Применение преобразователей частоты в кранах и другом подъемно-транспортном оборудовании

Подъемные краны - это механизмы циклического действия, служащие для вертикального и горизонтального перемещения грузов. Основными элементами крана являются подвижная платформа и лебедка. История развития кранов берет начало с 6-го века до нашей эры с Древней Греции. До конца 18 века краны представляли собой деревянные конструкции с ручным приводом, имели маленькую грузоподъемность и слишком ограниченный радиус манипулирования.

Рис.1 Подъемные устройства Леонардо Да Винчи

Производство подъемно-транспортного оборудования всегда было одной из самых динамично развивающихся отраслей машиностроения. Уже в начале 19 века в Англии появились краны, конструкции которых сделаны из металла, а в качестве привода лебедки использовался паровой, а затем, в 1847 году и гидравлический двигатель. История развития привода крана продолжилась использованием двигателя внутреннего сгорания (к концу 19 века) и, наконец, электродвигателя, который оказался самым приемлемым инструментом для перемещения груза.

Рис.2 Поворотный башенный кран с подъемником

Для подъема груза и перемещения  устройства захвата сейчас используют разные типы электродвигателей: асинхронные с фазным ротором, асинхронные с короткозамкнутым ротором, а так же двигатели постоянного тока.

Все механизмы крана имеют кратковременный (S2)  и повторно-кратковременный режим работы. (S3). То есть, работа крана подразумевает частые пуски электродвигателей и его механизмов. Асинхронные двигатели с фазным ротором имеют небольшие пусковые токи за счет включения в цепь ротора  сопротивления (реостатный пуск), разгон двигателей происходит в функции времени посредством реле времени.  К недостаткам использования двигателей данного типа относятся: наличие большого количества контактной аппаратуры требующей обслуживания,  резисторы в цепи ротора имеющие большие габариты и выделяющие тепло, отсутствие возможности плавного регулирования скорости.

Двигатели постоянного тока применяют там, где требуется плавное и глубокое регулирование скорости вращения вала двигателя (например, при высотном строительстве). Регулирование скорости в этом случае осуществляется тиристорным преобразователем.  К недостаткам применения двигателя данного типа можно отнести сложность его конструкции, большую массу, стоимость и потребность в периодическом обслуживании щеточного узла.

Асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором использовались, как правило, в приводе, где не требуется регулирование скорости. Основным их недостатком являлся пусковой ток, который в 6-7 раз превышал номинальный.  Асинхронные двигатели имеют простую конструкцию, надежны  в эксплуатации, не требует обслуживания. Появление частотных преобразователей , позволяющих регулировать скорость вращения асинхронных электродвигателей позволило применять их на всех механизмах крана. Частотные преобразователи позволяют плавно разгонять и останавливать двигатели по заданному закону, регулировать скорость перемещения тележки, крана, подъема груза в процессе работы.

К частотным преобразователям, применяемым в крановом оборудовании, предъявляются определенные требования. В первую очередь это должны быть модели с векторным управлением для обеспечения динамичной работы привода, способные поддерживать требуемый момент на валу асинхронных двигателей даже на малых частотах вращения. Так же это должны быть устройства способные противостоять вибрациям (механическая конструкция крана склонна к колебаниям), имеющие набор специальных функций и высокую перегрузочную способность и широкий диапазон рабочих температур. 

 
Возможность регулирования скорости вращения двигателей с помощью частотных преобразователей позволяет решать следующие задачи характерные для ПТО:

- Простота организации системы управления приводами

  Стандартные дискретные и аналоговые сигналы управления заводятся напрямую из контроллера в частотные преобразователи. Все ПЧ можно объединить в одну сеть (например, Profibus), при  этом выдавать оператору широкий спектр диагностических сообщений.

- Плавный разгон и останов механизмов крана

 Снижаются механические нагрузки и удары на конструкцию крана. Законы разгона и торможения программируются непосредственно в частотных преобразователях.

- Компенсация смещения, перемещение по кривым траекториям

    В случае обширной зоны работы траектория движения обеих ходовых частей крана может изменяться. Тогда ходовые части приводятся в движение от раздельных частотных преобразователей, которые обеспечивают одно и то же заданное значение скорости. Смещение компенсируется за счет подачи на частотный преобразователь одной из ходовых частей дополнительного задания, величина которого вычисляется механически, либо с помощью лазерных датчиков.

- Управление электромеханическим тормозом

 Преобразователи, применяемые в кранах должны иметь эту функцию. Все двигатели ходовой части снабжены электромеханическим тормозом, который накладывается сразу после ее останова.
В случае с механизмом подъема, тормоз должен открываться в точке, когда создается достаточно большой момент, необходимый для удержания груза, но недостаточный для ускорения.

- Рекуперация энергии

  При торможении ходовой, поворотной части, лебедки, асинхронные двигатели работают в генераторном режиме. При этом может выделяться достаточно большое количество энергии (особенно при опускании тяжелого груза с большой высоты). Эту энергию можно рассеивать на тормозных резисторах (преобразователь частоты должен иметь возможность его подключения), либо вернуть обратно в сеть электропитания. Нужно отметить,  что организация рекуперации энергии в сеть (необходимо использовать специальный преобразователь частоты, либо дополнительный преобразователь частоты, работающий в режиме рекуперации) требует значительных вложений, поэтому при проектировании системы управления крана требуется провести расчет экономической эффективности, достигаемой от ее внедрения.

 Так же для повышения КПД крановой установки, преобразователи частоты можно объединить по шине постоянного тока, при этом привод, работающий в генераторном режиме, будет отдавать свою энергию приводам, работающим в двигательном режиме.

 Разработка преобразователей частоты специализированных для крановых применений не стоит на месте, современные модели позволяют управлять все большим количеством вспомогательных устройств крана (что делает возможным  в некоторых случаях отказаться от внешнего контроллера), используют специальные алгоритмы, предотвращающие раскачивание груза, регулирования скорости в зависимости от нагрузки, выбор слабины каната  и т.д.

Для подъемно-транспортного оборудования широко применяются следующие модели преобразователей частоты: VLT® AutomationDrive FC302 фирмы Danfoss, Optidrive Plus фирмы Invertek, Unidrive SP производства Control Techniques. Которые имеют следующие преимущества для данных применений:

Для выбора привода под ваше применение воспользуйтесь конфигуратором электропривода.