.

Se ignorarmos as perdas de transmissão, então a condição para a igualdade de aceleração ao ligar o motor para cima e para baixo, bem como ao parar de cima para baixo é a igualdade dos momentos dinâmicos do acionamento elétrico, ou seja, Mdin.p = Mdin.s.Para cumprir esta condição, as características estáticas do acionamento do guindaste devem ser assimétricas em relação ao eixo de velocidade (Mstop.p> Mstop.s) e ter uma frente íngreme na região do valor do momento de frenagem (Fig. 2, a) .

Arroz. 2. Características mecânicas do acionamento elétrico de acordo com o sistema TP-D: a — mecanismo de elevação, b — mecanismo de movimento.

Para os acionamentos dos mecanismos de deslocamento do guindaste, deve-se levar em consideração a natureza reativa do momento de resistência, que não depende da direção do deslocamento. Com o mesmo valor de torque do motor, o torque de resistência reativa retardará o processo de partida e acelerará o processo de parada do inversor.

Para eliminar esse fenômeno, que pode levar ao deslizamento das rodas motrizes e ao desgaste rápido das transmissões mecânicas, é necessário manter acelerações aproximadamente constantes durante a partida, reversão e parada nos mecanismos de acionamento. Isso é obtido obtendo-se as características estáticas ω = f (M) mostradas na Fig. 2, b.

Os tipos especificados de características mecânicas do acionamento elétrico podem ser obtidos variando correspondentemente os coeficientes de realimentação de corrente negativa Id e realimentação de tensão positiva Ud.

O esquema de controle completo do acionamento elétrico controlado por tiristor da ponte rolante inclui todas as conexões de intertravamento e circuitos de proteção que são discutidos nos diagramas fornecidos anteriormente.

Ao utilizar o TP no acionamento elétrico dos mecanismos do guindaste, deve-se atentar para a alimentação dos mesmos.A significativa natureza não senoidal da corrente consumida pelos conversores causa distorção da forma de onda da tensão na entrada do conversor. Essas distorções afetam a operação da seção de potência do conversor e o sistema de controle de fase de pulso (SPPC). A distorção da forma de onda da tensão da linha causa subutilização significativa do motor.

A distorção da tensão de alimentação tem um forte efeito no SPPD, especialmente na ausência de filtros de entrada. Em alguns casos, essas distorções podem fazer com que os tiristores abram totalmente aleatoriamente. Este fenômeno pode ser melhor eliminado alimentando o SPPHU de carrinhos separados conectados a um transformador que não possui uma carga de retificador.

As formas possíveis de usar tiristores para controlar a velocidade de motores assíncronos são muito diversas - são conversores de frequência tiristores (inversores autônomos), reguladores de tensão tiristores incluídos no circuito do estator, reguladores de impulso de resistência e correntes em circuitos elétricos, etc.

Nos acionamentos elétricos de guindastes, são utilizados principalmente reguladores de tensão tiristores e reguladores de pulso, devido à sua relativa simplicidade e confiabilidade.No entanto, o uso de cada um desses reguladores separadamente não atende totalmente aos requisitos para acionamentos elétricos de mecanismos de guindaste.

De fato, quando apenas um regulador de resistência de pulso é usado no circuito do rotor de um motor de indução, é possível fornecer uma zona de regulação limitada por natural e correspondente às características mecânicas do reostato de impedância, ou seja,a zona de ajuste corresponde ao modo motor e ao modo oposição com preenchimento incompleto dos quadrantes I e IV ou III e II do plano de características mecânicas.

O uso de um regulador de tensão tiristorizado, especialmente reversível, basicamente fornece uma zona de controle de velocidade cobrindo toda a parte de trabalho do plano M, ω de -ωn a + ωn e de - Mk a + Mk. Porém, neste caso, haverá perdas significativas de deslizamento no próprio motor, o que leva à necessidade de superestimar significativamente sua potência instalada e, consequentemente, suas dimensões.

Nesta conexão, são criados sistemas de acionamento elétrico assíncrono para mecanismos de guindaste, onde o motor é controlado por uma combinação de regulação pulsada da resistência no rotor e mudanças na tensão fornecida ao estator. Isso preenche os quatro quadrantes do desempenho mecânico.

Um diagrama esquemático de tal controle combinado é mostrado na Fig. 3. O circuito do rotor inclui um circuito de controle de pulso de resistência no circuito de corrente retificada. Os parâmetros do circuito são selecionados para garantir o funcionamento do motor nos quadrantes I e III nas áreas entre o reostato e as características naturais (na Fig. 4 sombreado com linhas verticais).

Arroz. 3. Esquema de um acionamento elétrico de guindaste com um tiristor regulador da tensão do estator e controle de impulso da resistência do rotor.

Para controlar a velocidade nas áreas entre as características do reostato e o eixo de velocidade sombreado por linhas horizontais na fig. 4, bem como para inverter o motor, é usado um regulador de tensão tiristor, composto por pares de tiristores antiparalelos 1—2, 4—5, 6—7, 8—9, 11—12.A alteração da tensão fornecida ao estator é realizada ajustando o ângulo de abertura dos pares de tiristores 1-2, 6-7, 11-12 - para um sentido de rotação e 4-5, 6-7, 8-9 - para outro direção de rotação.

Arroz. 4. Regras para controle combinado de um motor de indução.

Para obter características mecânicas rígidas e limitar os torques do motor, o circuito fornece realimentação de velocidade e corrente do rotor retificada fornecida por um tacogerador TG e um transformador DC (amplificador magnético) TPT

É mais fácil preencher todo o quadrante I conectando um capacitor com resistência R1 em série (Fig. 3). Neste caso, a resistência equivalente na corrente do rotor retificado pode variar de zero ao infinito e assim a corrente do rotor pode ser controlada do valor máximo a zero.

A faixa de regulação da velocidade do motor em tal esquema se estende até o eixo das ordenadas, mas o valor da capacitância do capacitor acaba sendo muito significativo.

Para preencher todo o quadrante I com valores de capacitância mais baixos, a resistência do resistor R1 é dividida em etapas separadas. No primeiro estágio, a capacitância é sucessivamente introduzida, a qual é ligada em baixas correntes. As etapas são removidas por um método de pulso, seguido de um curto-circuito de cada uma delas através de tiristores ou contatores. O preenchimento de todo o quadrante I também pode ser obtido combinando mudanças pulsadas na resistência com operação pulsada do motor. Tal esquema é mostrado na fig. 5.

Na área entre o eixo de velocidade e a característica do reostato (Fig. 4), o motor opera em modo de pulso.Ao mesmo tempo, os pulsos de controle não são fornecidos ao tiristor T3 e ele permanece fechado o tempo todo. O circuito que realiza o modo de pulso do motor consiste em um tiristor de trabalho T1, um tiristor auxiliar T2, um capacitor de comutação C e os resistores R1 e R2. Quando o tiristor T1 está aberto, a corrente flui através do resistor R1. O capacitor C é carregado com uma tensão igual à queda de tensão em R1.

Quando um pulso de controle é aplicado ao tiristor T2, a tensão do capacitor é aplicada na direção oposta ao tiristor T1 e o fecha. Ao mesmo tempo, o capacitor está sendo recarregado. A presença de indutância do motor leva ao fato de que o processo de recarga do capacitor é de natureza oscilatória, pelo que o tiristor T2 fecha sozinho sem dar sinais de controle, e o circuito do rotor fica aberto. Em seguida, um pulso de controle é aplicado ao tiristor T1 e todos os processos são repetidos novamente.

Arroz. 5. Esquema de controle combinado de impulso de um motor assíncrono

Assim, com o fornecimento periódico de sinais de controle aos tiristores, em alguma parte do período, uma corrente flui no rotor, determinada pela resistência do resistor R1. Na outra parte do período, o circuito do rotor fica aberto, o torque desenvolvido pelo motor é zero e seu ponto de operação está no eixo de velocidade. Ao alterar a duração relativa do tiristor T1 durante o período, é possível obter o valor médio do torque desenvolvido pelo motor de zero ao valor máximo correspondente à operação da característica do reostato quando o rotor R1 é introduzido no o circuito

Usando vários feedbacks, é possível obter características do tipo desejado na região entre o eixo de velocidade e a característica do reostato. A transição para a região entre o reostato e as características naturais exige que o tiristor T2 permaneça sempre fechado e o tiristor T1 sempre aberto. Ao curto-circuitar a resistência R1 usando uma chave com o tiristor principal T3, é possível alterar suavemente a resistência no circuito do rotor do valor R1 para 0, fornecendo assim uma característica natural do motor.

O modo de impulso do motor comutado no circuito do rotor também pode ser executado no modo de frenagem dinâmica. Utilizando diferentes realimentações, neste caso, no quadrante II, podem ser obtidas as características mecânicas desejadas. Com a ajuda do esquema de controle lógico, é possível realizar uma transição automática do motor de um modo para outro e preencher todos os quadrantes das características mecânicas.