Entraînement électrique automatisé des mécanismes de grue avec commande par thyristor

Les systèmes modernes d'entraînements électriques des mécanismes de grue sont principalement mis en œuvre à l'aide de moteurs asynchrones, dont la vitesse est contrôlée par la méthode relais-contacteur en introduisant des résistances dans le circuit du rotor. Ces entraînements électriques ont une petite plage de contrôle de vitesse et lors du démarrage et de l'arrêt, ils créent des coups de pied et des accélérations importants, ce qui affecte négativement les performances de la structure de la grue, entraîne un balancement de la charge et limite l'utilisation de tels systèmes sur des grues à hauteur et levage accrus. capacité.

Le développement de la technologie des semi-conducteurs de puissance permet d'introduire des solutions fondamentalement nouvelles dans la structure de l'entraînement électrique automatisé des installations de grue. Actuellement, un entraînement électrique réglable avec des moteurs à courant continu entraînés par de puissants convertisseurs à thyristors est utilisé sur les mécanismes de levage et de déplacement des grues à tour et des ponts roulants - système TP - D.

La vitesse du moteur dans de tels systèmes est régulée dans la plage (20 ÷ 30): I en modifiant la tension d'induit. Dans le même temps, lors des processus transitoires, le système garantit que les accélérations et les coups de pied sont obtenus dans les normes spécifiées.

De bonnes qualités de régulation se manifestent également dans un entraînement électrique asynchrone, lorsqu'un convertisseur à thyristor est connecté au circuit stator d'un moteur asynchrone (AM). La modification de la tension du stator du moteur dans un ACS fermé permet de limiter le couple de démarrage, d'obtenir une accélération (décélération) douce du variateur et la plage de contrôle de vitesse nécessaire.

L'utilisation de convertisseurs à thyristor dans l'entraînement électrique automatisé des mécanismes de grue est de plus en plus utilisée dans la pratique nationale et étrangère. Afin de se familiariser avec le principe de fonctionnement et les possibilités de telles installations, arrêtons-nous brièvement sur deux variantes de schémas de commande pour moteurs à courant continu et à courant alternatif.

En figue. 1 montre un schéma de principe de la commande par thyristor d'un moteur à courant continu à excitation indépendante pour un mécanisme de levage de pont roulant. L'induit du moteur est alimenté par un convertisseur à thyristors réversible, qui se compose d'un transformateur de puissance Tr, qui sert à adapter la tension du convertisseur et la charge, deux groupes de thyristors T1 — T6 et T7 — ​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​ réacteurs de lissage 1UR et 2UR, qui sont tous deux des réacteurs de lissage rendus insaturés .

Riz. 1. Schéma de l'entraînement électrique de la grue selon le système TP-D.

Le groupe de thyristors T1 - T6 fonctionne comme un redresseur lors du levage et un onduleur lors de l'abaissement de charges lourdes, car le sens du courant dans le circuit d'induit du moteur pour ces modes est le même. Le deuxième groupe de thyristors T7 - ​​​​T12, fournissant la direction opposée du courant d'induit, fonctionne comme un redresseur pendant la mise hors tension et dans les modes transitoires de démarrage du moteur pour abaisser les freins, comme un onduleur lors de l'arrêt en cours de levage charges ou crochet.

Contrairement aux mécanismes de déplacement des grues, où les groupes de thyristors doivent être les mêmes, pour les mécanismes de levage, la puissance des thyristors du deuxième groupe peut être inférieure à celle du premier, car le courant du moteur pendant la mise hors tension est très inférieur à celui du levage et de l'abaissement de charges lourdes. charges.

La régulation de la tension redressée du convertisseur à thyristor (TC) est effectuée à l'aide d'un système de contrôle de phase d'impulsion à semi-conducteur composé de deux blocs SIFU-1 et SIFU-2 (Fig. 1), chacun fournissant deux impulsions d'amorçage au correspondant thyristor décalé de 60°.

Pour simplifier le système de contrôle et augmenter la fiabilité de l'entraînement électrique, ce schéma utilise le contrôle coordonné du TP réversible. Pour cela, les caractéristiques de gestion et les systèmes de gestion des deux groupes doivent être étroitement liés. Si les impulsions de déverrouillage sont fournies aux thyristors T1 - T6, fournissant le mode de fonctionnement correctif de ce groupe, les impulsions de déverrouillage sont fournies aux thyristors T7 - ​​​​T12 afin que ce groupe soit préparé pour le fonctionnement par l'onduleur.

Les angles de commande α1 et α2 pour tous les modes de fonctionnement du TP doivent être modifiés de manière à ce que la tension moyenne du groupe redresseur ne dépasse pas la tension du groupe onduleur, c'est-à-dire si cette condition n'est pas remplie, alors le courant d'égalisation redressé circulera entre les deux groupes de thyristors, ce qui charge en plus les vannes et le transformateur et peut également provoquer le déclenchement de la protection.

Cependant, même avec l'adaptation correcte des angles de commande α1 et α2 des thyristors des groupes redresseur et onduleur, la circulation d'un courant alternatif d'égalisation est possible en raison de l'inégalité des valeurs instantanées des tensions UαB et UαI. Pour limiter ce courant d'égalisation, des selfs d'égalisation 1UR et 2UR sont utilisées.

Le courant d'induit du moteur passe toujours par l'un des réacteurs, grâce auquel les ondulations de ce courant sont réduites, et le réacteur lui-même est partiellement saturé. Le deuxième réacteur, traversé uniquement par un courant d'égalisation, reste non saturé et limite iyp.

L'entraînement de grue électrique à thyristors possède un système de commande à boucle unique (CS) réalisé à l'aide d'un amplificateur magnétique sommateur réversible à grande vitesse SMUR, qui est alimenté par un générateur de tension rectangulaire avec une fréquence de 1000 Hz. En présence d'une coupure de courant, un tel système de contrôle permet d'obtenir des caractéristiques statiques satisfaisantes et une haute qualité des processus transitoires.

Le système de commande de l'entraînement électrique contient une rétroaction négative pour la tension et le courant intermittents du moteur, ainsi qu'une faible rétroaction positive pour la tension Ud.Le signal dans le circuit des bobines de commande du SMUR est déterminé par la différence entre la tension de référence Uc provenant de la résistance R4 et la tension de rétroaction αUd prise du potentiomètre POS. La valeur et la polarité du signal de commande, qui détermine la vitesse et le sens de rotation de l'entraînement, sont régulées par le contrôleur KK.

La tension inverse Ud est coupée à l'aide de diodes zener au silicium connectées en parallèle avec les enroulements principaux du SMUR. Si la différence de tension Ud — aUd est supérieure à Ust.n, alors les diodes Zener conduisent le courant et la tension des bobines de commande devient égale à Uz.max = Ust.n.

A partir de ce moment, la variation du signal aUd vers la diminution n'affecte pas le courant dans les enroulements principaux du SMUR, c'est-à-dire la rétroaction négative pour la tension Ud ne fonctionne pas, ce qui se produit généralement à des courants de moteur Id> (1,5 ÷ 1,8) Id .n.

Si le signal de rétroaction aUd se rapproche du signal de référence Uz, alors la tension sur les diodes zener devient inférieure à Ust.n et le courant ne les traverse pas. Le courant dans les enroulements principaux du SMUR sera déterminé par la différence de tension U3 - aUd et dans ce cas, la rétroaction de tension négative entre en jeu.

Le signal de retour de courant négatif provient de deux groupes de transformateurs de courant TT1 — TT3 et TT4 — TT8, travaillant avec des groupes de thyristors T1 — T6 et T7 — T12, respectivement. Dans l'interrupteur de courant BTO, la tension alternative triphasée U2TT ≡ Id obtenue sur les résistances R est redressée, et à travers les diodes Zener, qui agissent comme tension de référence, le signal Uto.s est envoyé aux enroulements de courant du SMUR , abaissant le résultat résultant à l'entrée de l'amplificateur.Cela réduit la tension du convertisseur Ud et limite le courant du circuit d'induit Id en modes statique et dynamique.

Afin d'obtenir un facteur de remplissage élevé des caractéristiques mécaniques ω = f (M) de l'entraînement électrique et de maintenir une accélération (décélération) constante dans les modes transitoires, en plus des connexions énumérées ci-dessus, une rétroaction positive est appliquée dans le circuit par tension.

Le facteur de gain de cette liaison est choisi kpn = 1 / kpr ≈ ΔUy / ΔUd. conformément à la section initiale de la caractéristique Ud = f (Uy) du convertisseur, mais avec un ordre inférieur au coefficient α de la contre-réaction sur Ud. L'effet de cette relation se manifeste principalement dans la zone de discontinuité actuelle, fournissant des sections à fort pendage de la caractéristique.

En figue. 2, a montre les caractéristiques statiques du variateur de levage pour différentes valeurs de la tension de référence U3 correspondant à différentes positions du contrôleur.

En première approximation, on peut supposer que dans les modes de transition de démarrage, d'inversion et d'arrêt, le point de fonctionnement dans les axes de coordonnées ω = f (M) se déplace le long de la caractéristique statique. Alors l'accélération du système :

où ω est la vitesse angulaire, Ma est le moment développé par le moteur, Mc est le moment de résistance de la charge mobile, ΔMc est le moment des pertes dans les engrenages, J est le moment d'inertie ramené à l'arbre du moteur.

Si nous ignorons les pertes de transmission, la condition d'égalité d'accélération lors du démarrage du moteur de haut en bas, ainsi que lors de l'arrêt de haut en bas est l'égalité des moments dynamiques de l'entraînement électrique, c'est-à-dire Mdin.p = Mdin.s.Pour remplir cette condition, les caractéristiques statiques de l'entraînement de levage doivent être asymétriques par rapport à l'axe de vitesse (Mstop.p> Mstop.s) et avoir un front raide dans la région de la valeur du moment de freinage (Fig. 2, a) .

Riz. 2. Caractéristiques mécaniques de l'entraînement électrique selon le système TP-D : a — mécanisme de levage, b — mécanisme de déplacement.

Pour les entraînements des mécanismes de déplacement des grues, le caractère réactif du moment résistant, qui ne dépend pas du sens de marche, doit être pris en compte. À la même valeur de couple moteur, le couple résistant réactif ralentira le processus de démarrage et accélérera le processus d'arrêt du variateur.

Pour éliminer ce phénomène, qui peut entraîner un patinage des roues motrices et une usure rapide des transmissions mécaniques, il est nécessaire de maintenir des accélérations sensiblement constantes lors des démarrages, des marches arrière et des arrêts dans les mécanismes d'entraînement. Ceci est réalisé en obtenant les caractéristiques statiques ω = f (M) illustrées à la Fig. 2, b.

Les types spécifiés de caractéristiques mécaniques de l'entraînement électrique peuvent être obtenus en faisant varier de manière correspondante les coefficients de rétroaction de courant négatif Id et de rétroaction de tension positive Ud.

Le schéma de commande complet de l'entraînement électrique commandé par thyristor du pont roulant comprend toutes les connexions de verrouillage et les circuits de protection qui sont décrits dans les schémas donnés précédemment.

Lors de l'utilisation de TP dans l'entraînement électrique des mécanismes de grue, il convient de prêter attention à leur alimentation électrique.Le caractère non sinusoïdal important du courant consommé par les convertisseurs provoque une distorsion de la forme d'onde de la tension à l'entrée du convertisseur. Ces distorsions affectent le fonctionnement de la section de puissance du convertisseur et du système de contrôle de phase d'impulsion (SPPC). La distorsion de la forme d'onde de la tension de ligne entraîne une sous-utilisation importante du moteur.

La distorsion de la tension d'alimentation a un effet important sur le SPPD, en particulier en l'absence de filtres d'entrée. Dans certains cas, ces distorsions peuvent entraîner l'ouverture complète et aléatoire des thyristors. Ce phénomène peut être éliminé au mieux en alimentant le SPPHU à partir de chariots séparés connectés à un transformateur qui n'a pas de charge de redresseur.

Les possibilités d'utilisation des thyristors pour contrôler la vitesse des moteurs asynchrones sont très diverses - ce sont des convertisseurs de fréquence à thyristors (onduleurs autonomes), des régulateurs de tension à thyristors inclus dans le circuit du stator, des régulateurs d'impulsion de résistance et de courants dans les circuits électriques, etc. .

Dans les entraînements électriques de grue, les régulateurs de tension à thyristors et les régulateurs d'impulsions sont principalement utilisés, ce qui est dû à leur relative simplicité et fiabilité.Cependant, l'utilisation de chacun de ces régulateurs séparément ne répond pas entièrement aux exigences des entraînements électriques des mécanismes de grue.

En effet, lorsque seul un régulateur de résistance impulsionnelle est utilisé dans le circuit rotorique d'un moteur à induction, il est possible de prévoir une zone de régulation limitée par la nature et correspondant aux caractéristiques mécaniques du rhéostat d'impédance, c'est-à-direla zone de réglage correspond au mode moteur et au mode opposition avec remplissage incomplet des quadrants I et IV ou III et II du plan des caractéristiques mécaniques.

L'utilisation d'un régulateur de tension à thyristor, notamment réversible, permet essentiellement d'avoir une zone de contrôle de vitesse couvrant toute la partie travaillante du plan M, ω de -ωn à + ωn et de — Mk à + Mk. Cependant, dans ce cas, il y aura des pertes de glissement importantes dans le moteur lui-même, ce qui oblige à surestimer considérablement sa puissance installée et, par conséquent, ses dimensions.

À cet égard, des systèmes d'entraînement électrique asynchrone pour les mécanismes de grue sont créés, où le moteur est contrôlé par une combinaison de régulation pulsée de la résistance dans le rotor et de changements de la tension fournie au stator. Cela remplit les quatre quadrants des performances mécaniques.

Un diagramme schématique d'une telle commande combinée est illustré à la Fig. 3. Le circuit du rotor comprend un circuit de commande d'impulsion de résistance dans le circuit de courant redressé. Les paramètres du circuit sont choisis pour assurer le fonctionnement du moteur dans les quadrants I et III dans les zones entre le rhéostat et les caractéristiques naturelles (sur la Fig. 4, ombrée par des lignes verticales).

Riz. 3. Schéma d'un entraînement électrique de grue avec un régulateur à thyristor de la tension du stator et un contrôle par impulsion de la résistance du rotor.

Afin de contrôler la vitesse dans les zones entre les caractéristiques du rhéostat et l'axe de vitesse ombré par des lignes horizontales sur la fig. 4, ainsi que pour inverser le moteur, un régulateur de tension à thyristors est utilisé, constitué de paires de thyristors antiparallèles 1-2, 4-5, 6-7, 8-9, 11-12.La modification de la tension fournie au stator s'effectue en ajustant l'angle d'ouverture des paires de thyristors 1-2, 6-7, 11-12-pour un sens de rotation et 4-5, 6-7, 8-9-pour l'autre direction de rotation.

Riz. 4. Règles de commande combinée d'un moteur à induction.

Pour obtenir des caractéristiques mécaniques rigides et limiter les couples moteurs, le circuit fournit une rétroaction vitesse et courant rotor redressé assurée par une génératrice tachymétrique TG et un transformateur DC (amplificateur magnétique) TPT

Il est plus facile de remplir tout le quadrant I en connectant un condensateur avec une résistance R1 en série (Fig. 3). Dans ce cas, la résistance équivalente dans le courant rotorique redressé peut varier de zéro à l'infini et ainsi le courant rotorique peut être contrôlé de la valeur maximale à zéro.

La plage de régulation de la vitesse du moteur dans un tel schéma s'étend jusqu'à l'axe des ordonnées, mais la valeur de la capacité du condensateur s'avère très importante.

Pour remplir tout le quadrant I à des valeurs de capacité inférieures, la résistance de la résistance R1 est divisée en étapes distinctes. Dans le premier étage, une capacité est introduite successivement, qui est activée à des courants faibles. Les étapes sont supprimées par une méthode d'impulsion, suivie d'un court-circuit de chacune d'elles à travers des thyristors ou des contacteurs. Le remplissage de la totalité du quadrant I peut également être obtenu en combinant des changements pulsés de résistance avec un fonctionnement pulsé du moteur. Un tel schéma est illustré à la fig. 5.

Dans la zone comprise entre l'axe des vitesses et la caractéristique du rhéostat (Fig. 4), le moteur fonctionne en mode impulsionnel.Dans le même temps, les impulsions de commande ne sont pas fournies au thyristor T3 et celui-ci reste fermé tout le temps. Le circuit qui réalise le mode impulsionnel du moteur se compose d'un thyristor de travail T1, d'un thyristor auxiliaire T2, d'un condensateur de commutation C et de résistances R1 et R2. Lorsque le thyristor T1 est ouvert, le courant traverse la résistance R1. Le condensateur C est chargé à une tension égale à la chute de tension aux bornes de R1.

Lorsqu'une impulsion de commande est appliquée au thyristor T2, la tension du condensateur est appliquée en sens inverse au thyristor T1 et le ferme. En même temps, le condensateur se recharge. La présence d'inductance moteur conduit au fait que le processus de recharge du condensateur est de nature oscillatoire, à la suite de quoi le thyristor T2 se ferme tout seul sans donner de signaux de commande, et le circuit du rotor s'avère être ouvert. Ensuite, une impulsion de commande est appliquée au thyristor T1 et tous les processus sont répétés à nouveau.

Riz. 5. Schéma de commande combinée par impulsion d'un moteur asynchrone

Ainsi, avec la fourniture périodique de signaux de commande aux thyristors, pendant une partie de la période, un courant circule dans le rotor, déterminé par la résistance de la résistance R1. Dans l'autre partie de la période, le circuit rotorique s'avère ouvert, le couple développé par le moteur est nul, et son point de fonctionnement est sur l'axe des vitesses. En modifiant la durée relative du thyristor T1 pendant la période, il est possible d'obtenir la valeur moyenne du couple développé par le moteur de zéro à la valeur maximale correspondant au fonctionnement de la caractéristique du rhéostat lorsque le rotor R1 est introduit dans le circuit

En utilisant diverses rétroactions, il est possible d'obtenir des caractéristiques du type souhaité dans la région comprise entre l'axe des vitesses et la caractéristique du rhéostat. Le passage dans la zone entre le rhéostat et les caractéristiques naturelles nécessite que le thyristor T2 reste fermé à tout moment et que le thyristor T1 reste ouvert à tout moment. En court-circuitant la résistance R1 à l'aide d'un interrupteur avec le thyristor principal T3, il est possible de faire passer en douceur la résistance dans le circuit du rotor de la valeur R1 à 0, fournissant ainsi une caractéristique naturelle du moteur.

Le mode impulsionnel du moteur commuté dans le circuit rotorique peut également être réalisé en mode freinage dynamique. En utilisant différentes rétroactions, en l'occurrence dans le quadrant II, on peut obtenir les caractéristiques mécaniques souhaitées. À l'aide du schéma de commande logique, il est possible d'effectuer une transition automatique du moteur d'un mode à un autre et de remplir tous les quadrants des caractéristiques mécaniques.