Общие сведения об электроприводах (ЭП) грузоподъемных механизмов

Под грузоподъемным механизмом понимается комплекс оборудования и конструкций, предназначенных для переработки различных грузов. Судовые грузоподъемные механизмы с ЭП могут быть классифицированы по назначению и типу передаточного механизма. В зависимости от назначения указанные механизмы бывают грузовые, шлюпочные, лифтовые и др.; по типу передаточного механизма их подразделяют на подъемные механизмы с механической и гидравлической передачами. Грузовые механизмы судов - лебедки и краны составляют наиболее значительную группу палубных механизмов и по назначению могут быть разделены на 4 подгруппы:

лебедки и краны грузоподъемностью до 8 т, обеспечивающие переработку массовых грузов;

грузовые механизмы для перегрузки контейнеров массой от 8 до 32 т, а также тяжеловесных грузов (тяжеловесные лебедки, козловые и мостовые контейнерные краны);

лебедки общесудового назначения (шлюпочные, траповые и др.) и лебедки грузовых и пассажирских лифтов специальные лебедки и краны, применяемые на судах специального назначения (буксирные, траловые, гидрологические и др.)

Грузовые лебедки являются наиболее распространенными грузоподъемными механизмами на судах. Операции переноса груза выполняются грузовыми лебедками с помощью грузовых стрел. Применяют различные сочетания грузовых стрел и лебедок: работа двух лебедок или трех лебедок на один общий гак. В последнем случае 1 лебедка используется для подъема груза, а 2 другие для поворота и изменения вылета стрелы.

Судовые грузовые краны являются автономными механизмами и в отличие от лебедок не требуют дополнительного такелажа. Грузовые краны имеют 3 механизма: подъема груза, изменения вылета стрелы и поворота. Козловые и мостовые контейнерные краны имеют 2 механизма: подъема и передвижения, а в некоторых случаях имеют третий механизм, служащий для захвата контейнеров. Грузовые краны постоянно готовы к действию и обеспечивают более высокую производительность и экономичность перегрузочных работ. Меньший вылет стрелы компенсируется тем, что краны устанавливают вдоль бортов судна, а грузовые люки делают больших размеров. Последнее обстоятельство значительно облегчает размещение грузов внутри трюма. Указанные преимущества обусловили то, что большинство сухогрузных судов теперь оснащают кранами.

По исполнению механической части грузовые лебедки и механизмы подъема крана могут иметь червячный или цилиндрический редуктор. Наибольшее распространение получили грузовые устройства с цилиндрическим редуктором, который по сравнению с червячным обеспечивает более высокий КПД механизма.

В настоящее время на судах находят применение также электро-гидравлическне грузовые краны. Механизмы подъема груза, изменения вылета стрелы и поворота платформы этих кранов приводятся в движение гидравлическими двигателями, в которые подается масло под давлением, создаваемым установленным на кране насосом с приводным ЭД.

Системы управления

Исходя из специфики работы, к электрооборудованию грузовых устройств предъявляют следующие основные требования:

возможность работы в повторно-кратковременном режиме при частых пусках и торможениях;

обеспечение большого момента при пуске и эффективного торможения при остановке;

плавное изменение частоты вращения в широких пределах при обоих направлениях вращения;

возможность плавного пуска и торможения.

Электроприводы грузовых устройств могут быть выполнены на постоянном и переменном токе.

Электроприводы постоянного тока. Обычно в этих ЭП применяют ЭД смешанного возбуждения с контроллерными и релейно-контакторными схемами управления, систему Г-Д, ЭД постоянного тока с тиристорным управлением.

Электроприводы с ЭД постоянного тока смешанного возбуждеия имеют мягкие механические характеристики. Эти характеристики обладают свойством автоматичности, так как с уменьшением нагрузки частота вращения ЭД увеличивается, а при увеличении груза - автоматически снижается. Обычно тяжелые грузы требуют более осторожного обращения, поэтому ЭД постоянного тока, обеспечивая малую скорость их подъема, наиболее удовлетворяют требованиям, предъявляемым к ЭП судовых лебедок. Регулирование частоты вращения ЭД достигается изменением сопротивления цепи якоря; посадочная скорость обеспечивается шунтированием обмотки якоря резистором. Для быстрого подъема и опускания холостого гака увеличение частоты вращения ЭД возможно благодаря ослаблению магнитного потока параллельной обмотки возбуждения. То обстоятельство, что ЭД грузового устройства работает, как правило, с нагрузкой, не превышающей номинального значения, делает лебедку с ЭД постоянного тока производительнее лебедки с АД.

Несмотря на широкое применение переменного тока на судах для грузовых лебедок, в ряде случаев сохраняется ЭП постоянного тока по системе Г-Д. Лебедки с таким ЭП обладают большим диапазоном регулирования рабочих скоростей (до 1: 50). Система Г-Д обеспечивает бесступенчатое плавное регулирование, высокую производительность, удобство управления лебедками. Наряду с этим следует отметить относительную сложность ЭП из-за наличия преобразователей для каждого исполнительного ЭД и, как следствие, более высокую стоимость, более сложное техническое обслуживание.

С развитием полупроводниковой, в том числе тиристорной техники, появилась возможность создания регулируемого тиристорного ЭП с двигателями постоянного тока, питаемого от сети переменного тока. Тиристорное управление позволяет получить плавное глубокое регулирование частоты вращения ЭД и тем самым увеличить производительность грузовых устройств. Достоинством такого ЭП является также отсутствие аппаратуры управления с контакторами и реле, что является основой обеспечения высокой надежности.

Электроприводы переменного тока. Несмотря на указанные достоинства ЭП постоянного тока на судах в грузовых устройствах в основном применяют ЭП переменного тока. Дело в том, что системы управления ЭП постоянного тока сложнее, требуют применения значительно большего количества аппаратов управления, поэтому они менее надежны, нежели системы переменного тока. Упрощает уход за АД и увеличивает их надежность также то, что они не имеют коллекторов. Наконец, более высокий КПД асинхронных двигателей по сравнению с ЭД постоянного тока обусловливает большую экономичность установок с ЭП переменного тока.

На морских судах ЭП переменного тока комплектуют в основном многоскоростными АД с короткозамкнутым ротором и несколько реже АД с фазным ротором. Опыт показал, что для грузовых лебедок и подъемных механизмов судовых кранов наиболее рациональными оказались ЭП с 3-скоростиыми АД, а для механизмов поворота крана и изменения вылета стрелы с 2-скоростными. Подавляющее большинство 3-скоростных АД выполнено с тремя независимыми статорными обмотками. Однако применяют и 3-скоростные АД с двумя независимыми обмотками, из которых одна полюсопереключаемая, обеспечивающая при соот­ветствующих соединениях работу АД на малой и средней частотах вращения, а независимая на высокой.

Большинство 3-скоростных АД выполнено по принципу постоянства момента, что позволяет использовать их для подъема груза на всех трех скоростях. По конструкции ротора все 3-скоростные АД можно разделить на 1- и 2-роторные. Устройство 3-скоростных 1-роторных АД отличается от обычных АД тем, что в пазы статора уложены 3 обмотки, причем чем больше полюсов имеет обмотка, тем ближе она расположена к воздушному зазору. У 2-роторных 3-скоростных АД тихоходный ротор и соответствующий ему пакет статора с многополюсной 3-фазной обмоткой размещены со стороны, противоположной механизму. Быстроходный ротор и статор с двумя электрически несвязанными обмотками расположены со стороны свободного конца вала, т.е. со стороны механизма. Однороторные АД по сравнению с 2-роторными проще по конструкции, технологичнее, обладают меньшими габаритными размерами и массой, вполне приемлемым диапазоном регулирования и малыми моментами инерции. Однако по своей теплоемкости они уступают 2-роторным АД, особенно при длительной работе тихоходных обмоток.

Все зарубежные АД оборудованы независимым охлаждением от автономного электровентилятора, а АД отечественного производства типа МАП охлаждаются с помощью рабочего колеса вентилятора, насаженного на вал (самообдувом). Входное и выходное отверстие для воздуха в нерабочем состоянии обычно закрывают заслонками. Положение заслонок контролируется конечным выключателем, контакт которого включается последовательно с реле нулевой защиты ЭП. С торцовой части, противоположной меха­низму, к корпусу пристроен дисковый электромагнитный тор­моз.

Электроприводы механизмов поворота и изменения вылета стрелы кранов главным образом укомплектованы 1-роторными 2-скоротными АД с одной полюсопереключаемой или с двумя независимыми обмотками.

В ЭД грузовых устройств используют 2 системы тормозов: пристраиваемые к АД тормоза в основном дискового типа с электромагнитным приводом; колодочные тормоза, устанавливаемые на механизмах и имеющие привод от электрогидравлических толкателей. Применяют тормозные электромагниты переменного и постоянного тока. Более надежны в работе тормозные электромагниты постоянного тока. Они не столь чувствительны к появлению грязи и коррозии, как электромагниты переменного тока, и лучше приспособлены к частым включениям и отключениям. Для ускорения срабатывания тормоза применяют форсирование: в момент включения катушки на нее подают повышенное напряжение, а после срабатывания вводят в ее цепь экономический резистор, снижающий ток катушки до значения, необходимого лишь для удержания притянутого якоря.

В каждый ЭП входит соответствующий комплект пускорегулирующей коммутационной аппаратуры, состоящей из магнитного контроллера и командоконтроллера. В магнитный контроллер обычно входят все коммутационные и защитные аппараты, регулировочные и разрядные резисторы, трансформаторы и выпрямители. В ЭП грузовых лебедок аппаратуру магнитных контроллеров раз­мещают обычно в шкафах брызгозащищенного исполнения. В ЭП кранов магнитные контроллеры бывают в двух исполнениях: водозащищенного и открытого. Последние устанавливают непосредственно в кабине крана в закрытой выгородке, защищенной от работающего крановщика. Во всех случаях в магнитных контроллерах устанавливают керамические резисторы для подогрева воздуха в нерабочем состоянии. Командоконтроллеры в зависимости от типа грузового устройства выполняют раздельными или совмещенными. Раздельные контроллеры в основном применяют в ЭП грузовых лебедок, а совмещенные в кранах и механизированных стрелах. Совмещаются главным образом командоконтроллеры ЭП изменения угла наклона и поворота стрелы. Большинство командоконтроллеров оснащено пружинами возврата рукоятки в нулевое положение, что обеспечивает функцию дополнительной защиты.

Системы управления ЭП лебедок и кранов должны обеспечивать автоматическую задержку времени на промежуточных положениях при разгоне и торможении. В ЭП грузоподъемных устройств, требующих ограничения движения, должны быть предусмотрены конечные выключатели, обеспечивающие надежное отключение АД. При этом после остановки при вращении годном направлении АД должен иметь возможность вращаться в обратном направлении.

Для предотвращения работы оборудования в ненормальных и аварийных режимах применяют следующие виды защиты: от коротких замыканий, от перегрузок, грузовую и минимальную. Защита от короткого замыкания осуществляется плавкими предохранителями (только для цепей управления), реле максимального тока и автоматическими выключателями. Защита от перегрузок - защита от повреждений, вызываемых длительным превышением допустимого по нагреву значения тока. Причиной перегрузки может быть неисправность механизма, тормоза или использование другого эксплуатационного режима. В качестве элементов защиты используют электромагнитные токовые реле и тепловые реле. Гру­зовая защита контролирует ток, потребляемый ЭД, но при превышении тока защита не отключает ЭП, а переводит его на новый облегченный режим работы. Минимальная защита отключает грузовое устройство при уменьшении напряжения сети ниже заданного.