В крановом хозяйстве в основном используется вариант управления двигателя по цепи ротора. Классическая контакторно-релейная схема переключения роторного сопротивления представлена на рисунке 1.

Необходимость в нескольких скоростях объясняется нелинейной зависимостью момента от скорости вращения двигателя. В двигателях с фазным ротором нередко пусковой момент может быть меньше номинального. Добавочное активное сопротивление в роторе дает увеличение пускового момента (см. рис 2).

Характер изменения моментов вращения при переключении скоростей показан на рис. 2. Где Мр1 – 1-ая скорость, Мр2 – 2-ая скорость, Ме – естественная характеристика (3-я скорость), Мст – статический момент нагрузки на валу двигателя, Mн – номинальный момент вращения при естественной характеристике. S1 – минимальное скольжение на первой скорости, s2 – на второй, sn – номинальное скольжение.

Точки А, В и С – моменты переключения скоростей, и одновременно точки динамической устойчивости и максимальной частоты вращения на данной скорости. Переключение скоростей в классической схеме происходит с определенной выдержкой времени, которая, как правило, заложена в промежуточном реле времени. Величина этой выдержки выбирается таким образом, чтобы гарантировать достижение системы точки переключения, т.е. с определенным запасом. Если не делать запаса по времени, то существует вероятность попасть правее точки переключения, т.е. выше графика момента следующей механической характеристики (см. рис. 2), что, в свою очередь, приведет к срыву двигателя, остановке подъема и, как следствие, поломке привода.

На рисунке 3 представлен график изменения угловой скорости w по мере разгона двигателя.

Как видно из рисунка, при классической схеме управления с отдельными независимыми реле времени неизбежно появляются зоны задержки А-t1, B-t2 (они закрашены на графике серым). Их ширина тем шире, чем меньший статический противомомент находится на валу двигателя. Система не гибкая, она не может регулировать длительность выдержки времени, в зависимости от массы поднимаемого груза.

Если создать систему с обратной связью по одному из параметров привода (момент, скорость вращения, ток статора, напряжение ротора), то можно исключить столь неблагоприятный фактор.

Момент вращения на работающем двигателе измерить довольно тяжело, поэтому стоит обратить внимание на скорость. Установив на двигатель датчик частоты вращения вала (ДЧВВ), можно получить точное мгновенное значение угловой скорости механизма. В качестве датчика может служить как тахогенератор, устанавливаемый на одну ось с валом, так и оптический элемент, отслеживающий метки на тормозном барабане двигателя. Анализирующим звеном может служить любой контроллер с частотой дискретизации сигнала 10-15 Гц. При достижении приводом зоны динамической устойчивости (т. А, В, С на рис. 3) момент вращения двигателя, станет равен противомоменту груза Мдв = Мст, при этом угловое ускорение станет равным нулю, и скорость вращения перестанет возрастать w = const. При этих условиях контроллер подаст сигнал на интеллектуальное реле – основной управляющий элемент, заменяющий всю релейную логику на кране, а далее произойдет переключение на следующую скорость. В итоге, ширина зоны А-t1 сокращается в разы, а привод начинает работать быстрее, что в свою очередь экономит не только время, но и электроэнергию. Снижение времени разгона существенно время действия повышенного пускового тока, увеличивая тем самым ресурс электродвигателя.

Данная схема обладает необходимой гибкостью, для реагирования на изменение груза крана. При использовании тахогенератора, можно вполне обойтись только интеллектуальным реле, а звено микроконтроллера исключить. Дополнительная возможность появляющаяся при подобном решении – возможность реализации дополнительной системы СПС (система превышения скорости), на том же оборудовании. Если двигатель «опрокинется» и пойдет неконтролируемый спуск груза, т.е падение с раскручиванием вала двигателя, система СПС отреагирует и включит электромагнитный тормоз.

Другой вариант модернизации контакторно-релейной системы управления крана также основан на применении интеллектуального реле. Обратная связь в этом случае происходит по току статора, который напрямую зависит от частоты вращения ротора. На рисунке 4 показаны токовые характеристики двигателя в зависимости от роторного сопротивления и частоты вращения.

На рисунке указаны пусковые токи и динамика их изменения. Iном – номинальный ток статора, Ie – ток на естественной характеристике, I1 – ток на первой скорости, I2 – ток на второй скорости.

Пусковой и номинальный токи не зависят от статического противомомента на валу двигателя. Изменение нагрузки влияет лишь на ускорение вращения ротора. Это свойство можно использовать для контроля двигателя.

Установив на две любые фазы трансформаторы тока (см. рис.5), которые будут работать в качестве датчиков тока, и подключив их к интеллектуальному реле (ИР), можно получить систему управления приводом с обратной связью по току статора.

Данный метод широко применяется в наше время на многих крановых приводах. Он прост, надежен, не требует дополнительной настройки. Токовые уставки содержатся в памяти блока управления (в нашем случае интеллектуального реле), при необходимости их можно оперативно поменять.

Реле измеряет величину статорного тока с довольно высокой дискретизацией, и, по достижению, точки переключения (см. рис. 4), которая вычисляется и закладывается в память контроллера, автоматически переключает контакторы в цепи ротора. С точки зрения безопасности и надежности, данное решение выгоднее предыдущего, так как не использует вращающихся частей и датчиков, набор оборудования сведен к минимуму, а обратной связью является один из самых важных параметров двигателя – ток статора.

Одновременно, подобная схема выполняет и функцию защиты двигателя по току. Т.е. заложив уставку предельного тока статора, можно обеспечить своевременное защитное аварийное отключение питания без дополнительного оборудования.

Описанные выше системы на основе интеллектуальных реле недорогие, простые и легко обслуживаемые. Они не только ускоряют работу крана в целом, но и экономят ресурс оборудования и потребление им электроэнергии.

Благодаря ускоренному разгону двигатель меньше нагревается, а значит, увеличивается срок службы изоляции обмоток и обмоток в целом. Чем меньший груз поднимает кран, тем более эффективно работает система. На холостом ходу и при подъеме грузов массой меньше 10% от максимальной грузоподъемности крана, разгон сокращается более чем на 60%, перегрев двигателя соответственно 35-40%, а экономия электроэнергии составляет 4-6%.

Использование совмещенных функций регулирования-защиты исключает проблему рассогласования отдельных узлов, т.к. оба процесса контролируются одним контроллером.

Остается добавить лишь, что интеллектуальное реле очень компактное и простое в монтаже, что экономит не только место (возможна установка в кабине крана), но и позволяет сэкономить на материалах.