Министерство образования Республики Беларусь БЕЛОРУССКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Кафедра «Электропривод и автоматизация промышленных установок и технологических комплексов» С. Н. Павлович АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД Курс лекций для студентов дневной и заочной форм обучения машиностроительного факультета специальности 1-36 01 03 «Технологи- ческое оборудование машиностроительного производства» Электронный учебный материал М и н с к 2 0 1 6 2 УДК 621.34-52 (075.8) ББК 31.291я7 П 12 Рецензенты: доктор технических наук, профессор Б. И. Фираго; кандидат технических наук, доцент В. П. Беляев Павлович, С.Н. Автоматизированный электропривод: курс лекций для студентов специальности 1-36 01 03 «Технологическое оборудование машино- строительного производства» / С. Н. Павлович. – Минск: БНТУ, 2016. -128 с. Рассматриваются основные вопросы теории и практики автоматизирован- ного электропривода современных металлорежущих станков: механика элек- тропривода, электромеханические свойства электродвигателей постоянного и переменного тока, электрические аппараты и схемы управления электроприво- дами. Дается расчет мощности электродвигателей и приводятся рекомендации по их выбору при различных режимах эксплуатации в технологическом про- цессе машиностроительного производства. Излагаются общие вопросы элек- тробезопасности. Белорусский национальный технический университет пр-т Независимости, 65, г. Минск, Республика Беларусь Тел.(017) 292-77-52 факс (017) 292-91-37 Регистрационный № БНТУ/ФИТР46-2.2016 © Павлович С.Н., 2016 © БНТУ, 2016 3 С о д е р ж а н и е Лекция 1. ВВЕДЕНИЕ............................................................................................................... 4 Лекция 2. ВИДЫ ПЕРЕДАТОЧНЫХ МЕХАНИЗМОВ И КИНЕМАТИЧЕСКИЕ СХЕМЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ ............................................................................................................ 12 Лекция 3. РАСЧЕТНЫЕ СХЕМЫ МЕХАНИЧЕСКОЙ ЧАСТИ ЭЛЕКТРОПРИВОДА.. 18 Лекция 4. УРАВНЕНИЕ ВРАЩАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДА ............................................................................................................... 24 Лекция 7. ТИРИСТОРНЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД ПОСТОЯННОГО ТОКА..................... 64 Лекция 8. КОНТАКТНАЯ АППАРАТУРА УПРАВЛЕНИЯ ............................................... 69 Лекция 9. ОСНОВНЫЕ СХЕМЫ РЕЛЕЙНО-КОНТАКТОРНОГО УПРАВЛЕНИЯ ......................................................................................................................... 76 Лекция 10. АППАРАТУРА И СХЕМЫ ЗАЩИТЫ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ ................. 87 Лекция 11. БЕСКОНТАКТНАЯ АППАРАТУРА ДАТЧИКИ ............................................... 92 Лекция 12. КРИТЕРИИ ВЫБОРА ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ ОСНОВНЫЕ РЕЖИМЫ РАБОТЫ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ ПО НАГРЕВУ.............................................................. 97 Лекция 13. ПОСТРОЕНИЕ НАГРУЗОЧНЫХ ДИАГРАММ МЕХАНИЗМА И ЭЛЕКТРОПРИВОДА. МЕТОДЫ РАСЧЕТА МОЩНОСТИ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ ПРИ ПЕРЕМЕННОЙ НАГРУЗКЕ ................................................................................................ 104 Лекция 14. РАСЧЕТ НОМИНАЛЬНОЙ МОЩНОСТИ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ ПРИ ДЛИТЕЛЬНОМ РЕЖИМЕ РАБОТЫ .................................................................................. 110 Лекция 15. РАСЧЕТ НОМИНАЛЬНОЙ МОЩНОСТИ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ ПРИ ПОВТОРНО-КРАТКОВРЕМЕННОМ И КРАТКОВРЕМЕННОМ РЕЖИМАХ РАБОТЫ ............................................................................................................ 114 Лекция 16. ВОЗДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА НА ЧЕЛОВЕКА ................. 118 Лекция 17. ОСНОВНЫЕ МЕРОПРИЯТИЯ ПО ПОВЫШЕНИЮ ЭЛЕКТРОБЕЗОПАСНОСТИ ................................................................................................ 122 Л и т е р а т у р а ...................................................................................................................130 4 Лекция 1. ВВЕДЕНИЕ Цель вводной лекции: рассмотреть цель и задачи изучения дисциплины; изучить основные понятия и их определения, структурную схему автоматизиро- ванного электропривода, классификацию электроприводов, краткий историче- ский обзор и основные этапы развития электропривода. Цель и задачи изучения дисциплины «Автоматизированный электро- привод». Целью изучения дисциплины является формирование у студентов знаний по электрооборудованию и автоматизированным электроприводам, применяемым в современных металлорежущих станках и автоматических линиях. Основными задачами дисциплины являются изучение: электромеханических свойств электродвигателей постоянного и переменного тока; методов расчета и вы- бора электродвигателей; аппаратов и систем управления электроприводами метал- лорежущих станков, а также общих вопросов электробезопасности. В результате освоения дисциплины «Автоматизированный электропривод» студент должен знать: • устройство, принцип действия и электромеханические свойства электродви- гателей постоянного и переменного тока; • способы пуска, торможения и регулирования скорости электродвигателей постоянного и переменного тока; • контактную и бесконтактную аппаратуру, применяемую в схемах управле- ния автоматизированными электроприводами; • методы расчёта номинальной мощности электродвигателей; • основные мероприятия по повышению электробезопасности; уметь: • определять оптимальное придаточное число редуктора для электропривода; • рассчитывать приведенные к валу электродвигателя моменты и силы сопро- тивления, моменты инерции и массы движущихся частей станков; механические характеристики электродвигателей постоянного и переменного тока; • читать типовые электрические схемы релейно-контакторного управления электродвигателями постоянного и переменного тока; • рассчитывать пусковые и тормозные сопротивления для электродвигателей. Основные понятия и их определения. Эффективность производства в зна- чительной степени определяется способом получения энергии, необходимой для выполнения механической работы в производственных процессах. Создание в ка- честве двигателя паровой машины (взамен гидравлического двигателя) в XIX в. по- 5 служило мощным толчком развития промышленного производства (поэтому XIX век назван веком пара). В XX веке основным источником механической энергии стал более совершенный электрический двигатель, а основным видом привода ра- бочих машин в промышленном производстве – электрический привод (поэтому XX век назван веком электричества). В настоящее время почти 100 % электрической энергии производится с по- мощью электрических машин (генераторов) и до 90 % ее потребляют также элек- трические машины (двигатели), которые преобразуют электрическую энергию в механическую. Кроме электрической используются и другие виды энергии и дви- гатели на их основе: паровая турбина (в пароходах), паровая машина (в парово- зах), двигатель внутреннего сгорания (в автомобилях). Современное промышленное производство характеризуется большим мно- гообразием технологических процессов с применением различных производст- венных машин и механизмов (металлорежущих станков, прессов, прокатных ста- нов, конвейеров, подъемных кранов, насосов, вентиляторов и др.). Производст- венный механизм (или рабочая машина) состоит из множества взаимосвязанных узлов. Что же понимается под словом «привод»? К. Маркс в I т. «Капитала» напи- сал, что «всякое развитое машинное устройство состоит из трех существенно раз- личных частей: машины-двигателя, передаточного механизма, наконец, машины орудия или рабочей машины». Назначение первых двух частей – привести в движение (вращательное или поступательное) исполнительный орган рабочей машины. Эти части объединяют общим названием «привод». Таким образом, приводом называют машинное уст- ройство, сообщающее движение исполнительному органу производственной ма- шины и состоящее из двигателя и механических передач. Исполнительным органом (ИО) рабочей машины называется один из ее уз- лов, который непосредственно выполняет заданную технологическую операцию. Для многих рабочих машин характерным является наличие не одного, а двух или даже нескольких взаимодействующих исполнительных органов. Например, при обработке детали на токарном станке она приводится во вращение вокруг своей оси, а резец при этом перемещается вдоль детали и снимает с нее слой металла (стружку). Вращение детали осуществляет шпиндель станка (это первый исполни- тельный орган), а механизм подачи станка (это уже второй исполнительный орган) поступательно перемещает резец. Таким образом, оба исполнительных органа, со- вершая механические движения (вращение детали и перемещение резца), выпол- няют заданную технологическую операцию. При обработке материалов и изделий на станках, прокатных станах, прессах исполнительными органами являются шпиндели, механизмы подачи, суппорты, валы, штампы и т.д. Перемещение твер- дых материалов, изделий, газов, жидкостей производится конвейерами, подъемны- ми кранами, лифтами, насосами, вентиляторами, компрессорами. 6 Многие исполнительные органы (шпиндели, механизмы подачи, валки про- катных станов, ленты конвейеров и др.) требуют регулирования скорости. Иногда возникает необходимость изменять и направление движения исполнительного ор- гана (реверсировать его). Во время движения исполнительный орган преодолевает сопротивление движению, обусловливаемое силами трения или притяжения зем- ли, возникающими усилиями при деформациях материалов. Итак, для осуществления исполнительным органом необходимого движения при выполнении технологической операции и преодоления возникающих усилий к нему должна быть подведена определенная механическая энергия от устройства, которое в соответствии со своим назначением получило название привода. Таким образом, привод вырабатывает механическую энергию путем преобразования других видов энергии, в зависимости от которых различают гидравлический, пневматический, электрический и другие виды. Простейший привод – ручной, за- тем конный (как развитие ручного), механический (от ветряного двигателя, водя- ного колеса, турбины, паровой машины, двигателя внутреннего сгорания). В на- стоящее время водяные и паровые турбины широко применяются на электриче- ских станциях (гидравлических и тепловых). Однако для привода рабочих машин основным является электрический двигатель, на основе которого строится элек- тропривод, а на современном этапе развития техники – автоматизированный электропривод, потребляемый около 90 % всей вырабатываемой электрической энергии. Такое широкое применение электрической энергии и электропривода объясняется целым рядом их достоинств и преимуществ по сравнению с другими видами энергии и приводов: • возможность передачи электроэнергии на большие расстояния с малыми потерями; • обратимость электрических машин, • высокий КПД; • большой диапазон мощностей электродвигателей (от долей ватт до мега- ватт) и регулирования скорости электропривода; • жесткость механических характеристик и др. Электрическим приводом (ЭП) называется электромеханическое устройст- во, сообщающее движение рабочему органу производственной машины и состоя- щее из электродвигателя с аппаратурой (системой) управления и механической передачи. Другими словами, можно сказать, учитывая рассмотренное выше поня- тие привода, что электропривод – это привод, в котором в качестве двигателя ис- пользуется именно электрический двигатель с аппаратурой его управления. Автоматизированный электропривод (АЭП) – это электромеханическое устройство, предназначенное для приведения рабочего органа производственной машины и управления ее технологическим процессом, состоящее из электродви- гателя, преобразовательного, передаточного и управляющего устройств. Преобра- зовательное устройство (между электрической питающей сетью и электродвига- 7 телем) служит для преобразования неизменных параметров электроэнергии пи- тающей сети в переменные в соответствии с управлением регулируемого элек- тропривода, а управляющее устройство – для обеспечения оптимального управ- ления по определенным критериям. В настоящее время используются в основном полупроводниковые преобра- зовательные устройства (транзисторные, тиристорные), которые преобразуют трехфазное напряжение переменного тока промышленной сети в постоянное на- пряжение или в напряжение также трехфазное переменного тока, но другой вели- чины и другой частоты. Современный автоматизированный электропривод может представлять собой целый комплекс электрических машин, аппаратов и систем управления, например АЭП промышленных роботов. Под электрооборудованием понимается совокупность электротехнических устройств (или изделий), в которых по принципу действия при их работе произво- дится, преобразуется, передается, распределяется, потребляется электриче- ская энергия. К ним относятся, например: электрические генераторы и двигатели, трансформаторы, управляемые выпрямители и преобразователи частоты, воздуш- ные ЛЭП и кабели, электрические печи, электрические аппараты управления и защиты и многие другие устройства. В зависимости от условий работы электрооборудования различают элек- трооборудование общего назначения (оно выполняется без учета специфических требований для определенной области или отрасли промышленности) и специ- альное электрооборудование, которое выполняется с учетом специфических тре- бований, характерных для конкретной области применения, например для шахт. Под управлением электропривода понимается не только пуск, торможение, реверс, но и регулирование скорости в соответствии с требованиями технологиче- ского процесса. Под регулированием скорости понимается целенаправленное ее изменение по воле оператора, а также средствами автоматики, в соответствии с требования- ми технологического процесса. Используют в основном электрические методы регулирования скорости, которые осуществляются воздействием на параметры электрической цепи двигателя или на параметры источников питания. Более со- вершенные системы регулирования скорости основаны на использовании замкну- тых систем управления. Структурная схема АЭП. Структурная схема АЭП представлена на рис. 1.1. Электрическая мощность, потребляемая электроприводом от электрической сети (ЭС), в силовой части преобразовательного устройства (СПрУ) преобразуется в регулируемую по показателям электрическую мощность, которая подводится к обмоткам электродвигателя. На схеме двигатель представлен двумя элементами – электромеханическим преобразователем ЭМП, преобразующим электрическую мощность в механическую, и массой ротора РД, на которую воздействует вра- щающий момент двигателя М при угловой скорости ω. Механическая мощность 8 от ротора электродвигателя передается передаточному механизму ПМ, в котором она преобразуется (могут изменяться как момент и угловая скорость, так и вид движения) и передается к исполнительному органу рабочей машины РМ. Преобразовательное устройство ПрУ состоит из силовой части СПрУ и ин- формационной части (или системы управления) ИПрУ. Информационная часть получает командные сигналы от задающего устройства и информацию о парамет- рах состояния электропривода и хода технологического процесса от соответст- вующих датчиков обратных связей. На основании этих данных в соответствии с заложенным алгоритмом (программой) здесь вырабатываются определенные воз- действия на СПрУ, а от него и на ЭМП двигателя, управляющие таким образом движением механической части и ходом технологического процесса РМ. Классификация электроприводов. В АЭП используются следующие сило- вые и управляющие устройства: - электродвигатели различных видов и типов; - механические передаточные устройства, электромагнитные муфты; - силовые преобразователи электрической энергии; - блоки управления: кнопки управления, командоаппараты, реле, логические элементы, регуляторы, усилители, микропроцессоры и управляющие электронные машины. Рис. 1.1. Структурная схема автоматизированного электропривода Реализация электроприводов весьма разнообразна, что находит отражение в их классификации по таким основным критериям: 1. По характеристике движения различают электроприводы вращательно- го и поступательного движения, при этом скорость ИО может быть регулируемой или нерегулируемой, а само движение - непрерывным или дискретным, однона- правленным, двунаправленным (реверсивным) или вибрационным (возвратно- поступательным). 2. По количеству используемых электродвигателей различают групповой, индивидуальный (одиночный) и взаимосвязанный (многодвигательный). Группо- вой ЭП характеризуется тем, что один двигатель приводит в движение несколько ИО на одной рабочей машине или по одному ИО на нескольких рабочих маши- СПрУ ИПрУ ЭМП РД ПМ РМ ПрУ Электродвигатель Механическая часть от датчиков ОС от задающего устройства от ЭС 9 нах. Индивидуальный ЭП обеспечивает движение одного ИО рабочей машины. Взаимосвязанный ЭП представляет собой два или более индивидуальных ЭП, свя- занных между собой электрически или механически и работающих совместно. Если движения ЭП связаны между собой механически и работают на один общий вал, то такой взаимосвязанный ЭП называют многодвигательным, а если движе- ния ЭП связаны между собой электрически (электрическими цепями), то взаимо- связанный ЭП называют электрическим валом. 3. По виду силового преобразователя различают: • с управляемым или неуправляемым выпрямителем, которые преобразуют напряжение переменного тока в напряжение постоянного (выпрямленного) тока; • с инверторами, выполняющими обратные преобразования напряжения; • с преобразователями частоты и напряжения переменного тока, изменяю- щими параметры переменного тока; • с импульсными преобразователями напряжения постоянного тока с различ- ными видами модуляции выходного напряжения. Современные силовые преобразователи выполняются на полупроводниковых силовых элементах (транзисторах, диодах, тиристорах). Хотя конкретная реализация ЭП может быт разнообразной, однако работа ЭП имеет некоторые общие закономерности, связанные с процессом преобразо- вания энергии, с определением характера механического движения и с его управ- лением. Эти и некоторые другие вопросы теории ЭП рассматриваются в изучае- мом предмете. Краткий обзор исторического пути развития электропривода. Для полу- чения механической энергии в XIX в. долгое время применялись паровые маши- ны. Котел и паровую машину устанавливали в отдельном здании на заводском дворе. Движение от паровой машины передавалось в производственное много- этажное здание с помощью ременных или канатных передач. Внутри производст- венных помещений движение распределялось посредством многочисленных трансмиссий. Это был общезаводской паровой привод. В дальнейшем паровую машину заменил электрический двигатель. Историю развития ЭП обычно начинают отсчитывать с 1938 года, когда русский академик Б. С. Якоби установил изобретенный им в 1834 г. первый элек- тродвигатель (это был электродвигатель постоянного тока вращательного движе- ния), питаемый от батареи гальванических элементов, на небольшом катере и со- вершил его испытательные рейсы с пассажирами по Неве. Это был первый при- мер реализации электрического привода и этим самым была доказана возможность практического применения электрического привода. В дальнейшем появились и другие примеры реализации электропривода: в артиллерийских уста- новках (для их наведения на цель), в швейных машинках, для перемещения элек- тродов дуговой сварки. Однако до конца XIX века пар и вода оставались основ- ной силой, приводившей в движение станки и механизмы в промышленности. 10 В 80-х годах XIX в. было открыто явление вращающегося магнитного поля: его изобретателями считаются Галилео Феррарис – итальянский физик и электро- техник, который открыл это явление в 1885 г., и Никола Тесла (серб по нацио- нальности, с 1884 г. жил в США) – электро- и радиотехник, который независимо от Г. Феррариса описал в 1888 г. явление вращающегося магнитного поля. В 1891 г. русский инженер М. О. Доливо-Добровольский, используя это явление, изобрел трехфазный асинхронный двигатель, который благодаря своей простоте и надеж- ности до настоящего времени широко распространен на промышленных предпри- ятиях. В настоящее время автоматизированный электропривод является главным средством электрификации и автоматизации разнообразных техно- логических процессов, создания высокопроизводительных машин, механизмов и технологических комплексов. К основным направлениям развития современных АЭП относятся: - разработка и выпуск комплектных регулируемых электроприводов с ис- пользованием современных силовых полупроводниковых преобразователей, с ис- пользованием микропроцессорного управления; - расширение области применения частотно-регулируемых асинхронных электроприводов (особенно с векторным управлением); - применение ЭП с новыми типами двигателей (линейными, шаговыми, вен- тильными, вибрационными, повышенного быстродействия и др.); - повышение эксплуатационной надежности, к.п.д. и других энергетических показателей электродвигателей и АЭП на их основе; - подготовка инженерно-технических и научных кадров, способных проек- тировать, создавать и грамотно эксплуатировать современные АЭП. Решение этих и ряда других связанных вопросов по электрооборудованию и электроприводам позволит достичь дальнейшего технического прогресса про- мышленного производства. Основные этапы развития электропривода. После изобретения электри- ческих двигателей общезаводской паровой привод был заменен на электрический. Установку из паровой машины и генератора электрической энергии (электриче- скую станцию) строили в стороне от завода (вблизи рек, разработок торфа, угля и пр.), а в заводском корпусе устанавливали электродвигатель. Отпала необходи- мость в механической передаче движения через заводские дворы и стены корпу- сов. Это был общезаводской электрический привод. Неудобства распределения механической энергии от электродвигателя внут- ри здания с помощью междуэтажных механических передач послужили причиной возникновения группового электропривода. В этом случае производственные ма- шины разбивались на группы, приводимые в движение отдельными электродвига- телями достаточной мощности, а движение к производственным машинам в груп- пе по-прежнему передавалось через трансмиссии. Такой привод был неэкономич- 11 ным, потому что были велики потери в трансмиссиях. Групповой электропривод характерен для промышленных предприятий дореволюционной России. Затем групповой электропривод был заменен одиночным электроприводом, в котором каждый станок имел отдельный двигатель. Еще позже станки с не- сколькими подвижными узлами комплектовались отдельными электродвигателя- ми для каждого узла – это был уже многодвигательный электропривод. Число электродвигателей, устанавливаемых на одном станке, может дохо- дить до нескольких десятков. Быстрое и точное ручное управление такими элек- тродвигателями (с помощью кнопок, переключателей) для рабочего становится трудным, а иногда и непосильным. По этой причине стали применять автомати- зированный многодвигательный электропривод, в котором управление электро- двигателями (пуск, останов, реверс в нужное время и в требуемых сочетаниях) осуществляют автоматизированные системы управления (АСУ). В таких АЭП для быстрого, точного и надежного управления используют последние достиже- ния электроавтоматики, электроники, микропроцессорной и полупроводниковой техники. АСУ обращает станок в автомат, дает возможность создавать автоматиче- ские линии (при управлении несколькими станками, обеспечивающими последо- вательную обработку одной детали), участки, цехи и даже заводы-автоматы. Пе- ренос деталей со станка на станок, их подъем, спуск, поворот, зажатие в приспо- соблении и другие операции производят разного рода промышленные роботы: автоматические рули, транспортеры, подъемники, поворотные столы, электро- ключи, электрогайковерты и пр. Изучение вопросов электрооборудования станков, АЭП необходимо для по- нимания современных средств и возможностей в области автоматизации совре- менных станков, автоматических линий и заводов. Без таких знаний нельзя ни спроектировать новый станок, ни объяснить работу современного станка с авто- матизированной системой управления. Поэтому знание вопросов АЭП и элек- трооборудования станков для инженера-механика, конструирующего или экс- плуатирующего современные станки и автоматические линии, является необхо- димым. Раздел 1. МЕХАНИКА ЭЛЕКТРОПРИВОДА Цель: изучить виды передаточных механизмов и кинематические схемы электроприводов; типы механических характеристик производственных меха- низмов и электродвигателей; принципы приведения моментов и сил сопротивле- ния, моментов инерции и масс движущихся элементов кинематической схемы электропривода к валу электродвигателя; уравнение вращательного движения электропривода; методику расчета оптимального передаточного числа редук- тора. 12 Лекция 2. ВИДЫ ПЕРЕДАТОЧНЫХ МЕХАНИЗМОВ И КИНЕМАТИЧЕСКИЕ СХЕМЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ Электрические, механические и габаритные параметры электродвигателя взаимосвязаны. Например, номинальные мощность Рн, вращающий момент Мн, угловая скорость ротора (якоря) ωн, диаметр D и длина L активной части якоря электрической машины связаны соотношениями Рн = Мн ωн; Мн = Ск D2 L, где Ск – коэффициент, зависящий от конструктивных особенностей машины. Из этих зависимостей следует, что при заданной мощности для уменьшения габаритов электродвигателя (D2L) необходимо увеличивать его угловую скорость ωн, особенно для маломощных двигателей (до ωн = 100…600 рад/с). А для рабо- чих машин по технологическим условиям требуется значительно меньшая ско- рость (в 10 и более раз). Поэтому для согласования механических параметров электродвигателя (скорости и момента) с механическими параметрами рабочей машины используют передаточный механизм (ПМ), который может изменять и характер движения, преобразуя вращательное движение в поступательное. По конструктивному исполнению различают следующие виды ПМ (рис. 2.1, 2.2): 1) редукторы; 2) ременные (цепные) передачи; 3) типа барабан – трос (шкив – канат); 4) типа винт – гайка; 5) типа зубчатое колесо – рейка; 6) рычажные механизмы (кривошипно-шатунные и кулисные). Дадим краткую характеристику этим ПМ. Редукторы представляют собой зубчатые передачи, заключенные в единый корпус. По числу зубчатых пар они бывают одно-, двух-, трех-, n-ступенчатые; по виду зубьев – прямозубые, косозубые, червячные; по исполнению – цилиндриче- ские, конические; по принципу действия – обычные и планетарные. Редуктор характеризуется передаточным числом j: j = ω1 / ω2, где ω1 – входная угловая скорость; ω2 – выходная угловая скорость. Передаточное число n-ступенчатого редуктора j = j1 ⋅ j2 ⋅…⋅ in, где j1, j2, …, jn – передаточные числа отдельных ступеней. Редуктор характеризуется также входной мощностью (до 560 кВт) и макси- мальным выходным моментом (до 1200 кН·м). Ременные (цепные) передачи характеризуются передаточным числом 13 j = ω1 / ω2 = D2 /D1 = z2 /z1, где D1, z1 – диаметр число зубьев входного шкива (звездочки); D2, z2 – диаметр число зубьев выходного шкива (звездочки). Рис. 2.1. Передаточные механизмы: а) редуктор; б) ременная (цепная) передача; в) передача «зубчатое колесо – рейка»; г) передача «канат (трос) – барабан (шкив)»; д) передача «винт – гайка». Передачи типа «зубчатое колесо – рейка», «барабан – трос (шкив – канат)» и «винт – гайка» преобразуют вращательное движение в поступательное и характе- ризуются радиусом приведения ρ: ρ = V/ω, м/рад. Рис. 2.2. Рычажные передаточные механизмы: а) кривошипно-шатунный механизм; б) кулисный механизм. Кривошипно-шатунный механизм (рис. 2.2, а) служит для преобразования вращательного движения кривошипа в возвратно-поступательное движение пол- 14 зуна или, наоборот, возвратно-поступательного движения ползуна во вращатель- ное движение кривошипа. Кулисный механизм (рис. 2.2, б) предназначен для преобразования кача- тельного движения кулисы в поступательное движение ползуна или, наоборот, поступательного движения ползуна в качательное движение кулисы. Рычажные механизмы характеризуются радиусом приведения ρ, являющим- ся функцией угла поворота φ кривошипа или кулисы. Кинематические схемы электроприводов. Механическая часть структур- ной схемы ЭП включает в себя все механически связанные между собой движу- щиеся инерционные массы: ротор (якорь) двигателя, ПМ и рабочее оборудование технологической установки. Непосредственное представление о движущихся мас- сах установки и механических связях между ними дает кинематическая схема ЭП. Значит, кинематической схемой ЭП какой-либо конкретной производственной ус- тановки называется схема механической части ЭП со всеми движущимися инер- ционными массами и механическими связями между ними. Кинематические схе- мы ЭП разнообразны. Рассмотрим два характерных их примера. Кинематическая схема ЭП центробежного вентилятора (рис. 2.3). Ротор электродвигателя Д соединяется с рабочим колесом вентилятора с помощью со- единительной муфты СМ. Все элементы кинематической схемы движутся с одной и той же угловой скоростью ω. На рабочем колесе вентилятора развивается мо- мент сопротивления движению Ммех, зависящий от скорости ωмех (рис. 2.4): Ммех = ∆Ммех + Мв.н. (ωмех / ωв.н)2; ωв.н = ωн.дв, где Мв.н, ωв.н – номинальные момент и угловая скорость вентилятора; ∆Ммех – момент механических потерь на трение в подшипниках рабочего коле- са вентилятора. Рис. 2.3. Кинематическая Рис. 2.4. Механическая характеристика схема вентилятора ЭП вентилятора К ротору двигателя приложен электромагнитный момент двигателя Мэ, а также момент механических потерь в двигателе ∆М, обусловленный силами тре- ния в подшипниках, и момент сопротивления движению Мв, создаваемый венти- лятором. 15 Номинальная угловая скорость двигателя ωн.дв совпадает с номинальной ско- ростью вентилятора. Этим определяется простота кинематической схемы ЭП. В других случаях ωв.н ≠ ωн.дв и в кинематическую схему вводят различные передачи: зубчатые, цепные, фрикционные, клиноременные и др. (см. рис. 2.1). Если требуется механическое регулирование скорости, вводят передачи с пере- менным передаточным числом j (коробки передач, фрикционные вариаторы). Кинематическая схема электропривода шпинделя токарного станка (рис. 2.5). В этой схеме движение от электродвигателя Д к шпинделю Ш с заго- товкой обрабатываемой детали З передается через клиноременную передачу КРП и коробку передач КП. Передаточное число j может изменяться ступенчато за счет введения в зацепление шестерен с различным числом зубьев. В результате взаимодействия вращающейся детали с неподвижным резцом возникает усилие резания Fz и момент резания Ммех = Мz = FzRз, где Rз – радиус заготовки обрабатываемой детали. В процессе обработки детали усилие и момент резания остаются постоянны- ми и не зависят от угловой скорости ωз (рис. 2.6). Полезный момент нагрузки ме- ханизма Ммех при постоянном усилии резания Fz пропорционален радиусу обраба- тываемой детали Rз. Кроме полезного момента нагрузки Ммех = Мz, а также приложенного к рото- ру двигателя электромагнитного момента М и момента потерь в двигателе ∆М во всех элементах рассматриваемой кинематической цепи действуют силы трения: в подшипниках, в зубчатых зацеплениях, в трущихся поверхностях клиноременной передачи. Рис. 2.5. Кинематическая схема ЭП шпинделя токарного станка Рис. 2.6. Механическая характеристика Механические характеристики производственных механизмов и элек- тродвигателей. При выборе электродвигателя к производственному механизму приходится уточнять, насколько механические свойства электродвигателя соот- ветствуют механической характеристике рабочей машины и характеру ее работы, так как соответствие механических характеристик электродвигателя конкретному 16 производственному механизму позволяет обеспечить наиболее высокую его про- изводительность и экономичную работу. Механическая (или статическая) характеристика производственного механизма представляет собой зависимость между его скоростью и статическим моментом сопротивления, т.е. ω = f (Mc). Производственные механизмы обладают различными механическими харак- теристиками. Существует следующая эмпирическая обобщенная формула для ме- ханических характеристик производственных механизмов: Mc = M0 + (Mc.н – M0)(ω /ωн)x, где Mc – момент сопротивления механизма при угловой скорости ω; M0 – момент сопротивления трения в движущихся частях механизма; Mc.н, ωн – номинальные момент сопротивления и скорость; x – показатель степени, характеризующий изменение момента Mc при изме- нении угловой скорости ω. Различают четыре основных вида (класса, категории) механических характе- ристик и соответственно производственных механизмов (рис. 2.7): 1) x = 0, Mc = const (момент сопротивления не зависит от скорости). Такой механической характеристикой обладают механизмы, совершающие работу подъе- ма, формоизменения материала или преодолевающие трение (подъемные механиз- мы, механизмы передвижения и др.). Мощность таких механизмов возрастает ли- нейно со скоростью; 2) x = 1, Mc = сω (момент сопротивления линейно зависит от угловой скорости). Такую характеристику может иметь, например, привод генератора посто- янного тока, работающего на постоянное сопротивление. Здесь мощность пропор- циональна квадрату скорости; 3) x = 2, Mc = сω2. Такой механической характеристикой обладают меха- низмы, работа которых сводится к преодолению сопротивления воздуха или жид- кости (вентиляторы, центробежные насосы, центрифуги, судовые винты и др.). Момент сопротивления у таких механизмов часто называют вентиляторным, а механизмы – механизмами с вентиляторным моментом. Мощность таких меха- низмов примерно пропорциональна кубу скорости; 4) x = 3, Mc = с/ω. Такой механической характеристикой обладают мо- талки в металлургической промышленности, электронакат в бумажной промыш- ленности, некоторые металлорежущие станки. Мощность на валу у таких машин приблизительно постоянна. Механические характеристики электродвигателя представляют собой за- висимость угловой скорости ω от развиваемого им момента на валу, т.е. ω = f (M). Различают естественные и искусственные механические характеристики элек- тродвигателя. Естественная механическая характеристика соответствует работе электродвигателя с номинальными параметрами при нормальной схеме включения. 17 Искусственная механическая характеристика соответствует работе электродвига- теля с параметрами, отличающимися от номинальных, например, при введении со- противления, изменении питающего напряжения, частоты и др. Для оценки изменения скорости при изменении момента на валу служит так называемая жесткость характеристики, которая равна отношению приращения момента ∆М к соответствующему приращению скорости ∆ω (рис. 2.8): β = (M2 – M1) / (ω2 – ω1) = ∆М / ∆ω. Рис. 2.7. Механиче- ские характеристики производственных ме- ханизмов Рис. 2.8. К пояс- нению жесткости меха- нической характеристики электродвигателя Линейные механические характеристики имеют постоянную жесткость, а криволинейные – в каждой точке свою, равную первой производной от момента по скорости, т.е. β = dM / dω. Естественные механические характеристики электродвигателей по степени жесткости разделяются на следующие группы (рис. 2.9): 1) абсолютно жесткая характеристика (линия 1), при которой скорость электродвигателя при изменении нагрузки не изменяется (β = ∞). К этой группе относятся синхронные двигатели; 2) жесткая характеристика (линия 2), при которой скорость электро- двигателя с возрастанием момента нагрузки уменьшается на небольшую величину (β = 40…10). К этой группе относятся асинхронные электродвигатели (работающие при скольжениях меньших критического) и двигатели постоянного тока с парал- лельным (и независимым) возбуждением; 3) мягкая механическая характеристика (линия 3), при которой ско- рость электродвигателя резко уменьшается с увеличением момента нагрузки (β < 10). Такой характеристикой обладает двигатель постоянного тока с последова- тельным возбуждением. 18 При совместной работе электродвигателя с производственным механизмом в установившемся режиме вращающий момент двигателя уравновешивается стати- ческим моментом сопротивления механизма, при этом электродвигатель работает с определенной скоростью. При изменении момента сопротивления на валу электро- двигателя равновесие моментов нарушается, возникает переходный процесс, в ре- зультате которого электропривод переходит в новое установившееся состояние (при устойчивой работе), но с другими значениями момента и скорости электро- двигателя. Для устойчивой работы электропривода в пределах определенных ско- ростей и моментов сопротивления производственного механизма требуется, чтобы электродвигатель обладал соответствующей механической характеристикой. А это достигается выбором электродвигателя определенного типа и изменением электри- ческих параметров его цепей. Рис. 2.9. Механические характеристики электродвигателей Лекция 3. РАСЧЕТНЫЕ СХЕМЫ МЕХАНИЧЕСКОЙ ЧАСТИ ЭЛЕКТРОПРИВОДА Механическая часть ЭП может представлять сложную кинематическую схе- му с большим числом движущихся элементов, при этом одни элементы соверша- ют вращательное движение, другие – поступательное (например, в подъемниках, кранах, строгальных станках и др.). Каждый элемент обладает определенной упру- гостью (т.е. под нагрузкой может деформироваться), а в соединительных элемен- тах могут быть воздушные зазоры. Значит, механическая схема ЭП является мно- гомассовой, с упругими связями и зазорами, расчет динамики которой составляет определенные трудности (нужно использовать программы расчетов на ЭВМ). В инженерных расчетах, не требующих большой точности, в системах с не- значительными упругостями элементов и небольшими зазорами (т.е. с большой жесткостью) принимают допущение, что механические связи элементов являют- 19 ся абсолютно жесткими. При таком допущении движение одного элемента дает полную информацию о движении и других элементов. Обычно в качестве такого первоначального элемента принимают вал двига- теля. Тогда расчетная схема механизма многомассовой механической части ЭП (рис. 3.1, а, 3.2, а) сводится к одному обобщенному жесткому механическому зве- ну (рис. 3.1, б, 3.2, б), имеющему эквивалентную массу с моментом инерции J, уг- ловую скорость вращения ω, угол поворота φ, и на которое звено действуют элек- тромагнитный момент двигателя М и суммарный приведенный к валу двигателя статический момент сопротивления Мс (включающий все механические потери в си- стеме, в том числе и в двигателе). Приведение моментов сопротивления и сил, моментов инерции и масс к валу электродвигателя. Сначала примем допущение, что передаточный меха- низм ПМ (рис. 3.1, а) идеальный, т.е. не имеет потерь энергии, не обладает массой и осуществляет только количественное преобразование механической энергии от двигателя к производственному механизму. Учет потерь в ПМ рассмотрим не- сколько позже. Рис. 3.1. Приведение многомассовой системы к одномассовой при вращательном движении механизма Рис. 3.2. Приведение многомассовой системы к одномассовой при поступательном движении механизма Приведение статических моментов сопротивления к валу осуществляется из условия равенства передаваемой мощности на любом валу (см. рис. 3.1, а): Мс ω = Мм ωм. 20 Из этого равенства находим выражение для определения приведенного ста- тического момента Мс: Мс = Мм(ωм / ω ) = Мм /(ω / ωм) = Мм / j, (3.1) где j = ω / ωм – передаточное число ПМ. Следовательно, статический момент на валу электродвигателя при от- сутствии потерь в ПМ равен моменту сопротивления Мм на валу исполни- тельного механизма ИМ, деленному на передаточное число j ПМ. В этом и за- ключается приведение момента сопротивления ИМ к валу электродвигателя. При поступательном движении ИМ (см. рис. 3.2, а) и допущении об идеаль- ности передачи из условия равенства передаваемой мощности от электродвигате- ля ЭД к поднимаемому грузу имеем равенство Мс ω = Fc V, где Мс – эквивалентный статический момент на валу ЭД одномассовой сис- темы (см. рис. 3.2, б); Fc – сила сопротивления в установившемся режиме; V – линейная скорость подъема груза. Тогда из этого равенства получаем Мс = Fc V / ω = Fc ρ, (3.2) где ρ – радиус приведения поступательного движения к вращательному. Значит, приведенный к валу электродвигателя статический момент от силы сопротивления для поступательного движения при идеальной передаче равен силе сопротивления Fc, умноженной на радиус приведения ρ. Теперь рассмотрим приведение моментов инерции и масс к валу электродви- гателя для линейных ПМ (j = const, ρ = const). Приведение моментов инерции ИМ к валу ЭД осуществляется из условия, что величина суммарного запаса кинетической энергии системы, приведенной к валу ЭД, остается неизменной (см. рис. 3.1): J ω2/2 = Jд ω2/2 + Jм ωм2/2. Из этого равенства находим, что суммарный момент инерции приведенной системы J = Jд + Jм (ωм / ω)2 = Jд + Jм / j 2 = Jд + Jм′, где Jм' – приведенный к валу ЭД момент инерции ИМ. Значит, приведенный к валу ЭД момент инерции ИМ при идеальном ПМ равен моменту инерции ИМ, деленному на передаточное число ПМ в квадра- те: Jм' = Jм / j2. Для поступательного движения ИМ (см. рис. 3.2) приведение поступательно движущихся масс к вращательному движению вала ЭД осуществляется на осно- вании равенства кинетических энергий приведенной и исходной (не приведенной) систем: J ω2/2 = (Jд + Jб) ω2/2 + mV2/2, 21 из которого получаем, что J = Jд + Jб + m (V/ω)2 = Jд + Jб + m ρ2 = Jд + Jб + Jм', где Jм' = m ρ2, Jм' – приведенный к валу ЭД момент инерции поступательно движущейся массы m. Следовательно, приведенный к валу ЭД момент инерции поступательно движущейся массы m равен произведению этой массы на радиус приведения ρ в квадрате. Учет потерь в передачах. Потери энергии (мощности) в ПМ учитывают двумя способами: 1) приближенным (с помощью КПД) и 2) уточненным (путем вычисления всех составляющих потерь). Рассмотрим первый способ. Механическая часть ЭП (рис. 3.3) включает ротор ЭД, вращающийся с угло- вой скоростью ω и приложенным моментом М, передаточный механизм ПМ с КПД ηп и передаточным числом i и исполнительный механизм ИМ, вращающийся со скоростью ωм и приложенным моментом сопротивления Мм. При направлении энергии от ЭД к ИМ имеем двигательный режим работы ЭП, а при обратном по- токе энергии – тормозной. В установившемся режиме работы ЭП, который мы и будем рассматривать для учета потерь в ПМ, движущий момент М на валу ЭД ра- вен приведенному к валу статическому моменту Мс, который учитывает момент сопротивления Мм ИМ и момент потерь в ПМ, т.е. М = Мс. Для наглядности обо- значим Мс в двигательном режиме ЭП через Мс↑, а в тормозном – через Мс↓. Тогда, исходя из закона сохранения энергии, можно записать равенства: ω Мс↑ ηп = Мм ωм для двигательного режима, Мм ωм ηп = Мс↓ ω для тормозного режима, из которых следует, что Мс↑ = (Мм ωм) / (ω ηп) = Мм / (j ηп) = Мм' / ηп, Мс↓ = Мм ωм ηп / ω = Мм ηп / j = Мм' ηп, где Мм' – момент ИМ, приведенный к валу ЭД без учета потерь в ПМ. Рис. 3.3. Механическая часть электропривода Следовательно, для учета потерь в ПМ при приведении статических момен- тов и сил сопротивления ИМ в формулах (3.1) и (3.2) необходимо в двигательном режиме работы ЭП учесть КПД ηп в знаменателе, а в тормозном режиме – в чис- лителе, т.е. 22 Мс↑ = Мм / (j ηп) = Fc ρ / ηп, Мс↓ = Мм ηп / j = Fc ρ ηп. Но КПД ηп не является постоянной величиной, он зависит от коэффициента загрузки Kз и номинального КПД ηп ном: ηп = [1/ ηп ном + α (1/ Kз – 1)] – 1, где α – коэффициент постоянных потерь, который для некоторых передач приво- дится в справочниках. Учитывая, что для многих передач ηп ном ≈ 0,8...0,9, в расчетах можно ориен- тировочно принять α = 0,07...0,1 и по приведенной формуле рассчитывать КПД передачи при частичной загрузке ЭП. Пример 1. Рассчитать приведенный к валу двигателя момент инерции элек- тропривода механизма подъема мостового крана. Кинематическая схема электро- привода показана на рис. 3.4. Данные кинематической схемы: m = 3000 кг; Z1 = Z3 =15; Z2 = Z4 = 60; J1= Jд + J1 = 0,65 кг-м2; J2 = Jz2 + Jz3= 0,8 кг-м2; J3 = Jz4 + Jб + Jмф = 9 кг-м2; Dб = 0,8 м. Решение. Рассчитываем передаточные числа зубчатой передачи: j1= Z2/ Z1= 60/15= 4; j2 = Z4/ Z3= 60/15= 4. Запишем выражение для приведенного момента инерции электропривода ме- ханизма подъема J= J1+J2/j12+J3/( j12· j22)+mρ2 , где ρ = v/ω = ωб·Dб/(2ω) = Dб/(2j). Находим численное значение приведенного к валу двигателя момент инерции электропривода J= 0,65+0,8/42+ 9/(162)+3000·(0,8/32)2= 2,61 кг·м2. Рис. 3.4. Кинематическая схема электропривода механизма подъема мостового крана Пример 2. Рассчитать приведенный к валу двигателя момент инерции элек- тропривода продольно-строгального станка, кинематическая схема которого по- казана на рис. 3.5. 23 Электродвигатель ЭД имеет момент инерции Jд = 2,375 кг-м2. Моменты инер- ции зубчатых колес Z1 - Z5 с учетом валов соответственно равны: J1 = 0,073 кг-м2; J2 = 0,05 кг-м2; J3 = 0,043 кг-м2; J4 = 0,814 кг-м2, J5 = 0,515 кг-м2. Зубчатые колеса Z1 - Z5 имеют числа зубьев: Z1 = 17; Z2 = 51; Z3 = 19; Z4 = 86; Z5 = 29. Шаг зуб- чатого колеса Z5 равен tш = 34,5 мм. Масса стола с обрабатываемой деталью со- ставляет 4400 кг. Рис. 3.5. Кинематическая схема электропривода стола продольно-строгального станка Решение. Определяем передаточные числа: j1= Z2/Z1= 51/17 = 3; j2= Z4/ Z3=86/19 = 4,526; j = j1 · j1=3·4,526=13,58. Находим радиус приведения ρ = v/ω = l/φ = (tш· Z5)/(2π·j)=(34,5·10-3 · 29)/(2π·13,58)=1,172·10-2 м/рад. Записываем формулу для вычисления момента инерции электропривода стола в соответствии с кинематической схемой рис. 3.5: J= Jд+J1+ (J2+ J3)/j12+(J4+ J5)/(j12· j22)+mρ2 , в которую подставляем численные данные: J=2,375+0,073+(0,05+0,043)/32+(0,814+ 0,515)/13,582 + 4400 · (1,172·10-2)2 = 3,07 кг·м2. Пример 3. Шахтная подъемная лебедка поднимает груз G = 60 000 H (рис. 3.6). Определить приведенные к валу электродвигателя суммарный момент инерции ЭП подъемной лебедки и статический момент нагрузки, если даны номинальная скорость вращения электродвигателя nн = 494 об/мин, вес каната Gк = 7 800 Н, пе- редаточное число редуктора j = 11,5, КПД редуктора η = 0,94, момент инерции барабана Б вместе с зубчатым колесом 2 J2 = 67,5 кг·м2, момент инерции двигате- ля вместе с зубчатым колесом 1 J1 = 106 кг·м2, диаметр барабана Dб = 3 м. 24 Решение. 1. Определим скорость подъема груза Vм: Vм = π Dб nн / (j 60) = 3,14 · 3 · 494 / (11,5 · 60) = 6,75 м/с. 2. Определим суммарный приведенный к валу электродвигателя момент инерции подъемной лебедки: J = J1 + J2 / j2 + ((G + Gк) / g) · (Vм / ωн)2 = 106 + 67,5 / (11,5)2 + + (60 000 + 7 800) / (9,8) · (6,75 / 51,7)2 = 224,1 кг·м2, где ωн = π nн / 30 = 3,14 · 494 / 30 = 51,7 рад/с. Рис. 3.6. Кинематическая схема подъемной лебедки 3. Приведенный к валу электродвигателя момент сопротивления нагрузки: Мс↑ = (G + Gк) · Rб / (j· η) = = (60 000 + 7 800) ·1,5 / (11,5 · 0,94) = 9 400 Н·м или Мс↑ = ((G + Gк) / 9,8) ⋅ ρ / η = = (60 000 + 7 800) / 9,8 · 6,75 / 51,7 / 0,94 = 9 400 Н⋅м. Лекция 4. УРАВНЕНИЕ ВРАЩАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДА В работе электропривода различают два основных режима: установившийся и переходный. В установившемся режиме электропривод работает с постоянной скоростью. Нарушение постоянства скорости (при регулировании хода техноло- гического процесса, изменении параметров питающего напряжения и др.) вызы- вает переходный режим, в течение которого система «электродвигатель – рабочая машина» переходит в новое установившееся состояние. Изучением поведения электропривода в переходных режимах занимается динамика электропривода, используя уравнение движения электропривода. Рас- смотрим данное уравнение. При работе электропривода под нагрузкой с постоян- ной скоростью вращения вращающий момент электродвигателя М уравновешива- ется статическим моментом сопротивления Мс, приложенным к валу электродви- гателя со стороны рабочей машины, т.е. 25 М = Мс. (4.1) Такой режим работы электропривода называется установившимся. При на- рушении равенства (4.1) возникает динамический момент Мдин, характеризующий переходный режим. При этом уравнение равновесия моментов имеет вид М = Мс + Мдин, (4.2) где М – вращающий момент электродвигателя, Н·м; Мс – статический момент сопротивления, приведенный к валу электродвига- теля, Н·м; Мдин – динамический момент, приведенный к валу электродвигателя, Н·м. Рассмотрим подробнее отдельные составляющие уравнения (4.2). Вращаю- щий (или электромагнитный) момент электродвигателя М создается в результате взаимодействия магнитного потока с током, протекающим по ротору или якорю электродвигателя. Момент на валу электродвигателя Мв отличается от электро- магнитного момента М на величину момента потерь холостого хода М0, опреде- ляемого трением в подшипниках, щеток о коллектор или кольца, вентиляторными потерями и потерями в стали. Момент на валу электродвигателя зависит от режи- ма работы электропривода. В двигательном режиме момент М0 уменьшает момент на валу, а в тормозном режиме увеличивает его. Поэтому Мв = М ± М0. Величина М0 составляет несколько процентов от номинального момента Мн на валу электродвигателя. Вращающий момент электродвигателя считается положительным, если он направлен в сторону движения рабочей машины, и отрицательным – если против движения (режим торможения). Момент статического сопротивления Мс состоит из момента полезной рабо- ты (например, подъем груза) и момента трения Мтр, который учитывается коэф- фициентом полезного действия механизма. Моменты, соответствующие полезной работе, бывают двух видов: реактив- ные и активные. Реактивные моменты – это моменты, которые во всех случаях являются тормозящими, противодействующими движению. К ним относятся моменты реза- ния, кручения, давления, сжатия неупругих тел и моменты трения. Реактивные моменты меняют свой знак при изменении направления вращения привода. Активные (или потенциальные) моменты – это моменты от веса, сжатия, растяжения и скручивания упругих тел. В отличие от реактивных активные мо- менты сохраняют направление своего действия при изменении направления вра- щения привода. Они могут быть направлены как по направлению движения, так и против него. Активные моменты, препятствующие движению, принимаются со знаком «минус», а способствующие движению – со знаком «плюс». Динамический момент определяется угловым ускорением (замедлением) и моментом инерции системы электропривода: 26 Мдин = J td dω , где J – момент инерции всех движущихся частей, кг·м2; dω/dt – угловое ускорение (замедление), рад/с2; ω – угловая скорость, рад/с; t – время, с. При постоянном моменте инерции уравнение движения электропривода М = Мс + J td dω (4.2) или М – Мс = J td dω . (4.3) Знак перед Мдин, следовательно, и перед dω/dt зависит от соотношения вели- чин и знаков М и Мс. При М > Мс привод ускоряется, dω/dt > 0, Мдин – положи- тельная величина. При М < Мс привод замедляется, dω/dt < 0, Мдин – отрицатель- ная величина. Когда М = Мс, ускорение или замедление отсутствует, т.е. dω/dt = 0, Мдин = 0, привод работает в установившемся режиме с постоянной скоростью ω. В общем виде уравнение движения электропривода (4.3) с учетом режимов работы электродвигателя и знаков моментов можно записать ± М ± Мс = J td dω . Время разгона и торможения электропривода. Время переходного режима для некоторых производственных механизмов в значительной степени определяет их производительность, влияет на выбор электродвигателя и т.д. Для определения времени переходного процесса необходимо решить уравне- ние движения электропривода относительно времени: dt = J dω /(М – Мс), откуда t = ∫ J dω / (М – Мс). Для решения данного уравнения необходимо знать зависимости момента двигателя М и момента сопротивления Мс от угловой скорости ω. Частные случаи этой задачи должны учитывать знаки моментов и пределы интегрирования. При разгоне электродвигателя с помощью пускового реостата можно при- нять момент электродвигателя постоянным и равным: М = αМн = const, где αМн – средний момент при пуске; α – коэффициент, учитывающий кратность среднего пускового момента по от- ношению к номинальному моменту электродвигателя Мн. Для случая пуска электродвигателя из неподвижного состояния с Мс = const и J = const время разгона )M()M( cнc 0 нp c MJMdJt c −αω=−αω= ∫ ω . (4.4) 27 При электрическом торможении электропривода уравнение движения будет иметь вид – М – Мс = J (dω/dt). Из этого уравнения следует, что время торможения электропривода )(d c 0 т с MMJt +ω−= ∫ ω . Принимая по-прежнему М = α Мн = const, Мс = const, J = const, время тор- можения от скорости ωс до 0 будет )()(d cнc 0 cнт с MMJMMJt +αω=+αω= ∫ ω . (4.5) Анализ полученных выражений для tр и tт показывает, что одним из сущест- венных факторов, определяющих длительность переходного процесса, является момент инерции электропривода. Поэтому в электроприводах с частыми пусками и торможениями применяют специальные электродвигатели с уменьшенным диа- метром при соответствующем удлинении ротора (крановые электродвигатели). В электроприводах большой мощности вместо одного двигателя устанавливают два – каждый половинной мощности, что позволяет сократить время переходного ре- жима в два раза. Выбор оптимального передаточного числа редуктора. При проектирова- нии и модернизации электропривода приходится решать задачу по выбору опти- мального (наивыгоднейшего) передаточного числа редуктора jопт. Практически это сводится к определению номинальной скорости вращения электродвигателя. Если электродвигатели одинаковой мощности, но с большей номинальной скоро- стью имеют меньшие габариты, массу и стоимость, то целесообразно использо- вать более быстроходные электродвигатели. Однако при этом оказывается, что редуктор должен иметь большее передаточное число (это повышает его стои- мость). Для электроприводов с редкими пусками выбор jопт (или номинальной скорости вращения электродвигателя) производится из условия наименьшей об- щей стоимости электродвигателя и редуктора. Для электроприводов с частыми пусками наиболее существенным критерием является сокращение общего времени переходного процесса tр + tт до минимума. Рассмотрим определение jопт, исходя из минимума времени переходного процесса tп.п. Представим время переходного процесса, используя выражения (4.4) и (4.5), в таком виде: tп.п = tр + tт = (Jдδ + Jм / j2) ωс / (α Мн – Мс) + + (Jдδ + Jм / j2) ωс / (α Мн + Мс). (4.6) Здесь суммарный момент инерции системы электропривода J, приведенный к валу электродвигателя, представлен в виде J = Jдδ + Jм / j2, 28 где δ = 1,1…1,3 – коэффициент, учитывающий момент инерции редуктора (так как момент инерции редуктора в большинстве своем неизвестен, то его в расчетах принимают равным 10…30 % от момента инерции ротора электродвигателя Jд), т.е. составляющая Jдδ – это суммарный момент инерции ротора электродвигателя и ре- дуктора. Принимая ωс = ωн, умножим и разделим оба слагаемых выражения (4.6) на ωн и учтем, что Мн ωн = Рн; Мс ωн = Рс; Jдδ ωн2 = 2Wк.д; Jм (ωн / j)2 = Jм ωм2 = 2Wк.м. Здесь ωн – номинальная угловая скорость вращения. Тогда tп.п = 2 (Wк.д + Wк.м) / (α Рн – Рс) + + 2(Wк.д + Wк.м) / (α Рн + Рс), (4.7) где Wк.д – кинетическая энергия ротора электродвигателя с редуктором; Wк.м – кинетическая энергия движущихся частей механизма; Рн – номинальная мощность электродвигателя; Рс – статическая мощность нагрузки на валу электродвигателя. Номинальная мощность электродвигателя определяется его нагревом при данной нагрузке и является неизменной величиной. Статическая мощность на- грузки определяется работой, которую должен совершить исполнительный меха- низм. Кинетическая энергия механизма определяется его конструкцией. Следова- тельно, единственной величиной, которую можно изменять в (4.7), является кине- тическая энергия Wк.д. При минимуме Wк.д будем иметь минимум времени переходного процесса tп.п. Отсюда следует простое правило определения опти- мального передаточного числа редуктора: для заданной номинальной мощности Рн из каталога выбирают несколько электродвигателей на разные номинальные ско- рости и вычисляют произведение (или , так как 2нд iiJ ω 2д ii jJ constмн == ωω iij ), из которых выбирают наименьшее. Тогда jопт = ω н опт / ωм. Пример. Определим оптимальное передаточное число редуктора (т.е. номи- нальную частоту вращения электродвигателя) из условия минимума общего вре- мени пуска и торможения для механизма с nм = 300 об/мин и мощностью Рс = 6,8 кВт. Решение. Принимаем асинхронный электродвигатель серии АО2 (закрытого, обдуваемого исполнения). Ближайшая номинальная мощность электродвигателя по каталогу Рн = 7,5 кВт. Электродвигатели этой мощности в данной серии вы- пускаются с nн = 2910, 1460, 970, 725 об/мин. Решение задачи сводится к выбору одного из четырех возможных электродвигателей. Каталожные и расчетные дан- ные приведены в таблице 4.1. jопт = 3,3. 29 Таблица 4.1 Каталожные данные Расчетные данные Типы элек- тродвигателя Рн (кВт) nн (об/мин) Jд (кг·м2) j J2 Jд· j2 АО2-42-2 7,5 2910 0,024 9,7 94,0 2,3 АО2-51-4 7,5 1460 0,06 4,7 21,9 1,3 АО2-52-6 7,5 970 0,11 3,3 10,8 1,19 АО2-61-8 7,5 725 0,21 2,4 5,8 1,22 Раздел 2. ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ Цель: изучить механические характеристики электродвигателей переменно- го и постоянного тока в двигательном и тормозных режимах работы, а также способы их пуска и регулирования скорости. Лекция 5. МЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА Основные требования к электроприводам станков. При обработке дета- лей на металлорежущих станках требуется сохранять заданные скорости резания и подачи. Отклонение от выбранного режима резания приводит к ухудшению ка- чества обработки или уменьшению производительности труда. Поэтому электро- привод станка должен сохранять примерное постоянство скорости при изменени- ях нагрузки, вызванных колебаниями припуска. Этому требованию удовлетворяют электродвигатели с достаточно жесткими механическими характеристиками. Нужная скорость резания станка обеспечивается совместно электродвигате- лем и кинематической цепью станка. Если требуемая частота вращения шпинделя станка, например шлифовального, достаточно велика (1000…3000 об/мин), то вал электродвигателя можно связать непосредственно со шпинделем. А если же нуж- на низкая частота вращения шпинделя, то применять электродвигатель с пони- женной номинальной частотой вращения нецелесообразно, так как при этом масса 30 электродвигателя возрастает примерно обратно пропорционально номинальной частоте его вращения при той же мощности. Возрастают размеры и стоимость электродвигателя. Такой привод становится конструктивно и экономически не- приемлемым. Поэтому, как показал опыт, в станкостроении целесообразно ис- пользовать электродвигатели с относительно высокой номинальной частотой вращения (1000…3000 об/мин) и механическими передачами для последующего понижения частоты вращения до нужного значения. При небольшой частоте вращения шпинделя электродвигатель может иметь различные номинальные частоты вращения. Чем быстроходнее двигатель, тем он меньше по габаритам и дешевле, но тем сложнее механическая передача от двига- теля к рабочему органу станка. Лучшее решение выбирают из экономического сравнения возможных вариантов. Это относится и к приводам подачи и вспомога- тельных перемещений. Но в отдельных случаях в станкостроении применяют и тихоходные электродвигатели специальной конструкции для повышения жестко- сти передачи или упрощения конструкции. При необходимости обработки с различными скоростями резания применя- ют регулируемый электропривод, коробки передач или их сочетания в зависимо- сти от результатов экономического анализа различных вариантов. В некоторых случаях (электрокопировальные станки) большое значение приобретают динамические свойства привода: быстродействие, способность мгновенно изменять частоту вращения и др. У приводов вспомогательных перемещений основную нагрузку составляет момент от сил трения, при этом коэффициент трения при покое значительно больше, чем во время движения. Поэтому электропривод должен обеспечивать достаточно большой начальный (пусковой) момент. У некоторых приводов вспо- могательных перемещений и приводов подачи нагрузка кроме сил трения созда- ется при подъеме и массой подвижных узлов станка. Электродвигатели станков должны быть достаточно дешевыми, долговечными и надежными в работе. Устройство асинхронных электродвигателей. Асинхронные электродви- гатели состоят из двух основных частей: статора (неподвижная часть) и ротора (вращающаяся часть). В зависимости от конструкции ротора они делятся на дви- гатели с короткозамкнутым и с фазным ротором. Наиболее широкое применение получили АД с короткозамкнутым ротором, так как они не имеют скользящих контактов и являются самыми простыми и дешевыми двигателями. 31 Рис. 5.1. Конструкция асинхронных двигателей Статор состоит из корпуса 4 (рис. 5.1, а), магнитопровода 1 и обмотки 2. Корпус выполняют в двигателях небольшой мощности литым из чугуна, стали или алюминиевого сплава, в мощных двигателях – сварным. По торцам к корпусу крепят подшипниковые щиты. Магнитопровод набирают из колец, отштампован- ных из листовой электротехнической стали. На внутренней поверхности магнито- провода имеются пазы, в которые закладывается трехфазная обмотка статора, представляющая собой симметричную систему из трех обмоток фаз. Начала пер- вой, второй и третьей обмоток фаз обозначают соответственно С1, С2 и С3, а концы их – С4, С5 и С6. Выводы обмоток фаз присоединяют к зажимам коробки выводов 3, что позволяет соединять обмотки в звезду или в треугольник и благо- даря этому подключать двигатель в сеть с различным напряжением, например 380 или 220 В. В статоре двигателя с фазным ротором на одном из подшипниковых щитов имеется щеточное устройство. Ротор состоит из магнитопровода, набранного из листовой электротехниче- ской стали, обмотки и вала. Обмотку короткозамкнутого ротора изготовляют обычно заливкой магнитопровода ротора расплавленным алюминием, который при заполнении пазов магнитопровода 2 (рис. 5.1, б) образует стержни 1 обмотки. Одновременно образуются короткозамыкающие кольца 4 и вентиляционные ло- патки 3. Обмотку 2 фазного ротора (рис. 5.1, в) выполняют изолированным про- водом, располагаемым в пазах магнитопровода, аналогично обмотке статора. Концы обмоток фаз соединяют между собой, а начала, обозначаемые Р1, Р2 и Р3, присоединяют к расположенным на валу 3 контактным кольцам 1. Механические характеристики асинхронных электродвигателей. Асин- хронные электродвигатели нашли широкое применение в промышленности бла- годаря простоте конструкции, надежности и экономичности в эксплуатации, ми- нимальной стоимости и возможности питания от электрической сети переменного тока. 32 Схема асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором при- ведена на рис. 5.2, а, с фазным ротором – на рис. 5.2, в, а соответствующие им механические характеристики в двигательном режиме на рис. – 5.1, б и г. Вращающий момент М (Н·м) на валу двигателя, угловая скорость ω (рад/с), частота вращения n (об/мин) его вала и мощность Р (Вт), развиваемые двигате- лем, связаны известными соотношениями Р = М ω; ω = πn/30. Угловая скорость и частота вращения магнитного поля статора, назы- ваемые синхронными, будут: 0ω 0n pf /2 10 π=ω ; pfn /60 10 = , где f1, р – соответственно частота сети и число пар полюсов. Принцип действия асинхронного электродвигателя заключается в сле- дующем. Трехфазный ток, протекающий по обмотке статора, создает вращающееся магнитное поле с частотой вращения n0 (или угловой скоростью ω0). Это поле, пе- ресекая обмотки статора и ротора, индуктирует в них ЭДС. ЭДС статора и падение напряжения в обмотке статора уравновешивают приложенное напряжение питаю- щей сети. Под действием ЭДС ротора в замкнутых его обмотках протекают токи. Эти токи (по закону Ленца) стремятся своим магнитным полем ослабить вызвавшее их магнитное поле статора. Механическое взаимодействие токов ротора с вра- щающимся магнитным полем статора приводит к тому, что ротор станет вращаться в ту же сторону, в какую вращается магнитное поле статора (в этом можно убе- диться, применив правило левой руки). Рис. 5.2. Схемы и механические характеристики асинхронных двигателей Особенностью асинхронного двигателя является отставание ротора от маг- нитного поля статора, которое выражается скольжением: 0 0 0 0 n nns −=ω ω−ω= или %100 0 0 ⋅ω ω−ω=s . 33 Двигатель называется асинхронным потому, что его ротор вращается не син- хронно с вращающимся магнитным полем статора: скорость ротора ω не может равняться ω0 , так как при их равенстве вращающееся поле не пересекало бы об- мотку ротора, в ней отсутствовали бы токи и ротор не испытывал бы вращающего момента. Наибольшую мощность Рн, с которой может работать двигатель в нормаль- ном для него режиме, называют номинальной мощностью. Соответствующие этой мощности значения тока Iн, частоты вращения nн, скольжения Sн называют номинальными значениями данных величин. Номинальное скольжение асин- хронного двигателя составляет 1,5…7 % (меньшие значения относятся к двигате- лям большей мощности). Электромагнитный вращающий момент асинхронного двигателя, как и лю- бой электрической машины, пропорционален магнитному потоку Ф и активной составляющей вторичного тока (тока ротора) М = кФI2 cosφ2, где к – конструктивный коэффициент. Скольжение sк, при котором момент двигателя имеет максимальное (крити- ческое) значение, называется критическим: к2к /' XRs ≈ , где R2′ – активное сопротивление фазы ротора, приведенное к частоте и напряже- нию статора; Хк – индуктивное сопротивления цепи короткого замыкания (Хк = Х1 + Х2′\). Величина критического момента Мк определяет перегрузочную способность электродвигателя. У асинхронных короткозамкнутых электродвигателей нор- мального исполнения кратность критического момента 5,2...8,1/ нкк ==λ ММ , у двигателей краново-металлургической серии 5,3...2к =λ . Величина критического момента пропорциональна квадрату напряжения в сети U1: )2/(3 к0 2 1к XUМ ω= . В сетях промышленных предприятий напряжение может изменяться, напри- мер, при пуске мощных двигателей, при ударных нагрузках, характерных для прокатных станов. Поэтому наибольшая допустимая перегрузка с учетом возмож- ности снижения напряжения в сети на 10 % принимается . к29,0 λλ = Уравнение механической характеристики асинхронного электродвигателя имеет вид (упрощённая формула Клосса, в которой активное сопротивление об- моток статора двигателя принято равным нулю) М = 2Мк / (s/sк + sк /s). (5.1) При этом критическое скольжение sк вычисляется через номинальное сколь- жение sн и λк по выражению )1( 2ккнк −+= λλss . Формулой Клосса (уточненной или упрощенной) пользуются обычно при условии постоянства параметров схемы замещения АД. Однако в современных 34 асинхронных короткозамкнутых двигателях, имеющих глубокие пазы в роторе, параметры изменяются в достаточно широких пределах с изменением скольже- ния. Поэтому формулой Клосса можно пользоваться для приближенных расчетов. Имеются полуэмпирические формулы, например, формула К.А.Чекунова, которая дает удовлетворительные результаты только в области скольжений от критиче- ского до единицы. В [1] рассмотрена предложенная автором методика расчета ме- ханических характеристик АД при изменении скольжения от 0 до 2 (для двига- тельного режима и режима противовключения) по уточненной формуле Клосса и предварительно определенным по каталожным данным параметрам эквивалент- ной схемы АД для номинального режима работы. В каталогах обычно приводят следующие технические данные асинхрон- ного двигателя: Рн (кВт), n и n0 (об/мин), кλ и нпп /ММ=λ (Мп – пусковой момент). По этим данным можно определить значения всех величин, необходимых для приближенных расчетов и определения механических характеристик по (5.1), из выражений: 30/нн nπ=ω , 30/00 nπ=ω , ннн /ω= РМ ; ; нкк ММ λ= 0 н0 н n nns −= ; )1( 2ккнк −+= λλss . Из рис. 5.2 видно, что верхний (рабочий) участок естественной механиче- ской характеристики обладает большой жесткостью β (β = dM/ds). Увеличение сопротивления в цепи ротора (рис. 5.2, г) приводит к увеличению критического скольжения sк, а критический момент Мк остается неизменным, т. е. жесткость ис- кусственных механических характеристик уменьшается с увеличением активного сопротивления в цепи ротора. Активное сопротивление фазы обмотки ротора можно определить по форму- ле н2 нн2 2 3I sER = , где Е2н, I2н – соответственно линейная номинальная ЭДС и номинальный ток об- мотки ротора (находят по каталогу). Пример. Рассчитать естественную механическую (для двигательного режи- ма) характеристику асинхронного короткозамкнутого двигателя типа А2-72-4 с Рн = 30 кВт; Uн = 380 В; nн = 1460 об/мин; λк = 2. Решение 1. Мн = Рн /ωн = Рн /(π nн /30) = 30000 / (π ·1460/30) = 205 Н⋅м; 2. Мк = λк Мн = 2 ⋅ 205 = 410 Н⋅м; 3. sн = (n0 – nн) / n0 = (1500 – 1460) /1500 = 0,0266; 4. 1,0)122(0266,0)1( 22ккнк =−+=−λ+λ= SS ; 5. Уравнение механической характеристики М = 2Мк / (s/sк + sк /s) = 820 / (s/0,1 + 0,1/s); 35 6. Задаваясь значениями s для двигательного режима от 0 до 1, рассчитываем соответствующие им значения момента М (табл. 5.1) и строим характеристику (рис. 5.3). Таблица 5.1 s 0 0,026 0,04 0,1 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 n, об/мин 1500 1460 1440 1350 1200 900 600 300 0 М, Н⋅м 0 205 324 410 328 206 138 106 82 Асинхронный двигатель может работать в трех известных тормозных режи- мах. Рекуперативное торможение с отдачей энергии в сеть можно получить, если к валу асинхронного двигателя, подключенного к сети, приложить добавоч- ный момент по направлению вращения такой величины, чтобы ротор стал вра- щаться со скоростью выше синхронной (ω > ω0). При этом скольжение будет от- рицательным s = (ω0 – ω)/ω0 < 0. В данном случае относительное движение про- водников ротора в поле статора по сравнению с двигательным режимом изменится на обратное. Следовательно, изменится направление ЭДС в проводни- ках ротора и соответственно ток ротора, который, взаимодействуя с полем статора, создает электромагнитный момент и будет выполнять роль тормоза. Вырабатывае- мая при этом активная электрическая энергия в обмотке статора поступает в сеть. Такой режим торможения можно получить, например, в подъемных установках при опускании тяжелых грузов, в эскалаторах метро при спуске с большим количест- вом пассажиров и других установках с активным статическим моментом на валу электродвигателя. Активная мощность к тому же изменяет знак, т.е. электрическая машина работает генератором, преобразуя кинетическую энергию от активного момента (опускающегося груза и др.) в электрическую и отдавая ее в сеть. Переход работы из двигательного режима в генераторный происходит автоматически, по- этому механические характеристики являются продолжением характеристик двига- тельного режима и располагаются во II и IV квадратах (рис. 5.4, линии с двумя за- сечками). 36 Рис. 5.3. Естественная механическая характеристика АД в двигательном режиме В режиме торможения противовключением ротор вращается в сторону, противоположную направлению вращения магнитного поля статора, скольжение становится больше единицы: 000 /1/)]([ ωω+=ωω−−ω=S и ток ротора превышает ток короткого замыкания. Для ограничения величины тока в цепь ротора вводят ступень реостата. Ме- ханические характеристики в данном режиме торможения являются продолжением характеристик двигательного режима (при s > 1 или 0<ω ) и располагаются во II и IV квадратах (рис. 5.4, линии с четырьмя засечками). Таким образом, ротор двига- теля, включенного на подъем, вращается в противоположную сторону, так как в цепь ротора введено большое сопротивление и момент электродвигателя достига- ет момента сопротивления лишь при отрицательном скольжении (на рис. 5.4, точ- ка Б). Такой режим часто используется в металлургических кранах при спуске грузов в тормозном режиме. Торможение противовключением может осуществляться реверсом магнитно- го поля статора (переменой мест двух фаз статора). Одновременно в цепь ротора вводится ступень реостата, ограничивающая ток и увеличивающая тормозной момент. На рис. 5.4 показан график перехода асинхронного двигателя с фазным ротором в режиме торможения противовключением. В точке 1 двигательного ре- жима осуществляется реверс и двигатель переходит на работу в точку 2, по линии 2–3 осуществляется интенсивное торможение противовключением. В точке 3 дви- гатель останавливается и его необходимо отключить от сети, иначе он начнет вращаться в противоположном направлении. В режиме динамического торможения двигатель отключают от сети пере- менного тока и две фазы обмотки статора подключают к источнику постоянного тока. В статоре создается неподвижное в пространстве магнитное поле, которое индуктирует в обмотках вращающегося ротора ток. Взаимодействие его с непод- вижным полем статора создает тормозной момент. На рис. 5.4 показаны механи- ческие характеристики в этом режиме при различных значениях сопротивления цепи ротора (линии с тремя засечками). 37 Рис. 5.4. Совмещенные механические характеристики асинхронной машины На рис. 5.5 представлена схема осуществления динамического торможения с самовозбуждением, когда для возбуждения используется выпрямленное напряже- ние обмотки ротора. Условие самовозбуждения наступает лишь при определен- ном граничном значении угловой скорости грω , которое зависит от суммарного сопротивления фазы ротора. Таким образом, в интервале от 0 до условие са- мовозбуждения отсутствует, а механическая характеристика (рис. 5.5, б) совпада- ет с осью ординат. При двигатель самовозбуждается и его момент быстро увеличивается до значения, определяемого моментом нагрузки на валу. Увеличе- ние сопротивления роторной цепи приводит к возрастанию (рис. 5.5, кривая 2). Механические характеристики имеют достаточно высокую жесткость, что позволя- ет получать низкие устойчивые скорости спуска грузов. Достоинством этого режи- ма торможения является экономичность, поскольку при спуске груза энергия из се- ти не потребляется. грω грω=ω грω 38 Рис. 5.5. Схема (а) и механические характеристики (б) асинхронного двигателя при динамическом торможении с самовозбуждением Пуск асинхронных электродвигателей. Пусковые свойства асинхронных двигателей (АД) характеризуются кратностью пускового момента λп = Мп / Мном , кратностью пускового тока λп = Iп / Iном , а также сложностью и экономичностью пуска. Начальный пусковой ток превышает номинальный в 6 – 10 раз, так как в момент пуска скорость пересечения вращающимся полем проводников ротора и ЭДС ротора имеют наибольшие значения. Поэтому ток ротора и индуктивно свя- занный с ним ток статора возрастут. По мере разгона двигателя ЭДС ротора и то- ки ротора и статора уменьшаются. При пуске АД меняется также и частота тока в роторе, которая, как и ЭДС ротора, пропорциональна разности скоростей вращения поля статора и ротора. В начальный момент пуска частота тока в роторе f2 равна частоте тока в статоре (т.е. частоте сети f1). При разгоне двигателя частота f2 уменьшается в соответствии с выражением f1= f1·S. Одновременно с частотой пропорционально скольжению S меняется и индуктивное сопротивление ротора. В начальный момент пуска при наибольшем индуктивном сопротивлении ротора оно преобладает над активным сопротивлением и cos φ2 имеет малое значение. Поэтому, несмотря на большой пусковой ток, начальный пусковой момент АД мал. Пуск АД с короткозамкнутым ротором осуществляется в основном непо- средственным включением их в сеть (это так называемый прямой пуск). Боль- шой пусковой ток при редких пусках не вызывает опасного перегрева обмоток, так как время его действия незначительно. Однако при пуске мощных двигателей, соизмеримых по мощности с питающим трансформатором, в момент пуска на- блюдается резкое снижение напряжения в сети, которое может неблагоприятно отразиться на работе других электроприемников. 39 Если питающая сеть недостаточно мощная, применяется пуск асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором при пониженном напряжении с помо- щью реактора (индуктивная катушка) L или автотрансформатора (рис. 5.6). При реакторном пуске сначала замыкается линейный контактор КМ1, а после разгона двигателя – контактор КМ2, а КМ1 отключается. При автотрансформаторном пуске сначала включаются контакторы КМ1 и КМ3, а после разгона двигателя КМ1 и КМ3 отключаются, а контактор КМ2 включает двигатель на полное напря- жение сети. Рис. 5.6. Схемы пуска АД с короткозамкнутым ротором при пониженном напряжении При понижении напряжения на двигателе во время пуска уменьшается пус- ковой ток. Недостатком такого способа является одновременное уменьшение пус- кового момента, причем при снижении напряжения, например в 2 раза, пусковой ток уменьшится также в 2 раза, а пусковой момент – в 4 раза. Поэтому пуск при пониженном напряжении можно применять только для двигателей, приводящих во вращение рабочие машины, для которых не нужен большой пусковой момент (центробежные насосы, вентиляторы и др.). Пуск АД с фазным ротором. Для ограничения бросков тока и одновремен- ного повышения пускового момента пуск АД с фазным ротором, особенно сред- ней и большой мощности, осуществляется через специальное пусковое устройст- во. Простейшее из них – пусковой реостат (рис. 5.7, а), секции которого изготов- ляют из стали, чугуна, хрома, фехраля и других сплавов с повышенным сопротивлением. По мере разгона двигателя реостат выводится ступенями (рис. 5.7, б). Естественная (т.е. при закороченной обмотке ротора - выведенном пуско- вом реостате) механическая характеристика показана на рис.5.7, б кривой 4. На- чальный пусковой момент составляет (0,7…0,8) Мном, а пусковой ток равен (8…10) Iном. Для увеличения пускового момента и уменьшения пускового тока в цепь ротора через контактные кольца и щетки ХА (рис. 5.7, а) включают пусковой реостат с активным сопротивлением. При этом увеличивается критическое 40 скольжение и характеристики смещаются (кривые 1, 2 и 3). Пусковой реостат со- стоит из нескольких ступеней (R1, R2, R3), причем полное сопротивление рео- стата принимают таким, чтобы Sкр= 1, а Мп = Мmax. Рис. 5.7. Электрическая схема АД с фазным ротором (а) и графики пусковых характеристик (б) Для пуска включают контактор К при полностью введенном реостате. Дви- гатель начинает разгоняться по характеристике 1 от точки а. Момент двигателя при разгоне уменьшается. Если не производить переключений, двигатель разго- нится до точки k (М = Мст). Однако ранее, чем это произойдет, при М = Мпер = (1,1…1,2) Мст (точка b) включают контактор К1, который закорачивает ступень R1 роторного реостата. В результате ток и момент увеличиваются и двигатель пе- реходит в точку с на характеристике 2.Далее процесс пуска происходит аналогич- но, и после замыкания последней ступени R3 пускового реостата двигатель выхо- дит на естественную характеристику 4 (точка g) и разгоняется по ней до точки h, в которой М = Мст. В современных промышленных установках пусковой реостат имеет 5 – 7 ступеней, которые выводятся автоматически. Расчет пусковых реостатов. Для расчета пусковых реостатов используют различные методы. Целью расчета является определение величин сопротивлений каждой пусковой секции (и ступеней) и всего реостата в целом. После этого про- изводится выбор пускового реостата из стандартных элементов (ящиков). 41 Рассмотрим аналитический метод расчета пускорегулировочных и тор- мозных сопротивлений асинхронного двигателя с фазным ротором [1]. Механические характеристики АД в рабочем диапазоне изображаются ли- нейными зависимостями, т.е. в относительных единицах ν=1-ρ·μ, (5.2) где ν=ω/ω0; μ=М/Мн; ρ=R2Σ/ Rн; Rн=U2н/(√3·I2н); ω0 – синхронная угловая скорость; R2Σ – суммарное активное сопротивление фазы ротора, состоящее из собст- венного сопротивления фазы ротора R2.0 и сопротивлений включенных секций пускового реостата; I2н – номинальный ток ротора; U2н – номинальная линейная ЭДС ротора. Пусковой реостат рассчитывается таким образом, чтобы при пуске электро- магнитный момент АД находился в пределах от μ1 до μ2, при этом отношение мо- ментов λ = μ1 / μ2 = ρn / ρn-1 =…= ρ2 / ρ1 = ρ1 / ρе , где ρе = R2.0 / Rн = Sн. Тогда ρn = ρеλn = λn ·Sн, (5.3) где n – число ступеней пускового реостата. В начальный момент пуска ν = 0, ρ = ρn, μ = μ1. Подставляя эти значения в уравнение (5.2) и решая его относительно ρn, получим ρn = 1/μ1. Теперь решая (5.3) относительно λ при ρn = 1/μ1, получим соотношение, связывающее числа λ, μ1, n и Sн : n λ = √(1/(μ1·Sн)). (5.4) При расчетах обычно задаются величиной μ1 = (0,8 – 0,9) λк и числом пуско- вых ступеней n = (3 – 5), вычисляют отношение моментов n λ = √(1/(μ1· Sн)) и находят μ2 = μ1/ λ. Таким образом, относительные значения сопротивлений пусковых ступеней будут равны (рис. 5.8): ρ1 = ρе λ = Sн λ; ρ2 = Sн λ2; …; ρn = Sн λn. Сопротивления секций реостата вычисляются таким образом: ρс.1 = (λ – 1) Sн ; ρс.2 = λ (λ – 1) Sн ; … ρс. n = λn-1 (λ – 1) Sн . 42 Рис. 5.8. Механические характеристики АД с фазным ротором при пуске в 3 ступени Однако можно использовать и графический метод расчета [7]. Он основан на использовании аналитического выражения (5.2) механических характеристик АД, приближенно считая их в рабочей части линейными, и состоит в следующем. Вначале строят естественную механическую характеристику двигателя, рассчи- танную по формуле Клосса, (рис. 5.9). Затем задаются моментами при пуске: наибольшим М1=(0,8 – 0,9)Мк и моментом переключения Мпер, величина которо- го зависит от числа ступеней реостата, но должна быть всегда больше Мс. Из то- чек М1 и Мпер проводят две вертикальные линии до пересечения с естественной механической характеристикой (точки а, б). Через эти две точки проводят прямую до пересечения с горизонталью s = 0 (точка t). Из точки t проводят луч t-i и из полученной точки k на вертикали Мпер- а проводят горизонталь k-g. Аналогично из точки t проводят лучи t-q, t-e, t-c, t-a и из точек h, f, d проводят горизонтали h- e, f-c, d-a. Последняя горизонталь должна попасть в точку а. В противном случае все графическое построение следует произвести вновь, изменив в нужном на- правлении момент Мпер (уменьшив его или увеличив). Сопротивления ступеней пускового реостата затем определяют по выраже- ниям: 43 Рис. 5.9. К расчету пускового реостата R1= q-i / p-a ·Rрот; R2= e-g / p-a · Rрот; R3= c-e / p-a · Rрот ; R4= a-c / p-a · Rрот. Величину собственного активного сопротивления фазы ротора Rрот опреде- ляют из выражения Rрот = E2н Sн / (√3 I2н), где E2н, I2н – соответственно номи- нальная линейная ЭДС и номинальный ток обмотки ротора. Общее сопротивления ступеней пускового реостата Rп= R1 + R2 + R3 + R4. Пример 1. Рассчитаем сопротивления секций пускового реостата графиче- ским методом для АД с фазным ротором типа МТН713-10. Пуск двигателя осу- ществляется в четыре ступени. Механические характеристики построены на рис. 5.9. Наибольший момент при пуске примем равным М1= 0,8Мmax = 0,8 ·7400 = 5920 Н·м. Момент переключения Мпер= 1,3Мн = 1,3·2607= 3380 Н·м. Активное сопротивление фазы ротора, приняв из каталога номинальную си- лу тока ротора I2н=244 А, а номинальную линейную ЭДС ротора E2н=408 В, Rрот = E2н Sн / (√3 I2н)=(408·0,023)/(1,73·244)=0,02225 Ом. Сопротивления секций пускового реостата: R1= q-i / p-a ·Rрот= 0,156 Ом; R2= e-g / p-a ·Rрот= 0,0786 Ом; R3= c-e / p-a ·Rрот= 0,0376 Ом; R4= a-c / p-a ·Rрот= 0,0179 Ом. Общее сопротивление пускового реостата Rп= R1 + R2 + R3 + R4= 0,29 Ом. Замечание. Построение искусственных линейных механических характери- стик АД при пуске значительно упрощается, если после принятия конкретного 44 значения момента М1 (или μ1) вычислить значение λ по формуле (5.4), а затем мо- мент переключения М2 (или μ2). Пример 2. Рассчитаем сопротивления секций пускового реостата аналитическим методом для АД с фазным ротором типа 4МТF(Н)200LB6, имеющего следующие данные: Рн=30 кВт, Uн= 380/220 В; пн = 935 об/мин; I1.н =75 A. Число пусковых ступеней п = 5. Решение. Рассчитываем необходимые величины: • номинальное скольжение sн= (n0 - nн)/ n0= (1000 – 935)/1000 = 0,065; • номинальное сопротивление ротора R2н= U2н/(√3 ·I2н)=235/(√3·73)=1,86 Ом; • активное сопротивление фазы ротора R2= R2н·sн=1,86·0,065=0,121 Ом; • синхронная угловая скорость АД 30/00 nπ=ω =π·1000/30=104,72 рад/с; • номинальная угловая скорость ωн=πnн/30=π·935/30=97,91 рад/с; • номинальный момент Мн=Рн·103/ ωн=30·103/97,91=306,4 Н·м. - Для расчета сопротивлений используем линеаризованные механи- ческие характеристики АД. В относительных единицах линеаризован- ные механические характеристики АД записывается в виде v = 1 - μ·ρ, где v = ω / ω0; μ=М/Мн; ρ= R2 /Rн. Предварительная ступень сопротивления в крановых асинхронных электроприводах выбирается таким образом, чтобы при неподвижном двигателе (v = 0) относительный его момент составлял μпр= 0,5 ÷ 0,7. Примем μпр= 0,7, тогда получим ρпр= 1/ μпр= 1/ 0,7= 1,428. Дальнейший расчет сопротивлений выполняется, исходя из макси- мального момента на втором положении рукоятки командоконтроллера (первая пусковая ступень). Примем максимальный пусковой момент μ1 = = 1,7. При автоматическом пуске колебания момента (и соответственно тока) будут находиться в пределах откуда находим μ2 = μ1/λ = 1,7/1,55= 1,1. 45 Рис. 5.10. Механические характеристики АД с фазным ротором при пуске и торможении Теперь рассчитываем относительные значения сопротивлений пуско- вых ступеней: ρ1=1/μ1=1/1,7=0,588; ρ2= ρ1/λ =0,588/1,55=0,379; ρ3= ρ2/λ =0,379/1,55=0,244; ρ4= ρ3/λ =0,244/1,55=0,157; ρ5= ρ4/λ =0,157/1,55=0,101. Механические характеристики АД в относительных единицах, соот- ветствующие рассчитанным ступеням, приведены на рис. 5.10. Рассчитываем относительные значения сопротивлений отдельных секций пускового реостата: ρс.пр= ρпр - ρ1=1,428 – 0,588=0,84; ρс.1= ρ1 - ρ2=0,588 – 0,379=0,209; ρс.2= ρ2 - ρ3=0,379 – 0,244=0,135; ρс.3= ρ3 - ρ4=0,244 – 0,157=0,087; ρс.4= ρ4 - ρ5=0,157 – 0,109=0,056; ρс.5= ρ5 - ρ0=0,101 – 0,065=0,036. Абсолютные значения сопротивлений секций будут равны: 1) сопротивление секции противовключения Rс.пр= ρс.пр·Rн=0,84·1,86=1,562 Ом; 2) сопротивления пусковых секций: 46 Rс.1= ρс.1·Rн=0,209·1,86=0,389 Ом; Rс.2= ρс.2·Rн=0,135·1,86=0,251 Ом; Rс.3= ρс.3·Rн=0,087·1,86=0,162 Ом; Rс.4= ρс.4·Rн=0,056·1,86=0,104 Ом; Rс.5= ρс.5·Rн=0,036·1,86=0,067 Ом. Включение пускового реостата в цепь ротора АД показано на рис. 5.11. Рис. 5.11. Схема включения пуско-регулировочных сопротивлений АД с фазным ротором Реверсирование асинхронных электродвигателей. Реверсирование, т.е. из- менение направления вращения, производится путем реверсирования вращающегося магнитного поля статора. Для этого надо изменить на обратный порядок следования фаз А, В, С сети по отношению к обмоткам фаз статора, поменяв местами на зажи- мах двигателя или магнитного пускателя провода любых двух фаз. Регулирование скорости асинхронных электродвигателей. Способы регу- лирования скорости асинхронного электропривода определяются из анализа уравнения механической характеристики асинхронного двигателя: М = 3(Uф)2 R2∑ / [ωо s (R1 + R2∑ /s)2 + Xк2] и формулы угловой скорости вращения поля статора 47 ωо = 2 π f1 / p, где Uф – фазное напряжение сети; R2∑ – приведенное к статору сопротивление роторной цепи; R1 – сопротивление обмотки статора; f1 – частота сети; p – число пар полюсов; s – скольжение; Xк – реактивное сопротивление короткого замыкания. Изменением числа пар полюсов обеспечивается ступенчатое регулирование синхронной угловой скорости двигателя ω0. Такой способ регулирования скоро- сти может быть реализован только при использовании специальных АД, полу- чивших название м н о г о с к о р о с т н ы х. Особенность этих АД состоит в том, что их каждая фаза статорной обмотки имеет две одинаковые секции (полуобмот- ки). За счет разных схем их соединения можно изменять число пар полюсов р АД. Ротор многоскоростных АД обычно выполняется короткозамкнутым. Так как число пар полюсов АД может принимать только дискретные значе- ния (р = 1, 2, 3, 4, ...), то и скорость АД этим способом может регулироваться лишь ступенчато. Наиболее часто на практике применяются две схемы переключения статор- ной обмотки многоскоростных АД: с треугольника на двойную звезду и со звезды на двойную звезду. Схема, в которой фазы статорной обмотки образованы двумя параллельно включенными секциями, получила название двойной звезды. Схему переключения «звезда – двойная звезда» целесообразно применять при постоян- ном моменте нагрузки Мс, а схему «треугольник – двойная звезда» – при нагрузке, имеющей характер постоянной мощности. Помимо двухскоростных АД приме- няются также трех- и четырех-скоростные. Первые из них кроме переключаемой обмотки статора имеют также и одну непереключаемую обмотку. Четырехскоро- стные АД имеют две переключаемые обмотки статора с различным числом пар полюсов. Рассматриваемый способ регулирования скорости АД характеризуется ря- дом положительных показателей, что определяет широкое его применение в регу- лируемом электроприводе переменного тока . К ним прежде всего следует отне- сти экономичность, так как регулирование скорости не сопровождается выделе- нием в роторной цепи дополнительных потерь энергии, вызывающих излишний нагрев АД и ухудшающих его КПД. Недостатком способа является ступенчатость изменения скорости двигателя и относительно небольшой диапазон ее регулиро- вания, не превышающий обычно 6…8. При регулировании скорости введением реостата в цепь ротора вся энергия скольжения выделяется в виде потерь в цепи двигателя. Недостатки способа: уменьшение стабильности скорости при ее снижении, ступенчатость и относи- тельно малый диапазон регулирования (2 : 1). Данный метод нашел широкое при- 48 менение в металлургических кранах из-за простоты и малой стоимости приме- няемой аппаратуры. Благодаря разработке и внедрению надежных тиристорных преобразователей частоты (ТПЧ) стало широко применяться частотное управление асинхронными электроприводами. Достоинства метода: регулирование производится при малых потерях скольжения, плавное регулирование скорости, возможность применения асинхронных короткозамкнутых двигателей, диапазон регулирования до 100 : 1. Регулирование скорости асинхронного привода изменением питающего на- пряжения осуществляется путем включения по встречно-параллельной схеме в каждую фазу статора двух тиристоров (рис. 5.10, а). Изменяя угол регулирования тиристоров, можно плавно регулировать величину подводимого к статору напря- жения. При этом снижается критический момент двигателя и увеличивается наклон механических характеристик, так как вращающий момент двигателя пропорциона- лен квадрату напряжения фазы статора (рис. 5.10, б). Практически этот метод регу- лирования находит применение лишь для двигателей с фазным ротором в замкну- тых системах управления с тиристорными регуляторами напряжения. Электромеханические свойства синхронных двигателей. Синхронные дви- гатели в основном применяются в приводах средней и большой мощности, когда режим работы длительный и не требуется регулирования скорости: воздуходувки, компрессоры, вентиляторы, насосы, дробилки, мельницы, приводы черновых кле- тей прокатных станов и др. Достоинства двигателей: простота конструкции, на- дежность, высокие значения cosφ и КПД, возможность работы с cosφ = 1 и даже с опережающим током, что позволяет осуществлять компенсацию реактивной мощности других электроприемников сети. Схема синхронного двигателя приведена на рис. 5.11. Статор СД выполняет- ся аналогично статору АД с трехфазной обмоткой, подключаемой к сети пере- менного тока. Ротор имеет обмотку возбуждения ОВ, питаемую от источника по- стоянного тока, и пусковую короткозамкнутую обмотку ОП в виде беличьей клетки, предназначенную для пуска СД. Вращающий момент в СД возникает в результате взаимодействия вращаю- щегося магнитного поля, создаваемого обмоткой статора, и магнитного поля, соз- даваемого обмоткой возбуждения (или постоянными магнитами на роторе). Взаи- модействие этих полей может создавать постоянный по направлению вращающий момент только в том случае, когда ротор будет вращаться со скоростью ω0 , т.е. синхронно с вращающимся полем статора. Непосредственный пуск СД подачей напряжений на обмотки статора и воз- буждения невозможен, так как ротор обладает значительным моментом инерции и не может мгновенно изменить свою частоту вращения (n) от нуля до частоты вращения магнитного поля статора (n0). Поэтому для пуска синхронного двигате- ля необходимо предварительно разогнать его до синхронной или близкой к ней частоты вращения, т.е. применяют асинхронный пуск. Обмотка возбуждения дви- 49 гателя при пуске замыкается на разрядный резистор Rр, который предохраняет ее от пробоя. При скорости, близкой к синхронной (ω ≥ 0,95ω0), обмотка возбуждения автоматически подключается к источнику постоянного тока на полное напряже- ние (контакты КМ замыкаются). При этом двигатель входит в синхронизм. Для нормального вхождения в синхронизм необходимо, чтобы входной момент был больше статического момента на валу: Мвх > Мс. Механическая характеристика синхронного двигателя абсолютно жесткая и представляет собой прямую, параллельную оси моментов, т.е. скорость двигателя независимо от нагрузки остается постоянной и равной скорости вращения маг- нитного поля статора. При увеличении нагрузки на валу электродвигателя возрас- тает лишь угол сдвига (θ) оси полюсов ротора относительно полюсов вращающе- гося поля статора (или угол сдвига вектора напряжения статора относительно век- тора ЭДС, индуктированной в обмотке статора полем ротора). Зависимость момента двигателя М от угла θ называется угловой характеристикой синхронно- го двигателя, которая представляет собой синусоиду: М = Мmax sinθ. б Рис. 5.10. Бесконтактное регулирование напряжения асинхронного двигателя Рис. 5.11. Схема синхронного двигателя (а) и его механическая характери- стика (б) 50 При холостом ходе оси полюсов ротора и поля статора совпадают (θ = 0 и М = 0). При увеличении нагрузки угол возрастает, соответственно возрастает и мо- мент электродвигателя М. При дальнейшем увеличении нагрузки (θ > 90о) момент М начнет уменьшаться, что соответствует выпадению электродвигателя из син- хронизма (т.е. нарушение синхронного вращения ротора и магнитного поля стато- ра) и его остановке. Номинальной нагрузке на валу соответствует угол θ = 20…30°. Поэтому перегрузочная способность синхронного двигателя λк = Мmax / Мн = 2–3. Максимальный момент Мmax пропорционален фазному напряжению сети и току в обмотке возбуждения. Поэтому перегрузочная способность синхронного двигателя может быть повышена путем увеличения тока возбуждения, что позво- ляет обеспечить устойчивую работу двигателя при значительных толчках нагруз- ки и колебаниях напряжения сети. Синхронный двигатель менее чувствителен к колебаниям напряжения сети, чем асинхронный, так как его момент пропорцио- нален первой степени напряжения. Для синхронного двигателя принципиально возможны все три способа торможения – рекуперативное, динамическое и противовключением. Практиче- ски используется только динамическое торможение. Рекуперативное торможение не применяется, так как нельзя получить снижения скорости без применения пре- образователя частоты. В режиме противовключения электродвигатель, работая в асинхронном режиме, потребляет из сети большой ток, а так как его пусковая (асинхронная) обмотка рассчитана на кратковременную работу и длительное про- текание по ней больших токов недопустимо, такое торможение нежелательно. При динамическом торможении возбуждение синхронного двигателя сохра- няется, а обмотка статора отключается от сети и замыкается на тормозной рези- стор. Его механические характеристики в этом режиме подобны характеристикам асинхронного двигателя при динамическом торможении. Синхронный двигатель может работать с различным углом сдвига φ между током и напряжением статора, что является его особенностью и ценным свойст- вом, так как угол φ можно регулировать путем изменения тока возбуждения, ре- гулируя этим самым потребляемую из сети реактивную мощность.. В процессе изменения тока возбуждения вектор тока статора двигателя может совпадать с вектором напряжения сети, отставать от него или опережать. В случае совпадения данных векторов (при некотором значении тока возбуждения угол φ равен нулю, т.е. напряжение и ток статора совпадают по фазе, а синхронный двигатель пред- ставляет собой чисто активную нагрузку) двигатель потребляет из сети только ак- тивную мощность (cosφ = 1). Если ток возбуждения уменьшить относительно это- го значения (недовозбужденный двигатель), то ток статора будет отставать от на- пряжения, а двигатель будет представлять собой активно-индуктивную нагрузку. При увеличении тока возбуждения (перевозбужденный двигатель) ток статора бу- дет опережать напряжение сети по фазе, а двигатель будет представлять собой ак- 51 тивно-емкостную нагрузку, т.е. двигатель будет отдавать в сеть реактивную мощ- ность. Это свойство синхронного двигателя широко используют для компенсации реактивных нагрузок предприятия. В данном случае синхронный двигатель вы- полняет кроме основной функции также и функцию синхронного компенсатора, что дает большой экономический эффект. Лекция 6. МЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ ПОСТОЯННОГО ТОКА Устройство машин постоянного тока. Машины постоянного тока состоят из двух основных частей: неподвижной – индуктора и вращающейся – якоря. В ин- дуктор входят: станина 1 (рис. 6.1, а); главные полюсы, состоящие из сердечника 3 и обмотки возбуждения 4; добавочные полюсы 2. Главные полюсы предназначены для создания основного магнитного поля машины (поля возбуждения). К индукто- ру с двух сторон крепятся подшипниковые щиты, на одном из которых имеется щеточное устройство, состоящее из поворотной траверсы и щеткодержателей. Якорь (рис. 6.1, б) состоит из сердечника якоря 2, набранного из листов электротехнической стали; обмотки якоря 3 и коллектора 4, который собирают из медных пластин, изолированных друг от друга и от вала. К коллекторным пласти- нам припаивают начала и концы секций обмотки якоря. Сердечник якоря и коллек- тор закреплены на валу 5. Со стороны, противоположной коллектору, на вал уста- навливают вентилятор 1. Механические характеристики электродвигателей постоянного тока. Электродвигатели постоянного тока могут иметь независимое, параллельное, по- следовательное или смешанное возбуждение (рис. 6.2). В электродвигателе параллельного возбуждения обмотка возбуждения при- соединяется параллельно к зажимам якоря. Но ток, протекающий по этой обмот- ке, в отличие от тока якоря не зависит от нагрузки и определяется приложенным к якорю напряжением и общим сопротивлением цепи возбуждения. По этой причи- не электродвигатель параллельного возбуждения называют также электродвига- телем с независимым возбуждением. 52 Рис. 6.1. Устройство машины постоянного тока Рис. 6.2. Схемы электродвигателей постоянного тока независимого (а), параллельного (б), последовательного (в) и смешанного (г) возбуждения (верхняя часть схемы «в» принадлежит схеме «а») Преобразование механической энергии в электрическую (в генераторе) и наоборот (в двигателе) осуществляется на основе законов электромагнитной ин- дукции и электромагнитных сил. В электродвигателе вращающий момент (соот- ветственно и электромагнитные силы, действующие на проводники якоря с про- текающими по ним токами) создается в результате взаимодействия тока якоря Iя с магнитным потоком Ф, создаваемым обмоткой возбуждения. Вращающий момент М двигателя постоянного тока и его ЭДС Е определяются по формулам М = к Ф Iя; Е = кФω, где к – конструктивный коэффициент двигателя; Ф – магнитный поток, Вб; Iя – ток якоря, А. ω – угловая скорость, рад/с. Уравнения электромеханической ω = ƒ (Iя) и механической ω = ƒ (М) характери- стик имеют вид ω = U/(кФ) – (Rя + Rр) / (к Ф) Iя; (6.1) ω = U/(кФ) – (Rя + Rр) / (к2 Ф2) М. Угловая скорость идеального холостого хода (при Iя = 0 или М = 0) ω0 = U/(кФ). На рис. 6.3 представлены механические характеристики двигателя постоян- ного тока с независимым возбуждением (ДПТ НВ) во всех режимах работы. Ха- рактерными точками характеристик в двигательном режиме являются: точка иде- 53 ального холостого хода (ω0, М = 0); точка номинального режима (ωн, Мн); точка короткого замыкания (ω = 0, М = Мк). Жесткость механической характеристики определяется потоком возбужде- ния и сопротивлением якорной цепи β = dM/dω = - к2 Ф2 / (Rя + Rр) = - Мк / ω. Наибольшее значение модуля жесткости соответствует естественной меха- нической характеристике, так как ток возбуждения равен номинальному и регу- лировочное сопротивление Rр = 0. По мере увеличения сопротивления реостата Rр наклон механической характеристики возрастает, а угловая скорость снижается. При заданном значении сопротивления Rр и номинальном моменте Мн угловая скорость двигателя ωн.р = ω0 (1 – Iн (Rя + Rр) / Uн. Для расчета механических характеристик необходимо знать сопротивление якоря двигателя Rя, которое задается в каталогах. При отсутствии заводских дан- ных величину Rя находят ориентировочно по формуле Rя = 0,5 (1 – ŋн) (Uн / Iн). Рис. 6.3. Совмещенные механические характеристики двигателя постоян- ного тока с независимым возбуждением Так как механические характеристики ДПТ НВ прямолинейны, для их по- строения достаточно иметь две точки: 1) ω = ω0 и М = 0, 2) ω = ωн (или ω = ωн.р) и М = Мн. Для ДПТ НВ возможны следующие три режима электрического торможе- ния. 1. Рекуперативное торможение, которое происходит, когда скорость двига- теля выше скорости идеального холостого хода. Оно является наиболее эконо- мичным, поскольку энергия торможения передается в электрическую сеть. Меха- нические характеристики в этом режиме являются продолжением соответствую- щих характеристик двигательного режима во II квадранте. Схема двигателя при рекуперативном торможении не изменяется. 2. Динамическое торможение. Якорь двигателя отключается от сети и за- мыкается на сопротивление. При этом механическая энергия движущихся частей 54 (механизма и якоря двигателя) преобразуется в электрическую, которая теряется в виде тепловой энергии в сопротивлениях якорной цепи. Механические характери- стики в данном режиме торможения проходят через начало координат (на рис. 6.3 – линии с тремя засечками). 3. Торможение противовключением осуществляется двумя способами: 1) введением большого сопротивления в цепь якоря. При этом вращающий момент двигателя становится меньше, чем статический момент нагрузки Мс. Дви- гатель останавливается (в точке А), а затем под действием момента Мс начинает вращаться в другом направлении, развивая тормозной момент; в точке Б наступа- ет установившийся режим. Механические характеристики являются продолжени- ем соответствующих характеристик двигательного режима (на рис. 6.3 – линии с четырьмя засечками); 2) торможение переключением полярности обмотки якоря по ходу. Двига- тель, работающий в точке 1, после переключения перейдет на реостатную характе- ристику в точку 2. По линии 2–3 происходит торможение (линия с пятью засечка- ми). В точке 3 двигатель останавливается и его следует отключить от сети, чтобы избежать перехода в двигательный режим с вращением в обратном направлении. Пуск двигателей постоянного тока. К пуску ДПТ предъявляется основное требование: не допустить при пуске протекание через якорь большого тока (больше 2,5 Iном), опасного для двигателя по условиям коммутации. Теоретически и практически возможны три способа пуска: 1) при включении в цепь якоря пускового сопротивления только на время пуска; 2) при пониженном напряжении в цепи якоря и 3) прямой пуск (без пускового сопротивления) – толь- ко для двигателей маленькой мощности, у которых пусковой ток меньше 4 Iном и разгон двигателя происходит меньше 1 секунды. Пуск ДПТ при включении пускового реостата Rп последовательно с якорем обеспечивает пусковой ток Iяп = Uя / (Rя + Rп) до приемлемого значения (Iяп меньше 2,5 Iном). По мере разгона двигателя пусковой реостат выводится до ну- ля. У двигателей большой мощности Rя = 0,02 – 1,1 Ом и прямой пуск для них невозможен, так как в начальный момент пуска противо-ЭДС Епр = Се ·Ф ·ω = 0 и ток якоря Iяп = Uя /Rя может превысить номинальный ток якоря Iном во много раз (до 100 раз). При большом пусковом токе на коллекторе ДПТ появляется зна- чительное искрение и возможность возникновения кругового огня – дугового раз- ряда по окружности коллектора между щетками разной полярности. Пуск ДПТ с ограниченным пусковым током возможен (без пускового рео- стата) и при питании якоря двигателя от отдельного источника с регулируемым выходным напряжением. Тогда ограничение пускового тока и плавный разгон двигателя обеспечиваются постепенным повышением напряжения на якоре от ну- ля до номинального значения. Этот метод находит применение в регулируемых мощных электроприводах постоянного тока. 55 Автоматизация процесса пуска облегчает управление ДПТ, устраняет воз- можные ошибки при пуске и ведет к повышению производительности механиз- мов, особенно при повторно-кратковременных режимах их работы. Пуск двигателей постоянного тока с пусковым реостатом в цепи якоря (и асинхронных двигателей с фазным ротором) обычно осуществляют в соответст- вии с заданной пусковой диаграммой, при этом закорачивание ступеней пусково- го реостата происходит либо при достижении двигателем определенной скорости, либо при определенной силе тока, либо через заданные промежутки времени. На рис. 6.4 изображена пусковая диаграмма двигателя с тремя ступенями пускового реостата, из которой видно, что закорачивание ступеней пускового реостата производится через время t1 (первая ступень), через время t2 (вторая сту- пень) и t3 (третья ступень). Ток двигателя при пуске изменяется в пределах от I1 до I2. Рис. 6.4. Пусковая диаграмма Из диаграммы рис. 6.4 также видно, что выключение (закорачивание, шунтиро- вание) ступеней пускового реостата можно производить и при определенной угловой скорости двигателя (ω1 , ω2 , ω3) или при определенной величине тока I2. Очевидно, что автоматическое управление пуском ДПТ может быть осуществлено: 1) в функции скорости; 2) в функции тока; 3) в функции времени. Для примера на рис 6.5 представ- лен узел управления пуском ДПТ с параллельным возбуждением в функции времени. 56 а) б) Рис. 6.5. Узел управления пуском ДПТ в функции времени При нажатии кнопки SB1 контактор КМ1 своим контактом КМ1.1 подключа- ет якорь двигателя к сети, а контактом КМ1.3 отключает питание от катушки реле КТ1. Падение напряжения от пускового тока на сопротивлении R1 вызывает сраба- тывание реле КТ2, которое размыкает свой контакт. С определенной выдержкой времени замыкается контакт КТ1.1 реле КТ1 и контактор КМ2 контактом КМ2.1 шунтирует ступень R1 вместе с реле КТ2. Последнее опять с выдержкой времени замыкает свой контакт КТ2.1, что приводит к шунтированию ступени R2. Управление в функции времени получило широкое применение в современ- ных электроприводах постоянного и переменного тока благодаря своим достоинст- вам: простоте схемы, надежности и независимости ее работы от колебаний нагруз- ки или напряжения. Реверсирование ДПТ. Для реверсирования двигателя необходимо изменить направление вращающего момента на противоположное, т.е. согласно формуле для момента М = к Ф Iя изменить направление или магнитного потока (направле- ние тока в обмотке возбуждения), или тока в обмотке якоря. В двигателе постоянного тока с последовательным возбуждением (рис. 6.6, а) по обмотке возбуждения проходит тот же ток, что и по обмотке якоря. По- этому магнитный поток при изменении нагрузки двигателя меняется. Магнитный поток возбуждения растет с увеличением нагрузки, вследствие чего угловая ско- рость снижается согласно уравнению (6.1) и механическая характеристика двига- теля будет мягкой (рис. 6.6, б). Благодаря этому ДПТ НВ сравнительно легко и плавно преодолевает перегрузки и имеет высокий пусковой момент. Данные свойства двигателя позволяют широко применять его в приводе транспортных механизмов. При больших нагрузках двигателя его магнитная цепь насыщена, так что не- большие изменения момента и, следовательно, тока возбуждения не приводят к 57 заметному изменению магнитного потока. Поэтому механическая характеристика в зоне больших нагрузок имеет, как и характеристика двигателя независимого возбуждения, небольшой наклон (кривая 1 на рис. 6.6, б) При снижении нагрузки ток и магнитный поток двигателя уменьшаются. Изменение потока значительно сильней влияет на положение механической ха- рактеристики, чем изменение падения напряжения на сопротивлении якоря, про- порционального току якоря и составляющего даже при полной нагрузке 2 – 7 % напряжения на двигателе. Вследствие этого при малых и средних нагрузках, когда магнитная цепь двигателя не насыщена, его механическая характеристика имеет вид гиперболы. Если нагрузка двигателя мала (менее 25 % номинальной), частота вращения его может превысить допустимые по механической прочности пределы – двига- тель «идет вразнос». При этом происходит разрыв бандажей, крепящих обмотку якоря, и двигатель выходит из строя. Механические характеристики двигателя постоянного тока с последова- тельным возбуждением в четырех квадрантах изображены на рис. 6.7. В двига- тельном режиме механические характеристики значительно смягчаются при вве- дении в цепь якоря реостата (рис. 6.7, линии с одной засечкой). Пуск двигателя постоянного тока с последовательным возбуждением. Пуск осуществляют при введении реостата РП для уменьшения пускового тока. По мере разгона двигателя реостат выводят. Искусственные механические характери- стики, соответствующие различному числу введенных ступеней реостата, показаны на рис. 6.6, б кривыми 2, 3 и 4. Рис. 6.6. Схема (а) и механические характеристики (б) двигателя последо- вательного возбуждения 58 Рис. 6.7. Механические характеристики двигателя постоянного тока с последовательным возбуждением У ДПТ ПВ нельзя осуществить режим рекуперативного торможения, по- скольку в нем отсутствует скорость идеального холостого хода. Динамическое торможение может осуществляться по схеме с самовозбуж- дением и с независимым возбуждением. В первом случае якорь и обмотка возбуж- дения отключаются от сети и замыкаются на реостат. Чтобы избежать размагни- чивания машины, необходимо переключить обмотку возбуждения (или якорь) та- ким образом, чтобы направление тока в обмотке возбуждения не изменилось. В этом случае машина самовозбуждается при данном сопротивлении цепи якоря лишь при определенном значении угловой скорости; возбудившись, она создает тормозной момент. Механические характеристики нелинейны (на рис. 6.7 – кривые с четырьмя засечками). Механические характеристики двигателя в режиме динамического торможе- ния аналогичны соответствующим характеристикам двигателя с независимым возбуждением (на рис. 6.7 – линии с двумя засечками). Такой способ торможения нашел широкое применение, а первый способ используют редко, в основном как аварийный, например, при исчезновении напряжения сети. Торможение противовключением осуществляется, как у ДПТ НВ, двумя спо- собами: 1) включением в цепь якоря большого сопротивления; 2) изменением полярности обмотки якоря, оставив направление тока в об- мотке возбуждения без изменения. При первом способе механическая характеристика будет продолжением ха- рактеристики, соответствующей двигательному режиму (на рис. 6.7 – линия с тремя засечками). При втором способе торможение осуществляется по линии 1– 2–3. Регулирование скорости электроприводов постоянного тока. Скорость ДПТ НВ можно регулировать: 1) путем изменения сопротивления в цепи якоря; 2) изменением потока возбуждения; 59 3) изменением напряжения, подводимого к якорю. Регулирование по первому способу имеет существенно недостатки: – уменьшается жесткость механических характеристик при снижении угло- вой скорости, а потери мощности в главной цепи возрастают; – диапазон регулирования ограничен, особенно при малых нагрузках; – невелики плавность и точность регулирования. По этим причинам такой способ регулирования в приводе постоянного тока используется редко. По второму способу можно регулировать магнитный поток только в сторону уменьшения (так как в номинальном режиме магнитная цепь двигателя насыще- на), что соответствует увеличению скорости выше номинальной. Возможный диапазон регулирования скорости при этом не превышает 2 для двигателя нор- мального исполнения. Верхний предел скорости ограничивается механической прочностью элементов якоря двигателя – бандажей обмотки якоря, коллектора. Основным способом регулирования скорости ДПТ НВ является способ, ос- нованный на изменении подводимого к якорю напряжения, которое осуществля- ется с помощью специального регулируемого преобразователя. В качестве инди- видуальных источников питания используют в основном тиристорные преобразо- ватели. Жесткость механических характеристик привода по системе «преобразователь – ДПТ НВ» практически постоянна. Механические характери- стики представляют собой семейство параллельных друг другу прямых. Диапа- зон, плавность, точность регулирования здесь выше, чем при других способах ре- гулирования. Поэтому данная система привода применяется для механизмов, тре- бующих глубокого и плавного регулирования скорости. Регулирование скорости двигателей с последовательным возбуждением осу- ществляют: 1) изменением тока возбуждения и, следовательно, магнитного потока путем шунтирования обмотки возбуждения регулятором Р1 (рис. 6.6, а); 2) введени- ем в цепь якоря регулировочного реостата; 3) изменением напряжения на обмотке якоря, что в электроприводах, имеющих по два двигателя (например, в электрово- зах), выполняют путем последовательного соединения обмоток якоря двигателей между собой. При этом напряжение на каждой обмотке уменьшается вдвое и соот- ветственно снижается частота вращения. Расчет добавочных резисторов в цепи якоря ДПТ НВ. Если известна ес- тественная электромеханическая или механическая характеристика 1 двигателя (рис. 6.8) и его паспортные данные, то расчет сопротивления Rд, при включении которого в цепь якоря желаемая искусственная характеристика 2 пройдет через точку А с заданными координатами ωи, Iи или ωи, Ми, можно выполнить следую- щими наиболее распространенными методами. Метод пропорций. Запишем отношение перепадов скорости при токе Iи или моменте Ми на естественной Δωе и желаемой искусственной Δωи характеристиках: Δωе / Δωи = Iи Rя / (Iи (Rя + Rд)) = Rя / (Rя + Rд). 60 Тогда искомая величина Rд = Rя (Δωи / Δωе – 1). Метод отрезков не требует знания значения собственного сопротивления двигателя Rя (более того, его значение можно определить по известной естествен- ной характеристике). Рис. 6.8. Характеристики ДПТ НВ для расчета величины регулировочных резисторов Запишем выражение для скорости двигателя на заданной искусственной ха- рактеристике (см. рис. 6.8) при номинальных токе Iн, моменте Мн, магнитном по- токе Фн и напряжении Uн: ωи = Uн / (кФн) (1 – Iн R / Uн), где Uн / (кФн) = ω0. Тогда ωи = ω0 (1 – R / Rн). Здесь Rн = Uн / Iн – так называемое номинальное сопротивление, являющее- ся базовой величиной при расчетах, Ом. Соотношение R / Uн = (ω0 – ωи) / ω0 = δ отражает важное свойство ДПТ НВ: относительный перепад скорости δ = Δω / ω0 равен относительному активному сопротивлению цепи якоря R / Rн. Обозначим на рис. 6.5 характерные точки а, b, с, d и отметим, что ω0 – ωи = Δω = ас, ω0 = аd. Тогда R = Rн Δω / ω0 = Rн ас/ аd; Rд = Rн bс / аd; Rя = Rн аb / аd. Таким образом, для нахождения Rд необходимо сначала по характеристикам определить длины отрезков bс и аd при номинальном токе или моменте и рассчи- тать номинальное сопротивление Rн = Uн / Iн. Расчет добавочных резисторов можно выполнить также по следующим фор- мулам для заданного допустимого тока Iдоп, который определяется величиной до- пустимого момента Мдоп или условиями пуска, реверса и торможения. Сопротивление резистора Rд1 при пуске (Е = 0) Rд1 = (U / Iдоп) – Rя. Сопротивление резистора Rд2 при динамическом торможении Rд2 = (Е / Iдоп) – Rя ≈ (U / Iдоп) – Rя). 61 Сопротивление резистора Rд3 при реверсе или торможении противовключе- нием Rд3 = ((U + Е) / Iдоп) – Rя ≈ (2U / Iдоп) – Rя. Пример 1. ДПТ НВ типа ПБСТ-53 имеет следующие паспортные данные: Рн = 4,8 кВт; nн = 1500 об/мин; Uн = 220 В; Iн = 24,2 А; Rя = 0,38 Ом; Iв.н = 0,8 А. Требуется определить: 1) сопротивление резистора, включение которого в цепь якоря двигателя обеспечит прохождение искусственной механической характеристики через точку с координатами ωи = 90 рад/с, Мн = 25 Н⋅м; 2) сопротивления резисторов, включение которых ограничит ток при пуске и торможении противовключением до уровня Iдоп = 3Iн. Решение 1. Для нахождения сопротивления Rд используем метод пропорций, предва- рительно определив требуемые параметры двигателя: ωн = 2π nн /60 = 2 ⋅ 3,14 ⋅ 1500/60 = 157 рад/с; Мн = Рн / ωн = 4800/157 = 30,6 Н⋅м; кФн = Мн / Iн = 30,6/24,2 = 1,3 В⋅с; ω0 = Uн / кФн = 220/1,3 = 169 рад/с; Δωе = ω0 - ωн= 169 -157= 12 рад/с; Δωи = ω0 – ωи = 169 – 90 = 79 рад/с. Тогда искомое сопротивление резистора Rд = Rя ((Δωи / Δωе) – 1) = 0,38·((79/12) – 1) = 2,12 Ом. 2. Сопротивление пускового резистора Rд1 = (U / Iдоп) – Rя = 220/(3 ⋅ 24,2) – 0,38 = 2,65 Ом. Сопротивление резистора, используемого при торможении: Rд3 = ((U + Е) / Iдоп) – Rя ≈ (2U / Iдоп) – Rя = = 2 ⋅ 220/(3 ⋅ 24,2) – 0,38 = 5,7 Ом. Пример 2. Для ДПТ параллельного возбуждения типа 2ПО200L c номи- нальными данными: Рн = 11кВт; nн = 1000 об/мин; Uн = 220 В; н= 86,5 %; Rя = 0,46 Ом; Rов = 126,5 Ом требуется рассчитать пусковые сопротивления при пуске в 4 ступени и максимальном моменте М1 = 2Мн, используя 1) аналитический метод расчета и 2) графический метод (метод отрезков). Решение. Электрическая схема реостатного пуска ДПТ параллельного возбуждения в 4 ступени показана на рис. 6.9. 62 Рис. 6.9. Реостатный пуск ДПТ НВ в 4 пусковые ступени Аналитический метод расчета 1. Рассчитываем: • номинальный ток двигателя Iн = Рн /(Uн · н )=11 000/(220·0,865)=57,8 А; • номинальный ток возбуждения Iв.н = Uн/ Rов=220/126,5=1,74 А; • номинальный ток якоря Iя.н = Iн - Iв.н=57,8 – 1,74=56,06 А; • номинальное сопротивление двигателя Rн= Uн/ Iя.н =220/56,06=3,924 Ом; • относительное сопротивление обмотки якоря ρ0= Rя/Rн=0,46/3,924=0,117. 2. Принимая во внимание, что λ = μ1 / μ2 = i1 / i2 = ρ1 / ρ0 = ρ2 / ρ1 = ρ3 / ρ2= ρ4 / ρ3 , находим 4 4 λ = √(1/(μ1· ρ0)) = √(1/(2· 0,117))=1,438, где ρ1 = R1/ Rн; ρ2 = R2/ Rн; ρ3 = R3/ Rн; ρ4 = R4/ Rн; R1, R2, R3, R4 - сопротивления пусковых ступеней ДПТ (см. рис. 6.9). 3. Вычисляем относительный ток переключения (или относительный момент переключения μ2= μ1/λ) i2 = i1/ λ = 2/1,438= 1,39. 4. Теперь на основании уравнения ν = 1 – ρ · μ при μ2 ≤ μ ≤ μ1, ρ0 ≤ ρ ≤ ρ4 строим механические характеристики ДПТ при пуске в 4 ступени (рис. 6.10). 5. Рассчитываем: • относительные сопротивления ступеней ρ1= λ · ρ0 =1,438· 0,117=0,168; ρ2 = λ · ρ1=1,438 ·0,168=0,242; ρ3= λ · ρ2=1,438· 0,242=0,347; ρ4= λ · ρ3=1,438 ·0,347=0,499; 63 • относительные сопротивления секций пускового реостата ρд1= ρ1 - ρ0=0,051; ρд2= ρ2 - ρ1= 0,074; ρд3= ρ3 - ρ2=0,105; ρд4= ρ4 - ρ3=0,152; • абсолютные величины сопротивлений секций Rд1= ρд1· Rн=0,051·3,924=0,2 Ом; Rд2= ρд2· Rн=0,074·3,924=0,29 Ом; Rд3= ρд3· Rн=0,105·3,924=0,412 Ом; Rд4= ρд4· Rн=0,152·3,924=0,596 Ом. 6. Общее сопротивление пускового реостата Rп= Rд4 + Rд3 + Rд2+ Rд1= 0,596+0,412+ 0,29+0,2=1,5 Ом. Графический метод (метод отрезков) 1. Строим естественную механическую характеристику (рис. 6.10) по двум точкам (А и Б), значения координат которых равны: νА= 1; μА = 0; νБ = νн = 1- ρ0 =1- 0,117= 0,883; μБ = μн = 1. 2. Вычислим кратность максимального момента μ1 к моменту переключения μ2 при пуске (λ = μ1 / μ2), величина которого зависит от числа ступеней пускового реостата, но должна быть больше статического момента μс: 4 4 λ = √(1/(μ1· ρ0)) = √(1/(2· 0,117))=1,438. 3. Вычислим значение относительного момента переключения μ2: μ2 = μ1/λ= 2/1,438 = 1,39. 4. Из точек m1 (μ1) и m2 (μ2) на оси моментов проведем две вертикальные линии до пересечения с естественной механической характеристикой (точки а, b) и с горизонталью ν = 0 (точка c). Соединим точки А и m1 и получим точку d на вертикали m2 - b. Из этой точки d проведем горизонталь d - е. Аналогично из точ- ки А проведем линии A - e, A - g, A - k, а из полученных точек f, h, l проведем го- ризонтали f-g, h-k, l-a. Последняя горизонталь l-a попадет в точку а, так как зна- чение момента переключения μ2 было вычислено ранее в зависимости от задан- ного значения момента μ1 и числа ступеней n пускового реостата. 5.Определяем значения искомых сопротивлений секций пускового реостата из выражений, в которых используются измеренные длины отрезков из рис. 6.10 : Rд4= m1-e/c-a ·Rя = 22/17· 0,46 = 0,596 Ом; Rд3= g-e /c-a ·Rя =15/17·0,46= 0,412 Ом; Rд2= k-g/c-a ·Rя = 11/17·0,46= 0,29 Ом; Rд1=a-k/c-a ·Rя = 7/17·0,46= 0,2 Ом. 6. Общее сопротивление пускового реостата Rп= Rд4 + Rд3 + Rд2+ Rд1= 0,596+0,412+ 0,29+0,2=1,5 Ом. 64 Рис. 6.10. Механические характеристики ДПТ НВ при 4 пусковых ступенях Лекция 7. ТИРИСТОРНЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД ПОСТОЯННОГО ТОКА В промышленности широко применяется регулируемый тиристорный элек- тропривод постоянного тока. Тиристоры – это самые мощные полупроводнико- вые приборы, используемые в силовых схемах электропривода. Они выпускаются на токи от нескольких килоампер при допустимом обратном напряжении до не- скольких киловольт. С помощью тиристора, включенного в цепь переменного то- ка, можно не только выпрямлять напряжение, но и регулировать его величину. Управление тиристором, т.е. включение, осуществляется с помощью управ- ляющего электрода УЭ (рис. 7.1), на который в момент отпирания подаются отпи- рающие импульсы тока Iотп из схемы управления. При отсутствии отпирающего сигнала (вентиль заперт) сопротивление вентиля равно бесконечности, а при пода- че на управляющий электрод отпирающего импульса Iотп его сопротивление пада- ет до нуля (вентиль открывается). В точке естественной коммутации (точка а на рис. 7.1, а) тиристор запирается. Запереть тиристор с помощью управляющего электрода невозможно, т.е. тиристор в отличие от транзистора является прибором полууправляемым. С помощью фазосдвигающего устройства схемы управления можно изменять фазу (момент) подачи отпирающего импульса (рис. 7.1, г) относительно точки есте- ственной коммутации вентиля, т.е. можно изменять угол регулирования α. 65 Рис. 7.1. Графики регулирования выходного напряжения тиристорного выпрямителя Величина выпрямленного напряжения тиристорного преобразователя соот- ветствует площади заштрихованного участка U(t) (рис. 7.1, а – в). Udα = 2 m / π sin (π / m) U2 cos α = Ud0 cos α, где m – число фаз выпрямления; U2 – действующее значение линейного напряжения питающего трансформато- ра; Ud0 – максимальное выпрямленное напряжение преобразователя при полно- стью открытых тиристорах (α = 0): Ud0 = 2 m / π sin (π / m) U2. Таким образом, изменяя с помощью системы импульсно-фазового управле- ния (СИФУ) угол регулирования α, можно плавно и в широких пределах (от нуля до Ud0) изменять величину выпрямленного напряжения и соответственно угловую скорость электродвигателя ω. Параметр m связывает число фаз напряжения питающей сети (р = 1; 2; 3) с числом полупериодов (q = 1; 2) этого напряжения, в которых работают вентили: m = рq. Величина m определяется частотой пульсаций за период напряжения сети. В обобщенном виде схема тиристорного электропривода с трехфазным пре- образователем представлена на рис. 7.2. В СИФУ фиксация момента подачи управляющего импульса обычно осуще- ствляется путем сравнения двух напряжений с использованием так называемого вертикального принципа, т.е. момент подачи отпирающего импульса определяет- ся равенством постоянного управляющего напряжения uу (рис. 7.3, а) и опорного напряжения uоп. В момент равенства напряжений uу и uоп (точка а) в схеме возни- кает либо один, либо пачка импульсов с крутым передним фронтом iотп, которые затем подаются на управляющие электроды тиристоров. 66 Рис. 7.2. Обобщенная схема тиристорного электропривода: VS1 – VS3 – тиристоры; Lф, Rф – индуктивность и активное сопротивление сглаживающего фильтра; Lн, Rн – то же нагрузки; Eм – ЭДС двигателя а б Рис. 7.3. Графики напряжений (а) и схема (б) системы импульсно-фазового управления тиристором На рис. 7.3, б в упрощенном виде представлена схема управления тиристо- ром. Напряжение, подаваемое на базу транзистора VТ, равно алгебраической сумме управляющего напряжения uу и выходного напряжения генератора пилооб- разного напряжения ГПН. При положительном напряжении на базе транзистор заперт. В момент, соответствующий точке а (см. рис. 7.3, а), когда результирую- щее напряжение на базе станет равным нулю, транзистор откроется и в первичной обмотке W1 импульсного трансформатора ТИ возникнет напряжение. Импульс напряжения через вторичную обмотку трансформатора будет подведен к управ- ляющему электроду тиристора VS, он откроется. Для формирования крутого пе- реднего фронта импульса используется дополнительная обмотка обратной связи трансформатора (на схеме не показана). Резистор R1 и диод VD служат для защи- ты управляющего р – n-перехода тиристора от действия недопустимого тока или напряжения обратной полярности. Изменяя управляющее напряжение uу, опера- 67 тор изменяет момент отпирания тиристора, т.е. изменяет угол регулирования α от 0 до π (см. рис. 7.3, а). При этом изменяется выходное напряжение преобразовате- ля, а следовательно, и скорость подключенного к нему электродвигателя. Электропривод постоянного тока с системой подчиненного регулирова- ния. В теории электропривода широко используется инженерный метод синтеза унифицированных контуров регулирования, называемый методом последова- тельной коррекции с подчиненным регулированием координат (или проще – метод подчиненного регулирования координат). Сущность его заключается в том, что объект регулирования представляется в виде последовательно соединенных звеньев П1 – Пi, выходными параметрами (координатами) которых могут быть скорость, ток, момент, положение и т.п. Для управления каждой из этих коорди- нат служит отдельный регулятор Рi, образующий с объектом управления замкну- тый контур с соответствующей обратной связью ко.с. Регуляторы соединяются по- следовательно, так что выход одного из них является входом другого. При этом замкнутые контуры регулирования образуют систему, в которой имеется внешний контур, состоящий из звена П1 объекта управления и соответствующего регуля- тора Р1, и внутренние контуры. Выходной сигнал внешнего контура является за- дающим для последующего (внутреннего), заключенного внутри него контура. Таким образом, каждый внутренний контур регулирования подчинен соответст- вующему внешнему контуру. Каждому регулируемому параметру соответствует свой регулятор с обратной связью. Число контуров равно числу регулируемых па- раметров (координат) объекта управления и соответственно – числу регуляторов. Достоинства системы подчиненного регулирования: – удобство эксплуатации; – простота наладки; – широкая унификация узлов управления; – возможность реализации систем управления из наборов стандартных эле- ментов независимо от структуры и параметров электропривода. Структурная схема электропривода постоянного тока (тиристорного, ревер- сивного) с системой подчиненного регулирования приведена на рис. 7.4. Электро- двигатель М получает питание от реверсивного тиристорного преобразователя UZ1, UZ2, который питается от трехфазной сети через автоматический выключа- тель QF и трансформатор Т. Выключатель QF защищает блоки тиристоров от ко- ротких замыканий. Пульсации выпрямленного тока сглаживаются реактором L. СИФУ генерирует управляющие импульсы для тиристоров, изменяет фазу их в зависимости от величины управляющего сигнала на ее входе с целью регулиро- вания напряжения преобразователя и скорости электропривода. Величина входного сигнала uвх СИФУ является функцией от управляющего сигнала uу и сигналов об- ратных связей, поступающих в схему управления электроприводом. Управление электродвигателем (пуск, реверс, регулирование скорости) осуществляется бескон- 68 тактным командоконтроллером SА (ручным или педальным) обычно сельсинного типа с поста управления. Сигнал uу переменного тока на выходе SА необходимо преобразовать в сиг- нал постоянного тока, полярность которого определялась бы фазой напряжения uу, фиксируемой положением ручки командоконтроллера. Для этой цели исполь- зуют фазочувствительное выпрямительное устройство ФВУ. Рис. 7.4. Схема автоматизированного (тиристорного, реверсивного) электро- привода постоянного тока с системой подчиненного регулирования Командоконтроллер SА дает обычно ступенчатый сигнал управления, что может вызвать чрезмерный бросок динамического тока. Поэтому для ограничения динамического тока при разгоне и торможении на вход регулятора скорости РС подается сигнал, изменяющийся линейно во времени и получаемый на выходе за- датчика интенсивности ЗИ. В схеме (см. рис. 7.4, а) предусмотрена возможность шунтирования ЗИ бес- контактным ключом БК оператором (в случае возникновения ненормальных си- туаций). С помощью тахогенератора ВR осуществляется отрицательная обратная связь по частоте вращения двигателя, а с помощью датчика тока UА – отрица- тельная обратная связь по току двигателя. Схема электропривода имеет два самостоятельных регулятора: регулятор скорости РС и регулятор тока РТ. РС осуществляет прием сигнала задания скоро- сти двигателя uз.с, обеспечение изменения скорости двигателя с определенным ус- корением и т.д. Кроме своей основной функции он также ограничивает сигнал uз.т допустимым значением, которое часто зависит от величины потока двигателя; ог- раничивает скорость изменения тока якоря di/dt, осуществляет формирование требуемой жесткости механических характеристик электропривода и т.п. 69 Регулятор тока якоря РТ получает на входе сигнал задания uз.м с выхода ре- гулятора скорости и сигнал обратной связи uд.м с выхода датчика тока UА. На вы- ходе он формирует напряжение управления uвх к СИФУ UZ, определяющее угол регулирования тиристоров α. Регулятор тока осуществляет также ограничение скорости нарастания тока, улучшение динамики контура тока в зоне прерывисто- го тока, управление переключением выпрямительных мостов реверсивного пре- образователя и др. Схема простейшего регулятора тока представлена на рис. 7.4, б. В составе регулятора имеется усилитель А с ограничением тока. На выходе регулятор тока формирует напряжение управления, поступающее в СИФУ. Блоки питания БП обеспечивают питание СИФУ, регуляторов и других элементов системы управле- ния. Для ограничения тока якоря допустимым значением в схему управления вве- ден блок токовой отсечки (БТО), который защищает электропривод от недопус- тимых перегрузок и аварийных токов, воздействуя непосредственно на вход СИФУ и ограничивая выпрямленный ток предельно допустимым значением. Принцип токовой отсечки состоит в том, что при достижении током двигателя за- данного значения (уставки) фаза отпирающих импульсов изменяется так, что на- пряжение на выходе силового блока снижается, ограничивая ток заданным значе- нием. Рассмотренная система электропривода широко используется в механизмах, требующих широкого и плавного регулирования скорости. Автоматизированный электропривод в общем случае осуществляет регулирование различных парамет- ров: скорости, тока, напряжения, момента, положения и др. Раздел 3. АППАРАТУРА И СХЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДАМИ Цель: Изучить аппаратуру ручного и релейно-контакторного управления электроприводами, основные схемы управления электродвигателями постоянно- го и переменного тока, автоматическое управление в функции тока, времени, скорости, аппаратуру и схемы защиты электродвигателей, бесконтактную ап- паратуру и датчики положения, скорости и тока. Лекция 8. КОНТАКТНАЯ АППАРАТУРА УПРАВЛЕНИЯ К контактной аппаратуре ручного управления относятся следующие электри- ческие аппараты: рубильники, пакетные выключатели, контроллеры, универсаль- ные переключатели, командоконтроллеры, путевые переключатели, кнопки. Ос- новными элементами этих аппаратов являются контакты, для изготовления кото- рых применяют медь, бронзу, латунь, в особо ответственных случаях – серебро. 70 Все большее применение находят контакты из металлокерамики, обладающие по- вышенной надежностью, долговечностью, износостойкостью. Переключение кон- тактов осуществляется путем воздействия на них различных рычагов или кулачков вручную или механически – элементом движущейся машины. При размыкании контактов под нагрузкой вследствие действия ЭДС само- индукции и ионизации воздушного промежутка между ними возможно возникно- вение электрической дуги, которая вызывает оплавление или подгорание контак- тов. Для защиты их от действия дуги и сокращения времени ее действия приме- няют различные дугогасительные приспособления и устройства: роговые разрядники (электрическая дуга под действием потока горячего воздуха, переме- щающегося вверх, поднимается по расходящимся рогам, удлиняется, обрывается и гаснет), асбоцементные камеры с деионной решеткой из стальных пластин (электрическая дуга индуктирует в пластинах вихревые токи, а их магнитный по- ток смещает дугу в сторону пластин, затягивает внутрь решетки, рассекает их на мелкие части; от соприкосновения дуги со стенами дугогасительной камеры дуга охлаждается и быстро гаснет); дугогасительные катушки, включаемые последо- вательно в цепь главных контактов (дуга под действием магнитного поля катушки растягивается на расходящихся рогах контактов, соприкасается со стенками дуго- гасительной камеры, охлаждается и гаснет). Широко используется также гашение дуги в минеральном масле (в аппаратах свыше 1000 В). Например, контакты масляного выключателя погружают в сталь- ной бак, наполненный маслом. При размыкании контактов дуга интенсивно охлаж- дается маслом и гаснет. Так как электрические контакты требуют ухода и снижают надежность рабо- ты установки, то в настоящее время широко внедряют бесконтактную аппаратуру, выполняемую на полупроводниковых элементах. Рубильники применяют в качестве вводных выключателей, предназначенных для снятия напряжения со схемы электроустановки и создания видимого разрыва электрической цепи при ремонтах, осмотрах и длительных остановках (в перерывах между сменами и т.п.). Такие рубильники называют вводными. Вводный рубиль- ник в нормальных условиях не разрывает рабочего тока электродвигателя: это выполняют обычно другие аппараты. Чтобы ножи отключенного рубильника не находились под напряжением и не представляли опасности при случайном к ним прикосновении, провода от сети присоединяют к контактным стойкам (губкам) рубильника, прикосновение к которым менее вероятно. В станкостроении иногда находят применение трехполюсные рубильники с боковой рукояткой, которые встраивают в шкафы с электроаппаратурой так, что- бы рукоятка находилась снаружи. В цепях постоянного тока применяют двухпо- люсные рубильники. В станкостроении рубильники заменяются более удобными и более компактными другими аппаратами – пакетными или автоматическими выключателями. 71 В некоторых случаях используют пакетные выключатели (переключате- ли), весьма компактные по сравнению с рубильниками. Пакетный выключатель содержит несколько примыкающих друг к другу однополюсных выключателей, управляемых поворотом общей оси. Однополюсные выключатели можно устано- вить так, чтобы при повороте оси одни цепи замыкались, а другие размыкались. Пакетный выключатель снабжается механизмом, обеспечивающим фиксацию и быстрое переключение контактов, которое не зависит от скорости поворота руко- ятки выключателя. В станкостроении при-меняют пакетные выключатели на 4…60 А. В электрических схемах станков пакетные выключатели используют в качестве вводных выключателей (вместо рубильников) и переключателей цепей управле- ния и сигнализации, реже – для пуска электродвигателей. Путевые переключатели и конечные выключатели располагают по пути следования механизма и в крайних (предельных) положениях, контакты этих ап- паратов переключаются с помощью специального рычага движущимися элемен- тами механизма. Для одновременного переключения большого числа цепей в станкостроении применяют различные барабанные переключатели (контроллеры). В станкостроении широко применяют пакетно-кулачковые выключатели и переключатели, в которых контакты замыкаются при повороте валика с кулач- ками. Такие переключатели изготовляют на токи от 10 до 160 А с различным чис- лом секций и углов поворота рукоятки. Путем надлежащего подбора шайб с ку- лачками осуществляют нужные комбинации замыкания контактов. Их применяют для переключений в схемах при переходе с одного режима работы на другой, для переключения полюсов асинхронных двигателей и других целей. Схемы кулачко- вых переключателей снабжают таблицами переключений, в которых указывают, какие контакты замкнуты для каждого положения аппарата. Командоконтроллеры служат для ручного дистанционного управления меха- низмами (кранов и др.). На рис. 8.1, а приведено устройство контактной части ку- лачкового командоконтроллера. При повороте рукоятки поворачивается квадрат- ный вал 1, на котором закреплена кулачковая шайба 2. Под действием пружины 3 подвижный рычаг 4 стремится занять положение, при котором контактный мос- тик 5 замыкает неподвижные контакты 6. При повороте вала 1 против часовой стрелки выступающая часть кулачка нажмет на ролик 7 и отведет рычаг 4 вправо. Правый контакт разомкнется и будет занимать положение, показанное на схеме слева. На рис. 8.1, б показана развертка схемы командоконтроллера. Зачерненные точки на штриховых линиях показывают, что находящиеся непосредственно над ними контакты в данном положении ручки замкнуты. Так, в положении 0 замкнут контакт IV и включена лампочка EL. В положении 1 «Вперед» замкнуты контак- ты I, II и включены катушки КМ1, КМ2. В положении 2 «Вперед» замкнут кон- такт II и включена катушка КМ2. 72 а б Рис. 8.1. Кулачковый командоконтроллер В цепях электрического освещения станков и других потребителей малой мощности применяются малогабаритные одно- или двух-полюсные переключате- ли – тумблеры. Специальный механизм (с помощью пружины) быстро переклю- чает контакты независимо от скорости поворота рычажка переключателя. Этим обеспечивается мгновенный разрыв электрической дуги между контактами. В схемах электропривода широко используются пускорегулирующие рео- статы, добавочные резисторы, RC цепочки и т.п. Резисторы и реостаты характеризуются величиной сопротивления (Ом) и рассеиваемой мощностью (Вт). Для их изготовления используют сплавы, обла- дающие высоким удельным электрическим сопротивлением, – фехраль, констан- тан и др. Релейно-контакторная аппаратура. Основными ее элементами являются контакторы, магнитные пускатели и электромагнитные реле. Контактор представляет собой электромагнитный аппарат дистанционного действия, предназначенный для оперативных переключений силовых цепей (дви- гателей, электротехнических установок и др.). Контакторы различаются по следующим показателям: − роду тока: постоянный и переменный; − числу главных полюсов: одно-, двух-, трех- и пяти-полюсные; − номинальному току: от 4 до 2500 А; − номинальному напряжению главной цепи: 220, 440, 600 В постоянного тока и на 380, 660 В переменного тока; − номинальному напряжению катушек: 24…220 В постоянного тока и 24…660 В переменного напряжения; − конструкции электромагнита: с прямоходным якорем и с якорем клапанного типа; 73 − способу гашения дуги: с дугогасительной катушкой, с дугогасительной камерой и т.п. Основными элементами контактора (рис. 8.2) являются: втягивающий элек- тромагнит (катушка 1, железный сердечник 2, подвижный якорь 3), главные кон- такты 4, блок-контакты 7, 8, возвратная пружина 5. При нажатии на пусковую кнопку SB1 включается катушка 1, которая притягивает якорь 3. При этом пере- ключаются контакты: главные контакты 4 замыкаются, присоединяя двигатель М к сети; блок-контакты 8 (замыкающие) замыкаются, а блок-контакты 7 (размыкаю- щие) размыкаются. Для остановки двигателя нажимают кнопку SB2. Катушка контактора обесточивается, якорь под действием пружины 5 и собственного веса отпадает, главные контакты 4 размыкаются, двигатель отключается от сети. Более надежно работают контакторы с катушками постоянного тока, у кото- рых отсутствуют гудение, вибрация, а пусковые броски тока минимальны. Поэто- му в электроприводе ответственных механизмов (например, в металлургии и др.) используют в основном контакторы с катушками постоянного тока, получающи- ми питание от специального выпрямителя небольшой мощности. Время включе- ния контакторов 0,05…0,5 с, а время отключения 0,03…0,05 с. Магнитные пускатели применяют для дистанционного и автоматического управления (пуск, останов, реверс) трехфазными асинхронными двигателями. Их основные элементы – контактор и тепловые реле. Реверсивные магнитные пуска- тели имеют два контактора в одном корпусе и два тепловых реле (для защиты двигателя от перегрузок по току). Рис. 8.2. Схема контактора Реле осуществляют скачкообразное переключение цепей управления под воздействием различных сигналов (электрических, механических, тепловых и 74 др.). По принципу действия реле делятся на электромагнитные, индукционные, электронные, тепловые и др. Ре-ле могут быть контактными, бесконтактными и реагировать на изменение различных величин (электрических и неэлектрических). В соответствии с этим различают реле тока, напряжения, скорости, времени, тем- пературы, давления и др. Значение параметра (тока, времени и т.п.), при котором реле срабатывает, называется уставкой реле. Одной из основных характеристик реле является коэффициент возврата Кв, равный отношению значений входной величины при отпускании якоря и срабатывании реле (Кв = 0,4…0,95). Наибольшее применение в схемах релейно-контакторного управ-ления нахо- дят электромагнитные реле напряжения и тока. Основными элементами таких реле являются катушка постоянного или переменного тока, железный сердечник, якорь и контактная система. При увеличении входной величины (например, тока) до величины уставки реле оно срабатывает (включается) и переключает контакты. При уменьшении тока катушки до величины тока отпускания якоря реле отклю- чается и его контакты под воздействием возвратной пружины вновь переключа- ются в исходное положение. Многоконтактные электромагнитные реле, используемые для размножения поступающих на их входы сигналов, а иногда – для их усиления, называются промежуточными реле. Серийно выпускаемые универсальные промежуточные реле имеют до десяти пар контактов, на номинальный ток 0,4…10 А. Катушки их рассчитаны на номинальные напряжения 24…660 В. Все более широкое применение находят герконовые реле с электромагнит- ной памятью (рис. 8.3). Геркон 1 помещен в магнитное поле магнитотвердого феррита 4 с наконечниками 2. Импульс тока в катушке 3 приводит к срабатыва- нию реле – контакты 1 замыкаются, оставаясь замкнутыми и после окончания им- пульса тока за счет намагничивания ферритового сердечника. Для отпускания ре- ле необходимо подать импульс тока обратного направления. Число контактов 1 : 10; потребляемая мощность катушки 0,1…2 Вт. Достоинства герконов: высокое быстродействие, износоустойчивость (до 109 срабатываний), малые габариты, не- высокая стоимость. Рис. 8.3. Схема устройства геркона 75 В электроприводе используются и реле времени для отсчета требуемых вре- менных задержек (выдержек). Наибольшее применение находят электромагнит- ные реле времени постоянного тока. Выдержка времени обеспечивается благода- ря замедлению отпадания якоря реле после отключения его катушки. Для замед- ления отпадания якоря на магнитопровод 2 (рис. 8.4, а) насаживается массивная металлическая гильза 3. После отключения катушки 1 реле действующий в сер- дечнике магнитный поток Фн спадает по кривой 1 (рис. 8.4, б) и наводит в гильзе ЭДС. Появляется ток в гильзе, который создает дополнительный магнитный по- ток в сердечнике (кривая 3), препятствующий исчезновению основного магнитно- го потока, т.е. результирующий магнитный поток в сердечнике спадает более за- медленно (кривая 3), а выдержка времени при наличии гильзы увеличивается до tв, так как отпадание якоря 6 (после отключения катушки реле) происходит при снижении ее магнитного потока до величины Фот, при которой электромагнитная сила притяжения якоря станет меньше отрывающего усилия пружины 4. Для грубого регулирования выдержки времени между якорем и сердечником крепят тонкую (0,1…0,5 мм) немагнитную прокладку, с помощью которой изме- няется индуктивность магнитной цепи реле, а следовательно, и выдержка времени (она уменьшается). Более тонкое регулирование выдержки времени осуществля- ется винтом 5, действующим на натяжение пружины 4 (при уменьшении натяже- ния пружины выдержка времени увеличивается, так как уменьшается величина Фот). Двигательные реле времени приводятся в движение маломощным синхрон- ным двигателем. Вал двигателя соединен через редуктор с главным валиком, на 76 котором укреплены упоры, воздействующие на контактную систему. Выдержку времени контакта можно изменить путем перестановки упора. Число контактов достигает 12; выдержка времени – от долей секунды до нескольких часов. Лекция 9. ОСНОВНЫЕ СХЕМЫ РЕЛЕЙНО-КОНТАКТОРНОГО УПРАВЛЕНИЯ Наиболее часто используются принципиальные электрические схемы, на ко- торых в виде условных графических обозначений, установленных в стандартах ЕСКД, изображают все электрические аппараты и устройства со всеми электриче- скими связями между ними, а также электрические элементы (разъемы, зажимы и т.д.). Основные правила выполнения схем: − схемы выполняются без масштабов; графические элементы аппаратов располагают на схеме там, где это наглядно для понимания работы схемы (ис- пользуется принцип наибольшей наглядности). Если различные элементы одного аппарата на чертеже оказываются в разных частях схемы, они снабжаются одина- ковыми буквенными или буквенно-цифровыми обозначениями; − схемы изображают в отключенном положении аппаратов, когда ка- тушки не обтекаются током, а кнопки и пружины отпущены. В соответствии с этим все контакты в схеме делятся на замыкающие (при обесточенной катушке разомкнуты) и размыкающие (при обесточенной катушке замкнуты). Силовые цепи на схеме вычерчивают жирными линиями, а цепи управления – более тон- кими; − каждому устройству и элементу на схемах присваивается буквенно- цифровое обозначение, составленное из буквенного обозначения и порядкового номера, проставленного после буквенного обозначения, одинаковой с ним высо- ты. Приведем рекомендуемые одно- и двухбуквенные обозначения (первая буква означает тип элемента, вторая – его функциональное назначение): А – усилители; В – преобразователи неэлектрических величин в электриче- ские (датчики; например, ВR – тахогенератор); С – конденсаторы; D – интеграль- ные схемы; F – разрядники, предохранители, защитные устройства (FА – дис- кретные элементы защиты по току; FU – плавкие предохранители); G – генерато- ры, источники питания; К – реле, контакторы, пускатели (КА – токовое реле, КК – электротепловое реле, КТ – реле времени, КU – реле напряжения, КМ – контак- тор, магнитный пускатель); М – двигатель; Q – выключатель в силовых цепях (QF – автоматический выключатель, QS – рубильник); S – коммутационные устройст- ва для слаботочных цепей (SА – выключатель или переключатель, SВ – выключа- 77 тель кнопочный, SQ – выключатель путевой, SМ – командоконтроллер); Т – трансформаторы (ТА – трансформатор тока, ТU – трансформатор напряжения); U – преобразователи одних электрических величин в другие электрические величи- ны (UZ – преобразователь частоты, выпрямитель, инвертор); V – приборы полу- проводниковые (VD – диод, VТ – транзистор, VS – тиристор); Y – устройства меха- нические (YА – электромагнит, YВ – тормоз, YС – электромагнитная муфта). Но часто обозначение элементов электрических аппаратов составляют также и из начальных букв названия и назначения аппарата, например: РТ – реле тепло- вое, РП – реле промежуточное, П или КнП – кнопка «Пуск», С или КнС – кнопка «Стоп». На рис. 9.1, а приведена простейшая схема управления пуском асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором. Для пуска включают рубильник QS и на- жимают на кнопку SВ1. Контактор КМ1 при этом включается (так как через размы- кающий контакт кнопки SВ2 и кнопку SВ1 образуется замкнутая цепь для катушки контактора КМ1) и своими главными контактами (с дугогашением) КМ1 подклю- чает статор двигателя к сети. Замыкающий блок-контакт контактора КМ1 шунти- рует кнопку SВ1 (это позволяет отпустить кноп-ку SВ1, не отключая катушки контактора КМ1). Блок-контакт КМ1 называют контактом самопитания или кон- тактом самоблокировки. Отключение электродвигателя от сети осуществляется нажатием кнопки SВ2 (по катушке КМ1 протекание тока прерывается, контактор отключится, разомкнув три силовых контакта КМ1 в цепи двигателя М), после чего схема приходит в исходное состояние. Данная схема обеспечивает так называемую нулевую защиту – защиту от самопроизвольного повторного включения асинхронного двигателя при восста- новлении напряжения сети после аварийного понижения его до нуля или до недо- пустимо низких значений. При перебое в электроснабжении контактор КМ1 отпа- дает, размыкая все свои контакты, включая и блок-контакты, а при появлении на- пряжения в сети контактор КМ1 не включится сам, пока не будет нажата кнопка SВ1. То же самое будет происходить, если напряжение сети уменьшится до 50…60 % номинального при переменном токе и до 15…20 % при постоянном то- ке. Если электродвигатель включают рубильником, пакетным выключателем и контроллером, то при перебое в электроснабжении и остановке механизма схема электропривода не нарушается, а восстановление напряжения в сети вызывает са- мопроизвольное включение двигателя. Такой внезапный пуск двигателя и меха- низма может стать причиной аварии или несчастного случая. Замена кнопки SВ1 аппаратом ручного управления без самовозврата, напри- мер тумблером, также приводит к тому, что схема теряет свойство нулевой защи- ты. На рис. 9.1, б показана схема управления пуском асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором с реверсивным магнитным пускателем. Для подачи командных импульсов имеются три кнопки SВ1, SВ2, SВ3. При нажатии кнопки 78 SВ1 включается контактор КМ1, который своими силовыми контактами КМ1 подключает статор двигателя к сети. Одновременно он своим замыкающим блок- контактом шунтирует кнопку SВ1, а размыкающим блок-контактом разрывает цепь катушки контактора КМ2, чтобы исключить возможность короткого замы- кания в силовой цепи двигателя через главные контакты контакторов КМ1 и КМ2 при одновременном нажатии обеих кнопок (SВ1 и SB2). При нажатии кнопки SВ2 включается контактор КМ2. Две фазы статора при этом меняются местами, и дви- гатель изменит направление вращения. В данной схеме для реверса электродвига- теля необходимо предварительно нажать на кнопку SВ3 («Стоп»), а затем уже на кнопку SВ2. Рис. 9.1. Схемы пуска асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором В электроустановках с целью исключения аварий и повышения надежности работы при возможных нарушениях нормального режима могут применяться раз- личные виды защит, блокировки и сигнализация. В релейно-контакторных схемах управления применяются (кроме нулевой) также максимально-токовая, тепловая и другие виды защит. Нулевая защита обеспечивает защиту от самозапуска двига- теля при кратковременном исчезновении напряжения сети. При управлении от кнопок нулевую защиту осуществляет сам контактор, а при управлении от коман- доконтроллера – реле защиты по напряжению. Максимально-токовая и тепловая защиты обеспечивают защиту электрооборудования от коротких замыканий и пе- регрузок. В схеме на рис. 9.1, а защита двигателя М осуществляется тепловыми реле КК1, КК2, включенными в две фазы статора, а также плавкими предохранителями FU1. Размыкающие контакты защитных реле КК1, КК2 включены в цепь катушки контактора КМ1. Защита схемы управления двигателем осуществляется плавкими предохранителями FU2. При перегрузке или коротком замыкании срабатывает ре- ле защиты КК1 или КК2. Контакт защитного реле размыкается и отключает ка- 79 тушку контактора КМ1, который своими главными контактами КМ1 отключит двигатель М от сети. Реверсивные магнитные пускатели, содержащие по два контактора в общем корпусе, обычно снабжаются механической блокировкой. В этом случае посредст- вом коромысла или кулачков не допускается включение одного контактора, когда другой уже включен или пока он полностью не отключится. Часто необходимо, чтобы электропривод работал, лишь пока нажата кнопка «Пуск». Такое управление требуется при установочных перемещениях (при на- ладке), когда при кратковременном нажатии на кнопку должно произойти не- большое перемещение (толчок) узла станка. В данном случае не нужны контакты самопитания для кнопки «Пуск» и сама кнопка «Стоп» (рис. 9.2, а). Нередко воз- никает необходимость управления одним и тем же электроприводом в обоих ре- жимах: установочном и длительном (рис. 9.2, б). Для длительного режима работы электродвигателя нужно кратковременно нажать на кнопку П, что вызовет вклю- чение промежуточного режима РП. Один замыкающий контакт этого реле шунти- рует кнопку П и дает возможность снять ее нажатие, не вызывая отключения ре- ле; другой – включает катушку контактора 1К. Для осуществления установочных перемещений необходимо нажимать кнопку У. Рис. 9.2. Схемы пуска АД с короткозамкнутым ротором Блокировки. Блокировкой называется часть электротехнического устрой- ства, предназначенная для предотвращения или ограничения выполнения опера- ций одними частями устройства при определенных положениях других частей в целях предупреждения недопустимых состояний устройства или исключения дос- тупа к его частям, находящимся под напряжением. Блокировки по исполнению мо- гут быть механическими и электрическими. Электрические блокировки в электрических схемах обеспечивают правиль- ный порядок работы схемы, исключают холостые и аварийные включения аппа- ратов, предупреждают несчастные случаи, возможные завалы перегрузочных пунктов, поломки машин и др. По назначению блокировки разделяют на техноло- гические и защитные. Технологические блокировки используются для осуществ- ления заданной последовательности работы схемы. Защитные блокировки пре- дотвращают ошибочные переключения в схеме и защищают электрооборудова- ние, механизмы, а иногда и оператора от последствий неправильных действий. К 80 защитным относятся блокировки реверсивных пускателей, предупреждающие их одновременное включение (см. рис. 9.2, б). Путевые блокировки ограничивают движение механизмов и защищают их от поломки. Пуск асинхронных электродвигателей с фазным ротором средней и боль- шой мощности производится в большинстве случаев с помощью реостата, вклю- ченного в цепь ротора (рис. 9.3), в автоматическом режиме. Пуск двигателей по- стоянного тока и асинхронных с фазным ротором обычно осуществляют в соот- ветствии с заданной пусковой диаграммой, при этом закорачивание ступеней реостата происходит либо при достижении двигателем определенной скорости, либо при определенной силе тока, частоте или через заданные промежутки вре- мени. На рис. 9.3, а изображена пусковая диаграмма двигателя с тремя ступенями пускового реостата, из которой видно, что закорачивание ступеней реостата про- изводится через время t1 (первая ступень), через время t2 (вторая ступень) и т.д. Ток двигателя при пуске изменяется в пределах от I1 до I2. Рис. 9.3. Пусковая диаграмма (а) и схема пуска асинхронного двигателя с фазным ротором в функции тока (б) Автоматическое управление в функции тока. Величина тока во время пуска двигателя колеблется в заданных пределах (см. рис. 9.3, а) I1 – I2, где I1 – наиболь- ший пусковой ток в момент включения электродвигателя. По мере разгона двига- теля его ток снижается до величины I2, при которой часть пускового реостата шунтируется, что приводит к новому увеличению тока до значения I1 и т.д. Рас- сматриваемый метод управления основан на применении токовых реле с катуш- ками, включаемыми в силовую цепь двигателя непосредственно или через транс- форматор тока. Схема пуска асинхронного электродвигателя с фазным ротором в функ- ции тока показана на рис. 9.3. После включения линейного контактора КМ1 дви- гатель запускается при полностью введенном в ротор реостате. Под действием 81 пускового броска токовое реле КА включается и размыкает свой контакт. Катушка КМ1 при этом получает питание через блок-контакт КМ1 и резистор R. Замыкание блок-контакта КМ1 в цепи ускоряющего контактора КМ2 не вызывает включения последнего из-за значительной величины сопротивления резистора R. Только после уменьшения тока двигателя до величины I1 реле КА, отрегули- рованное на соответствующую силу тока, отпустит свой якорь и замкнет размы- кающий контакт КА. При этом контактор КМ2 своими силовыми контактами за- шунтирует первую секцию пускового реостата. Соответствующий этому бросок тока снова вызовет включение реле КА, которое своим блок-контактом препятст- вует мгновенному включению второго ускоряющего контактора КМ3. Контактор же КМ2 остается включенным через блок-контакт КМ1 и резистор R, так как его ток при этом достаточен для удержания якоря в притянутом положении. Анало- гично происходит шунтирование остальных ступеней реостата. Достоинством данного способа пуска является автоматическое изменение выдержки времени при изменении нагрузки. Автоматическое управление в функции времени. Наряду с автоматизаци- ей технологических процессов реле времени применяют и для автоматизации процессов пуска и торможения электроприводов. Широкое распространение получили пневматические реле времени, обеспе- чивающие выдержку времени от 0,4 до 180 с. В схемах постоянного тока широко используются электромагнитные реле времени (рис. 9.6, 9.7). Электромагнитные реле времени обеспечивают выдержки времени от 0,3 до 16 секунд (в зависимо- сти от исполнения). В машиностроении используются и моторные (двигательные) реле времени на основе синхронного двигателя, электромагнита и фрикционной муфты. В различных исполнениях реле обеспечивает уставки от 2 с до 24 ч. Когда от реле времени требуется большое количество срабатываний в час, применяют разнообразные электронные и полупроводниковые реле, обеспечи- вающие самые различные выдержки. Схема автоматического пуска асинхронного двигателя с использованием реле времени электромагнитного типа показана на рис. 9.4. Нажатием кнопки SВ1 подается питание на катушку контактора КМ1, который, включившись, своими главными контактами подключает электродвигатель М к сети при полностью вве- денном в цепь ротора реостате. Размыкающий блок-контакт КМ1 отключает реле времени КТ1, которое с выдержкой времени включает первый ускоряющий кон- тактор КМ2. Включившись, он шунтирует первую ступень пускового реостата. Аналогично шунтируются вторая и третья ступени пускового реостата, после чего двигатель выходит на естественную характеристику и пуск на этом заканчивается. Схема автоматического управления асинхронным двигателем с фазным ротором с динамическим торможением в функции времени представлена на рис. 9.5. Перед пуском двигателя универсальный переключатель SА должен сто- 82 ять в положении С («Стоп»), в котором замкнуты контакты 2–4, а контакты 1–3 разомкнуты. В этом положении переключателя катушки контакторов КМ1 – КМ4 отключены, двигатель неподвижен. При замыкании рубильника в схеме QS1 практически ничего не изменяется. При замыкании рубильника QS2, хотя двига- тель остается неподвижным, через размыкающие контакты КМ1 и КМ2 включат- ся катушки реле времени КТ1 и КТ2. Размыкающие контакты реле КТ1, КТ2 ра- зомкнутся в цепях контакторов КМ2 и КМ3, а контакт КТ2 в цепи реле напряже- ния КU замкнется. Через контакты 2–4 универсального переключателя и контакт КТ2 включается реле КU и замыкает свой контакт. Таким образом, схема готова к работе, двигатель неподвижен. Рис. 9.4. Схема пуска АД с фазным ротором в функции времени Рис. 9.5. Схема управления АД с фазным ротором с динамическим торможением в функции времени 83 ля пуска двигателя переводим ручку SА в положение П («Пуск»). При этом замкн а схемы пуска АД происходит следующим образом. Размыкающий конта ия. Для остан истечении выдержки времени контакты реле времени КТ3 отключат кон- такто дохранителями FU1, защи Д утся контакты 1–3 (контакты 2–4 разомкнутся). В катушку контактора КМ1 будет подан ток по цепи: «плюс» источника постоянного тока, плавкий предохра- нитель FU1, контакт KV, контакты 1–3 переключателя SА, размыкающий контакт КМ4, катушка контактора КМ1, «минус» источника тока. Контакты контактора КМ1 подключат двигатель к сети, и он пойдет в ход при полностью включенном в цепь ротора пусковом реостате R1, R2. Разгон двигателя осуществляется автома- тически в функции времени с использованием электромагнитных реле времени КТ1, КТ2. Работ кт включившегося контактора КМ1 размыкает цепь катушки реле времени КТ1. Реле отключается и с выдержкой времени замыкает свой размыкающий кон- такт КТ1 в цепи контактора КМ2. Контактор включается и своими главными кон- тактами КМ2 шунтирует первую ступень реостата R1. Двигатель разгоняется по новой реостатной характеристике. Размыкающий блок-контакт КМ2 размыкает цепь катушки реле КТ2. Последнее отключается и с выдержкой времени замыкает свой размыкающий контакт КТ2 в цепи контактора КМ3. Контактор КМ3 своими главными контактами выводит оставшуюся ступень пускового реостата. При этом двигатель выходит на естественную характеристику и пуск заканчивается. Остановка двигателя происходит в режиме динамического торможен овки двигателя универсальный переключатель SА переводят в положение С («Стоп»). При этом его контакты 1–3 размыкаются и отключают контакторы КМ1 – КМ3. Контактами КМ1 двигатель отключается от сети переменного тока, а в це- пи ротора вводится весь пусковой реостат, поскольку контакты КМ2, КМ3 ра- зомкнутся. Одновременно с перечисленными выше переключениями разомкнется контакт КМ1 в цепи реле времени КТ3 и замкнется контакт КМ1 в цепи контакто- ра КМ4. Хотя катушка КТ3 обесточивается, контакт реле КТ3 в течение времени выдержки останется замкнутым. Через контакты КМ1 и КТ3 в катушку контакто- ра КМ4 будет проходить ток. Замкнувшиеся контакты КМ4 через дополнитель- ный резистор Rд.т подадут постоянный ток в две фазы статора асинхронного дви- гателя. Двигатель остановится в режиме интенсивного динамического торможе- ния. По р КМ4 и последний своими контактами отключит источник постоянного то- ка от статора двигателя. На этом торможение заканчивается. Защита схемы управления осуществляется плавкими пре та двигателя от перегрузок и коротких замыканий – максимальным двухка- тушечным реле КА1, защита цепи постоянного тока в режиме динамического торможения – максимальным реле КА2. Максимальная защита работает следую- щим образом: при перегрузке или коротком замыкании срабатывает (включается) максимальное реле и размыкает свой контакт КА1 (или КА2) в цепи реле напря- 84 хема автоматизации пуска двигателя постоянного тока с параллель- ным ь Я электро- двига - вится на само жения КU. Реле КU отключается, своим замыкающим контактом КU размыкает цепь контактора КМ1, и двигатель отключается от сети. С возбуждением посредствам электромагнитных реле времени 1РУ и 2РУ, называемых в таких схемах реле ускорения, приведена на рис. 9.6. При включении схемы ток проходит через обмотку 1РУ, якор теля и две ступени пускового реостата R1 и R2. Реле 1РУ при этом включа ется и его размыкающий контакт открывается. Вследствие большого сопротивле- ния катушки 1РУ ток в цепи включения реле мал и никакого действия на электро- двигатель не оказывает. В обмотку реле 2РУ, включенную параллельно ступени R1 пускового реостата, ответвляется очень небольшой ток, от которого реле срабо- тать не может. По обмотке возбуждения электродвигателя ток протекает. При нажатии кнопки П включается линейный контактор КЛ и стано питание. Рабочий контакт КЛ замыкает цепь якоря электродвигателя, по ко- торой проходит пусковой ток, ограниченный двумя ступенями реостата. Часть пускового тока ответвляется в катушку реле 2РУ, которое теперь включается и мгновенно открывается его контакт в цепи катушки 2У. Одновременно с включе- нием цепи якоря рабочий контакт КЛ линейного контактора замыкает накоротко катушку реле времени 1РУ. Ток в катушке 1РУ убывает и через некоторое время реле отпадает, закрывая свой размыкающий контакт 1РУ в цепи катушки 1У. При этом включается контактор 1У, главный контакт которого замыкает накоротко ступень R1 пускового реостата и одновременно – катушку реле времени 2РУ. Ре- ле это отпадает с выдержкой времени и размыкающим контактом 2РУ включает контактор 2У, а главный контакт последнего замыкает накоротко вторую ступень R2 пускового реостата. Рис. 9.6. Автоматизация пуска двигателя постоянного тока 85 Параллельно обмотке возбуждения ОВ включен разрядный резистор СР (его сопро уска двигателя постоянного тока тивление в 4–5 раз больше сопротивления обмотки возбуждения), замед- ляющий уменьшение потока и предохраняющий изоляцию обмотки от поврежде- ния в случае аварийного обрыва цепи возбуждения. На рис. 9.7 представлена схема резисторного п с последовательным возбуждением с использованием электромагнитных реле времени и командоконтроллера. Такие схемы в реверсивном исполнении ис- пользуются на транспортных установках. Пуск осуществляется в три ступени. Ко- мандоконтроллер SМ имеет четыре положения (0, 1, 2, 3). В нулевом положении командоконтроллера SМ замкнуты его контакты 0–0, включено реле KU и замкнут его контакт KU, подающий питание на нижнюю часть схемы управления. Двига- тель отключен от сети. В положении 1 командоконтроллера замкнут его контакт I–I, включается контактор КМ1, который подключает двигатель к сети при полном сопротивлении в цепи якоря. Рис. 9.7. Схема пуска двигателя постоянного тока азгон двигателя осуществляется автоматически с помощью реле времени КТ1… Р КТ3. Ручка командоконтроллера устанавливается в крайнее (3) положение, при котором замыкаются все его контакты I–I; II–II; III–III. Размыкающий блок- контакт включившегося ранее контактора КМ1 отключает реле времени КТ1, ко- торое с заданной выдержкой времени замкнет свой контакт в цепи ускоряющего контактора КМ2. Последний, включившись, шунтирует секцию R1 пускового реостата; при этом отключается реле времени КТ2. Последнее с выдержкой вре- мени включит контактор КМ3, который зашунтирует вторую секцию пускового реостата R2. Третья секция пускового реостата будет зашунтирована аналогично. 86 ние в функции скорости. Простейшим команд- ным Реле напряжения KU осуществляет нулевую блокировку командоконтроллера. Включение двигателя и его разгон можно осуществлять только из нулевого поло- жения командоконтроллера. Защита двигателя от перегрузки осуществляется мак- симальным токовым реле KA, размыкающий контакт которого включен в цепь катушки реле напряжения KU. Автоматическое управле аппаратом в системах автоматического управления в функции скорости яв- ляется индукционное реле контроля скорости (рис. 9.8). Валик 1 реле связывают с валом электродвигателя, скорость которого необходимо контролировать. На этом валике закреплен цилиндрический постоянный магнит 2. На том же валике 1 на отдельных подшипниках установлено кольцо 3 из листовой стали. На внутренней поверхности кольца уложена обмотка 4, аналогичная обмотке ротора коротко- замкнутого асинхронного двигателя. Рис. 9.8. Схема реле контроля скорости При вращении магнита 2 в стержнях обмотки 4 наводятся ЭДС и появляется ток, Наиболее широкое применение в машиностроении реле контроля скорости получ в результате чего кольцо 3 поворачивается в сторону вращения магнита так же, как ротор асинхронного двигателя начинает вращаться вслед за полем. При повороте кольца 3 толкатель 5 в зависимости от направления вращения вала элек- тродвигателя воздействует на контактную систему 6 или 7. Во время остановки и приближения его частоты вращения к нулю толкатель 5 перестает нажимать на контактные пружины 8 и 9, и контактная система приходит в нормальное положе- ние. ило в схемах торможения противовключением асинхронных двигателей. Од- на из таких схем представлена на рис. 9.9. При нажатии на кнопку П срабатывает рабочий контактор КР, который своими главными контактами включает электро- двигатель. При этом открывается размыкающий блок-контакт КР и закрывается замыкающий блок-контакт в цепи катушки промежуточного реле РП. Когда элек- тродвигатель разгонится до некоторой небольшой частоты вращения, замыкаю- щий контакт реле контроля скорости РКС закрывается и включает реле РП. Это 87 гда нажимают кнопку С, контактор КР отпадает и своими главными кон- такта е для торможения и реверсивного элект реле замыкает контакт, включенный параллельно замыкающему блок-контакту КР. Через катушку КТ ток при этом не протекает, так как цепь ее разорвана замы- кающим контактом КР. В таком состоянии схема находится во время работы станка. Ко ми отключает двигатель от сети. Размыкающий блок-контакт КР при этом закрывается, через замкнутые контуры РКС и РП включается тормозной контактор ТК. Его главные контакты включают электродвигатель на реверс, магнитное поле начинает вращаться в обратную сторону и происходит торможение электродвига- теля противовключением. При снижении частоты вращения до определенной ма- лой величины контакт РКС размыкается, реле РП и контактор КТ отпадают и элек- тродвигатель отключается от сети. Если вал неподвижного электродвигателя по- вернуть от руки (например, дернув за ремень), то замыкающий контакт РКС включится. Однако двигатель при этом вращаться не начнет, так как замыкающие контакты РП и КР открыты. Наличие промежуточного реле РП предотвращает воз- можность такого аварийного пуска двигателя. Реле контроля скорости пригодно такж родвигателя. В этом случае контактор, включающий двигатель вперед, ис- пользуют как тормозной при вращении двигателя в обратную сторону, и наобо- рот. Рис. 9.9. Схема торможения противовключением нереверсивного двигателя Лекция 10. АППАРАТУРА СХЕМЫ ЗАЩИТЫ сновными видами защиты электродвигателей и сети от ненормального по значе Эта защита предназначена для от- ключ И ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ О нию и длительности повышения тока являются максимальная токовая, теп- ловая, минимальная по напряжению и нулевая. Максимальная токовая защита (МТЗ). ения участка сети, в котором произошло короткое замыкание (к.з.). Про- стейшим аппаратом МТЗ является плавкий предохранитель. В электроустановках 88 до 1000 В применяют предохранители ПР, состоящие из фибровой трубки, на обоих концах которой запрессованы латунные обоймы с латунными колпачками, навинчиваемыми на обоймы. Плавкая вставка представляет собой цинковую пла- стинку, имеющую несколько сужений для более быстрого перегорания. Пластин- ка привернута винтами к медным ножам, которыми предохранитель вставляется в пружинные губки на панели. Возникающая при перегорании плавкой вставки дуга вызывает газогенерацию газов из стенок фибровой трубки. Давление резко возрастает и происходит интенсивное гашение дуги. Время плавления плавкой вставки зависит от кратности тока (по отношению к номинальному), проходяще- го по вставке. Ниже приведена эта зависимость: Кратность тока ……….1,25 1,6 1,8 2,0 2,5 3,0 4,5 Время плавления (с) .. - 360 120 40 8 4,5 2,5 А при на- пряж м плавких предохранителей являются надежная защита сети от токов тока и асинхронных с фазным ротором, пуска ты электродвигателя от недопустимого перегрева при гулированное тепловое реле срабатывает при перег Предохранители изготавливают на 15, 60, 100, 200, 450, 600, 1000 ении 500 В. Достоинство к.з., простота и низкая стоимость. Для электродвигателей постоянного емых посредством реостата, плавкую вставку выбирают по номинальному току электродвигателя. Для короткозамкнутых асинхронных двигателей плавкую вставку выбирают на силу тока, в 2–2,5 раза меньшую пускового. Пуск электро- двигателей происходит кратковременно, поэтому плавкая вставка при пуске не успевает перегореть. Однако предохранитель с плавкой вставкой, выбранной та- ким образом, не защищает электродвигатель при длительных перегрузках (сравни- тельно небольших по величине). Тепловая защита. Для защи длительных небольших перегрузках применяют тепловые реле (рис. 10.1). Ток защищаемого электродвигателя проходит через нагревательный элемент 1. Вблизи него расположена пластинка, состоящая из двух наложенных одна на дру- гую и сваренных между собой полос 2 из металлов с различными коэффициента- ми теплового расширения. При нагревании пластинка изгибается вправо, воздей- ствует на рычаг 4, который под действием пружины 5 повернется против часовой стрелки и разомкнет контакт 6. Этот контакт, включенный в цепь управления электродвигателя, отключит электродвигатель от сети. После остывания биметал- лической пластинки нажатием кнопки возврата 3 рычаг 4 возвращается в исходное состояние и контакт 6 замыкается. Правильно выбранное и отре рузках электродвигателя по току на 20 % за время 20 мин и не срабатывает при пуске двигателя или значительных, но кратковременных перегрузках (из-за тепловой инерции реле). При больших токах тепловое реле отключает электро- 89 двигатель значительно позже, чем плавкий предохранитель. Поэтому для надеж- ной защиты электродвигателя в схеме последовательно с тепловым реле устанав- ливают и плавкие предохранители или максимальное реле. Для защиты электродвигателя от перегрузки обычно применяют два тепло- вых ьных аппаратов или пристроен- ными (и чрезмерных перегрузок по току) кро- ме п реле. При установке одного реле двигатель оказался бы незащищенным от двухфазной работы. При перегорании предохранителя, включенного последова- тельно с нагревательным элементом теплового реле, двигатель продолжал бы ра- ботать с резко возросшим током. Размыкающие контакты обоих тепловых реле включают последовательно с катушкой контактора, поэтому срабатывание любо- го реле вызывает отключение электродвигателя. Тепловые реле изготавливают в виде отдел к контакторам магнитных пускателей, причем у многих тепловых реле два нагревательных элемента через биметаллические пластинки и рычажную систему воздействуют на один и тот же контакт. Для защиты от коротких замыканий лавких предохранителей применяют максимальные реле постоянного или переменного тока. Схема устройства электромагнитного максимального реле пе- 90 ижную систему реле в исход спечивает более надежную и быстродействую- щую ию. Эта защита отключает двигатели при с та отключает электрические установки при пол- ном тели. Широкое распространение в машино- строе ю ючатель может быть снабжен тремя электромагнит- ными ременного тока типа ЭТ-520 показана на рис. 10.2. Кода через катушки 2 проте- кает ток, в магнитопроводе 3 появляется магнитный поток. Стальной якорь 1, ук- репленный на оси 5, поворачивается, преодолевая противодействие пружины 8. При достаточном увеличении тока в катушках якорь повернется на такой угол, что контакты 9 будут разомкнуты серебряным мостиком 4. Уменьшение тока позволит пружине 8 повернуть подв ное положение. Изменение тока срабатывания, называемого уставкой реле, производят поворотом указателя 7 на шкале 6, изменяя смещением поводка 10 степень закручивания пружины 8. Шкала 6 указывает токи срабатывания реле при последовательном соединении катушек. При параллельном соединении катушек токи срабатывания удваиваются. Максимальное реле тока обе защиту, чем плавкие предохранители. Минимальная защита по напряжен нижении напряжения сети до 60—70 % номинального, так как при номи- нальном статическом моменте и пониженном напряжении по двигателю прохо- дит ток, превышающий номинальный. Минимальная защита осуществляется с помощью минимальных реле по напряжению, включаемых на линейное напря- жение сети (при U < 1000 В - непосредственно, при U > 1000 В — через транс- форматоры напряжения) и отрегулированных на отключение при U < (0,6-0,7) UH0M. Минимальное реле по напряжению при отключении воздействует на меха- низм свободного расцепления автоматического выключателя, который отклю- чает питающую сеть двигателя. Нулевая защита. Эта защи исчезновении напряжения, так как при кратковременном перерыве в подаче электроэнергии возможны несчастные случаи, связанные с внезапным включени- ем двигателей. Нулевая защита осуществляется аналогично минимальной по на- пряжению, только нулевое реле по напряжению настраивается на отключение при U < (0,2+ 0,3) UHOM. Нулевая защита отдельных электроприемников, напри- мер электродвигателей, включаемых с помощью контакторов, осуществляется ка- тушкой контактора (см. рис.9.1). Автоматические выключа нии получили автоматические выключатели, которые включа т и от- ключают вручную. При возрастании тока аппарат отключается автоматически те- пловыми или электромагнитными расцепителями. Выключатель может быть снабжен тремя тепловыми расцепителями, сходными по устройству с биметалли- ческими тепловыми реле. Автоматический выкл расцепителями максимального тока, катушки которых включаются в цепи рабочего тока фаз. Эти расцепители практически мгновенно отключают аппарат 91 при токе, превышающем номинальный в 6…10 раз (величину этого тока можно регулировать). Выпускают также автоматические выключатели с расцепителями минимального напряжения, которые обеспечивают нулевую защиту установки. Рис. 10.2. Конструктивная схема максимального электромагнитного реле схемах с аппаратами ручного управления для обеспечения нулевой защи- ты п Если все цепи управления схемы замыкаются одним аппаратом (командокон- трол тока В рименяют промежуточные реле (рис. 10.3). Перед началом работы станка не- обходимо нажать на кнопку ПП (подготовка пуска). Включится промежуточное реле РП и замкнет свой контакт РП, после чего кнопку ПП можно отпустить, а нижняя часть схемы с контактами контроллера КК-1, переключателя управления ПУ и т.д. и катушками контакторов оказывается под напряжением. При уменьше- нии напряжения питания до нуля или до недопустимо низких значений реле РП отпадает и его контакт РП отключает питание нижней части схемы. Для нового включения установки необходимо предварительно нажать на кнопку ПП. Наличие напряжения питания сигнализируется лампой ЛС. В данной схеме электрические цепи 1 – 3 замыкаются двумя аппаратами: кнопкой ПП и командоконтроллером КК. лером), можно применить схему, изображенную на рис. 10.3, б. В этой схеме промежуточное реле РП включается контактом КК-0 командоконтроллера, когда контроллер установлен в нулевое положение (другие контакты контроллера ра- зомкнуты). При повороте контроллера в любое рабочее положение контакт КК-0 разомкнется, а другие замкнутся (в соответствующих положениях рукоятки ко- мандоконтроллера), при этом реле РП будет питаться через контакт самоблоки- ровки. Если напряжение питания исчезнет, реле РП отключится. Для нового 92 включения контакторов 1К и др. при появлении напряжения питания необходимо предварительно вернуть командоконтроллер в нулевое положение. а ом Лекция 11. БЕСКОНТАКТНАЯ АППАРАТУРА. есконтактная аппаратура находит все более широкое применение в элек- трооб ния ш рис. 11.1 представлена схема датчика положения на основе Геркона, управ б Рис. 10.3. Нулевая защита в схемах с командоконтроллер ДАТЧИКИ Б орудовании машиностроительного производства благодаря таким достоинст- вам, как высокая допустимая частота включений, долговечность, быстродействие, надежность и др. Функции реле выполняют логические элементы, а функции кон- такторов – бесконтактные переключающие устройства (тиристорные и транзи- сторные). В качестве командоаппаратов используются бесконтактные аппараты, в основном сельсинного типа. Для контроля различных физических величин при- меняются разнообразные датчики: скорости, тока, положения, температуры и др. В электроприводе металлорежущих станков в качестве датчиков положе- ироко используются путевые и конечные выключатели. Все более широкое применение находят переключатели, срабатывающие без механического воздей- ствия. На ляемого полем постоянного магнита. В немагнитном корпусе 1 расположе- ны геркон 2 и воздействующий на его контакты постоянный магнит 3. При вхож- дении в щель ферромагнитной полосы 4 магнитный поток Ф постоянного магнита шунтируется, контакты геркона переключаются, переходя в исходное положение. 93 В бесконтактных системах управления в качестве датчиков положения и за- дающих устройств широко используются сельсинные командоаппараты в различ- ных исполнениях (рычажном, педальном). Рис. 11.1. Схема датчика положения на герконе На рис. 11.2, а представлена схема сельсинного командоаппарата. Однофаз- ная статорная обмотка возбуждения сельсина ОВ питается от сети переменного тока частотой 50 Гц. Она создает магнитный поток, который в каждой фазе трех- фазной обмотки ротора индуцирует ЭДС. Выходным напряжением сельсина явля- ется разность ЭДС фаз 1 и 3 (обмотка фазы 2 не используется): β⋅⋅=−= sin331 maxвых EEEU , где β – угол сдвига фаз вторичной и первичной обмоток; Еmax – максимальное значение индуктируемой ЭДС, при совпадении оси дан- ной обмотки (1 или 3) с осью обмотки ОВ (рис. 11.2, в). Изменяя угол поворота ротора сельсина, можно изменять величину управ- ляющего сигнала, подаваемого в схему управления электроприводом, и этим са- мым управлять работой двигателя (включать, отключать, изменять скорость). Ру- коятка бесконтактного командоаппарата имеет ряд положений (фиксированных). Выходное напряжение сельсина составляет 0–10 В, выходной ток – до 0,4 А. Вы- ходное напряжение сельсина через трансформатор Т подается на фазочувстви- тельное выпрямительное устройство ФВУ и после его преобразования – в схему управления. При использовании сельсина в качестве датчика положения на его ротор воздействует перемещающийся механизм. Датчик скорости используется для контроля угловой скорости двигателей. Наиболее широко в качестве датчиков скорости применяются тахогенераторы по- стоянного и переменного тока, представляющие собой электрические машины малой мощности, работающие в режиме генератора. Тахогенераторы переменного тока не имеют контактов, что является их достоинством. Различают синхронные и асинхронные тахогенераторы. Синхронные тахогенераторы представляют собой 94 небольшую синхронную машину с ротором в виде постоянного магнита. Выход- ной величиной такого тахогенератора наряду с ЭДС является и частота. В электроприводе применяются также импульсные датчики скорости, осно- ванные на модуляции светового потока, направленного от источника излучения через диск с прорезями на фотоприемник. Частота выходного сигнала пропорцио- нальна угловой скорости. а б в Рис. 11.2. Сельсинный командоаппарат: а – схема; б – статическая характеристика; в – условное обозначение . В качестве датчиков тока используются шунты, трансформаторы тока, датчики с использованием эффекта Холла. Для управления автоматизированным электроприводом широко используют- ся бесконтактные логические элементы. На рис. 11.3 приведены условные графические обозначения основных бескон- тактных логических элементов и эквивалентные им контактные схемы. Входные сигналы обозначены X1, X2, выходной – Y. Рис. 11.3. Графическое изображение логических элементов 95 Логический элемент так же, как и обычное реле, может находиться в одном из двух противоположных состояний: «Включено» или «Отключено», что соот- ветствует логическим понятиям «Да» (цифра «1») или «Нет» (цифра «0»). Элемент И осуществляет логическое умножение (сигнал Y появится при на- личии сигналов X1 и X2), элемент ИЛИ – логическое сложение (сигнал Y появится при наличии хотя бы одного сигнала X1 или X2). Элемент НЕ осуществляет логи- ческое отрицание (сигнал на выходе появится лишь при отсутствии сигнала на входе). Элемент И–НЕ является комбинацией двух логических элементов. Сигнал на выходе исчезнет (Y = 0) лишь при наличии сигналов на обоих входах. Во всех ос- тальных случаях входных сигналов на выходе будет сигнал «1». Элемент ИЛИ–НЕ характеризуется тем, что сигнал на выходе появится лишь при отсутствии сигналов на обоих входах. При подаче сигнала на любой вход (или на оба входа) сигнал на выходе исчезнет (Y = 0). Элемент ПАМЯТЬ имеет два входа и характеризуется тем, что при подаче сигнала на первый вход появляется сигнал на выходе, который остается там после снятия сигнала с этого входа, а для снятия сигнала с выхода необходимо подать сигнал на второй вход. На рис. 11.4 элемент ПАМЯТЬ выполнен на триггере Т и элементах ИЛИ–НЕ. При нажатии на кнопку SB1 на первый вход триггера Т по- дается сигнал «1», который сохраняется и после отпускания кнопки SB1. При на- жатии на кнопку SB2 на второй вход триггера Т подается сигнал «1», который обеспечивает переключение триггера и появление на его выходе «0», остающего- ся также и после отпускания кнопки SB2. Рис. 11.4. Схема элемента ПАМЯТЬ Мощность выходных цепей серийных логических элементов не превышает 5 Вт. Поэтому для управления исполнительными устройствами (контакторами, электромагнитами и т.п.) используют промежуточные усилители, входящие в но- менклатуру серии логических устройств. На рис. 11.5 представлена схема пуска асинхронного двигателя с фазным ро- тором в функции времени с использованием логических элементов. Пуск осуще- ствляется в три ступени. В схеме предусмотрена ячейка ПАМЯТЬ на триггере Т. При нажатии на кнопку SB1 на выходе триггера Т появится сигнал «1» и с помо- 96 щью усилителя А включится линейный контактор КМ1. Сигнал на выходе триг- гера Т сохранится и после отпускания кнопки SB1. Сигнал с выхода триггера Т подается одновременно через цепочку R–C1 (задержка времени) и усилитель А1 на контактор ускорения КМ2, который включится с заданной задержкой времени и выведет первую ступень пускового реостата. Затем аналогично включатся с за- держками времени (R–C2, R–C3) ускоряющие контакторы КМ3 и КМ4, после че- го пуск двигателя будет закончен. Отключение двигателя осуществляется либо кнопкой SB2, либо размыкаю- щими контактами максимального реле FA. При этом триггер Т перебрасывается, сигнал на его выходе исчезает, все контакторы отключаются и двигатель останав- ливается. а) б) Рис. 11.5. Схема автоматического пуска АД с использованием логических эле- ментов Более совершенными являются схемы, выполненные полностью на бескон- тактных элементах. Вместо контакторов там используются тиристорные или тран- зисторные выходные элементы, командные элементы также выполняются бескон- тактными. Раздел 4. ВЫБОР ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ МЕХАНИЗМОВ Цель: изучить основные критерии выбора электродвигателей, режимы ра- боты электродвигателей по нагреву и методы расчета их номинальной мощно- сти при различных режимах работы (продолжительном с постоянной и пере- менной нагрузками, повторно-кратковременном и кратковременном). 97 Лекция 12. КРИТЕРИИ ВЫБОРА ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ. ОСНОВНЫЕ РЕЖИМЫ РАБОТЫ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ ПО НАГРЕВУ Наиболее трудоемким и ответственным этапом проектирования электропри- вода для производственного механизма является выбор электродвигателя. Задача выбора состоит в поиске такого двигателя, который обеспечит по мощности за- данный технологический цикл рабочей машины, будет соответствовать условиям окружающей среды, компоновке с рабочей машиной и при этом иметь норматив- ный (допустимый) нагрев. В общем случае электропривод должен удовлетворять ряду требований, даже противоречивых (поэтому при выборе электродвигателя в конкретном случае приходится руководствоваться технико-экономическими со- ображениями). Для электропривода производственного механизма следует выбирать наибо- лее простой двигатель по устройству и управлению, экономичный и надежный в эксплуатации, имеющий наименьший вес, габариты и стоимость. Вместе с тем двигатель должен полностью удовлетворять требованиям технологического про- цесса и соответствовать условиям окружающей среды, в которой он будет нахо- диться во время эксплуатации. Для правильного выбора электродвигателя для конкретного производствен- ного механизма следует руководствоваться критериями выбора по следующим показателям: мощности, скорости, напряжению, роду тока, условиям эксплуата- ции, конструктивному исполнению монтажа. Мощность электродвигателя должна соответствовать нагрузке на его ва- лу, так как недостаточная мощность может привести к нарушению нормальной работы механизма, снижению его производительности, перегреву электродвига- теля (из-за возможных перегрузок) и сокращению его срока службы и даже к воз- никновению аварийной ситуации, а излишняя мощность увеличивает капиталь- ные затраты и эксплутационные расходы вследствие недогрузки электродвигателя и снижения его КПД (у АД коэффициента мощности). Поэтому определение но- минальной мощности электродвигателя выполняют в соответствии с нагрузоч- ными диаграммами механизмов и режимами их работы. Скорость электродвигателя выбирается такой, чтобы обеспечить необхо- димый технологический процесс производственного механизма. При заданном передаточном числе редуктора или другой передачи этот вопрос решается одно- значно, т.е. по известному передаточному отношению и заданной скорости произ- водственного механизма. Выбор номинальной скорости электродвигателя и пере- даточного числа редуктора вновь проектируемого электропривода должен произ- водиться путем технико-экономического сравнения нескольких вариантов, исходя из определенного критерия оптимальности: быстродействия, минимума стоимо- сти редуктора, двигателя и др. 98 Выбор электродвигателя по напряжению для механизмов действующего предприятия производится по напряжениям существующих на предприятии сетей переменного и постоянного тока. Выбор напряжения для питания электродвига- телей вновь сооружаемого предприятия решается совместно с выбором напряже- ний для всего предприятия в целом путем технико-экономического сравнения не- скольких вариантов электроснабжения. АД малой и средней мощности выпускаются с номинальными напряжениями 220/127, 380/220 и 660 В. АД и СД средней и большой мощности выпускаются на напряжения 3, 6 и 10 кВ. Наиболее распространенными номинальными напряже- ниями двигателей постоянного тока (ДПТ) являются 110, 220 и 440 В. При значи- тельной мощности ДПТ номинальные напряжения лежат в пределах 660…900 В. По роду тока для производственных механизмов могут применяться ДПТ с различным возбуждением (параллельного, независимого, последовательного, смешанного) и переменного тока: АД с короткозамкнутым или фазным ротором и СД. Наиболее простыми по устройству и управлению, надежными и экономич- ными в эксплуатации, имеющими наименьший вес, габариты и стоимость при оп- ределенной мощности, являются АД с короткозамкнутым ротором. Их вес на еди- ницу мощности в 1,5…2,0 раза ниже, чем у ДПТ. АД по сравнению с ДПТ имеют еще одно преимущество: питание их осуще- ствляется непосредственно от сети трехфазного тока, т.е. для них не требуются сложные и дорогие преобразовательные устройства переменного тока в постоян- ный. Чаще всего АД применяются при невысокой частоте включений, когда не требуется регулирование скорости или возможно ее ступенчатое регулирование. В настоящее время перспективными являются и установки с глубоким регулиро- ванием скорости АД при частотном управлении. В установках, где требуется регулирование в относительно небольших пре- делах, плавный пуск, хорошие тормозные качества, ограничение токов в переход- ных режимах, применяются АД с фазным ротором. Характерной особенностью этих двигателей является уменьшение с помощью реостатов их пусковых токов при одновременном увеличении пускового момента. АД с фазным ротором широ- ко применяется для привода механизмов с частыми пусками и торможениями. Для механизмов средней и большой мощности, где не требуется регулирова- ние скорости, перспективным является использование СД, которым присущи та- кие положительные качества, как жесткость механической характеристики, высо- кая перегрузочная способность, меньшая по сравнению с АД зависимость крити- ческого момента от напряжения сети, высокие энергетические показатели, возможность компенсации реактивной энергии. Для механизмов с высокими требованиями в отношении регулирования ско- рости, качества работы в динамических режимах, с частыми пусками и остановами 99 применяются электродвигатели постоянного тока, при этом в зависимости от ха- рактера статического момента на валу и диапазона регулирования используются ДПТ независимого (параллельного), последовательного или смешанного возбуж- дения. Их использование в этих случаях связано с необходимостью применения преобразователей переменного тока в постоянный. В регулируемых электроприводах применяют системы, которые при выпол- нении технологических требований оказываются более выгодными экономически. Поэтому чаще всего экономическое сравнение регулируемых электроприводов ве- дут в такой последовательности: полюсно-переключаемые АД, АД с фазным рото- ром и реостатным регулированием скорости, система «управляемый преобразова- тель напряжения – ДПТ», система «преобразователь частоты – АД». При выборе электродвигателя необходимо учитывать условия эксплуата- ции, под которыми понимают воздействие климатических факторов и состояние окружающей среды. Электродвигатели изготавливаются для работы в умеренном климате, умеренном и холодном, тропическом, морском. Климатические условия характеризуются максимальной, минимальной и средней температурами. Напри- мер, эти температуры составляют + 40, -45 и +10 ºС – для умеренного климата, +45, -10 и +27 ºС – для тропического, +40, -40 и +10 ºС – для морского климата. По способу защиты электродвигателя от воздействия окружающей среды различают: – защищенные электродвигатели, у которых все вращающиеся и токоведу- щие части предохранены от случайного прикосновения человека и попадания внутрь посторонних предметов и капель воды, падающих отвесно или под углом не более 60º к вертикали (у этих двигателей имеются защитные приспособления в виде коробов, решеток, сеток); – закрытые электродвигатели, которые бывают обдуваемые, продуваемые и герметические. У обдуваемых электродвигателей (с самовентиляцией) на валу ук- реплен вентилятор, который засасывает воздух и прогоняет его через ребристый корпус. У продуваемых электродвигателей (с независимой вентиляцией) воздух для охлаждения подводится через трубы отдельным от двигателя вентилятором. Герметические (взрывозащитные) электродвигатели предназначены для работы во взрывоопасных помещениях. По способу вентиляции двигатели выполняются с естественной, с самовен- тиляцией и независимой вентиляцией. При естественной вентиляции двигатели не имеют каких-либо специальных устройств для охлаждения. У двигателей с са- мовентиляцией охлаждение осуществляется вентилятором, смонтированным на валу двигателя. При закрытом исполнении вентилятор устанавливается снаружи под колпаком. Он обдувает ребристую поверхность двигателя (такие двигатели называются обдуваемыми). Интенсивность охлаждения электродвигателей с естественной вентиляцией и самовентиляцией зависит от угловой скорости вала двигателя и ухудшается при 100 ее снижении. Охлаждение двигателей при независимой вентиляции осуществля- ется с помощью специального вентилятора, приводимого в движение дополни- тельным двигателем, что позволяет несколько повысить нагрузку главного двига- теля, особенно при снижении его скорости. Закрытые электродвигатели более сложны по конструкции защитных уст- ройств. Они не имеют специальных отверстий для обмена воздухом между двига- телем и окружающей средой. Взрывозащищенные двигатели снабжаются специ- альным кожухом, который без повреждений может противостоять взрыву внутри двигателя и препятствует распространению пламени в окружающую среду. Водо- защищенные двигатели выполняются с усиленными уплотнениями крышек при помощи резиновых прокладок, а выступающий конец вала проходит через специ- альный сальник. У герметичных двигателей все отверстия и соединения закрыты и уплотнены так тщательно, что исключается всякое сообщение между внутренним пространством машины и внешней газовой средой или жидкостью. Герметичные двигатели могут работать погруженными в воду. Выбор электродвигателя по способу защиты от действия окружающей среды должен производиться в зависимости от условий, в которых он будет работать. Большое значение имеет правильный выбор электродвигателя по конструк- тивному исполнению в отношении монтажа. Для большинства производствен- ных механизмов применяют электродвигатели с горизонтальным расположением вала и лапами для крепления к несущим конструкциям. Для некоторых механиз- мов целесообразным является применение двигателей с вертикальным располо- жением вала и креплением на лапах. Выпускаются электродвигатели с вертикаль- ным или горизонтальным расположением вала и фланцевым креплением. В наи- большей степени в конструктивные формы механизмов вписываются встраиваемые электродвигатели, которые не имеют станины, подшипниковых щитов, а иногда и вала. Монтируются они в корпусах производственных меха- низмов и иногда непосредственно выполняют функции рабочих органов. Для обозначения конструктивного исполнения по способу монтажа приме- няют латинские буквы IM (от англ. International Mounting) и следующие за ними четыре цифры. Первая цифра показывает группу конструктивного исполнения (на лапах, без лап, с фланцем и т.д.), вторая и третья – способы монтажа, а четвертая – исполнение конца вала (цилиндрический, конический и др.). Например: IM1001 – электродвигатель с двумя подшипниковыми щитами, на лапах, вал горизонталь- ный; IM1011 – то же, но с вертикальным валом. Нагрев и охлаждение электродвигателей. Процесс преобразования элек- трической энергии в механическую в электродвигателе сопровождается потерями мощности ∆Р, которые превращаются в тепло. В результате отдельные части электродвигателя нагреваются. Особенно чувствительна к повышению темпера- туры изоляция обмоток, срок службы которой в значительной мере определяет срок службы электродвигателя. Поэтому наибольшая допустимая температура 101 tºдоп электродвигателя определяется применяемыми изоляционными материалами для изготовления его обмоток. Изоляционные материалы по нагревостойкости делятся на 7 классов (Y, A, E, B, F, H, C), из которых наиболее распространенными для электроприводов явля- ются: класс А – хлопчатобумажные ткани и шелк, пропитанные в жидком диэлек- трике, tºдоп = 105 ºС; класс Е – синтетические органические пленки (эмали), tºдоп = 120 ºС; класс В – слюда, асбест, стекловолокно, tºдоп = 130 ºС; класс F – слюда, асбест, стекловолокно с синтетическими связывающими веществами и с пропитыванием диэлектрическими составами, tºдоп = 155 ºС. Срок службы изоляции при указанных предельных температурах примерно 15–20 лет. Номинальная мощность электродвигателя относится к температуре окру- жающей среды +40 ºС. При меньшей температуре, чем +40 ºС, допустимая дли- тельная нагрузка электродвигателя может быть больше номинальной, а при тем- пературе окружающей среды более +40 ºС допустимая длительная нагрузка должна быть меньше номинальной. Для электродвигателей нормируется не допустимая температура обмоток, а допустимое превышение их температуры над температурой окружающей среды, называемое перегревом τ. При постоянной нагрузке нагрев электродвигателя описывается уравнением нн 0 o срокр o )1( TtTtу ееtt −τ+−τ=−=τ , где τy = Q / А – установившийся перегрев, ºС; Q – количество тепла, выделяемое электродвигателем в единицу времени, Дж / с; А – количество тепла, отдаваемое электродвигателем в окружающую среду в единицу времени при разности температур в 1 ºС (теплоотдача), Дж / (с ⋅ ºС); τ0 – начальный перегрев (в момент времени t = 0); Тн = С / А – постоянная времени нагрева, т.е. скорость нарастания темпера- туры электродвигателя; С – теплоемкость электродвигателя, т.е. количество тепла, необходимое для повышения температуры двигателя на 1 ºС, Дж / ºС. Зависимость τ = f(t) представлена на рис. 12.1 кривой 1. Величина τy является асимптотой этой кривой. Нагрев двигателя происходит по экспоненциальному за- кону и характеризуется постоянной времени нагрева Тн. Время достижения пере- гревом своего установившегося значения τy при экспоненциальном законе его из- менения теоретически бесконечно большое. Практически процесс нагревания считается законченным, когда перегрев τ достигает (0,95…0,98) τy за время tуст = (3…4) Tн. Например, при t = 4Tн τ = 0,982 τy, т.е. разница между τ и τy меньше двух процентов. 102 Таким образом, время достижения перегревом своего установившегося значе- ния зависит от постоянной времени нагрева двигателя. Так как теплоемкость дви- гателя пропорциональна его объему, а теплоотдача – площади его поверхности, то двигатели большей мощности, имеющие большие габариты, характеризуются и большей постоянной времени нагрева. У защищенных электродвигателей малой мощности Тн составляет 20…30 мин, а у закрытых двигателей большой мощности 2–3 ч. При отключении от сети нагретого электродвигателя он начнет охлаждаться. Уравнение его охлаждения имеет вид (см. рис. 12.1): 0 0 Tte−τ=τ . Остывание неподвижного электродвигателя происходит медленнее (его по- стоянная времени охлаждения ТоТн), чем нагревание, что объясняется отсутст- вием его вентиляции при ω = 0. Рис. 12.1. Кривые нагрева (1) и охлаждения (2) двигателя Из приведенных уравнений следует, что процессы нагревания и охлаждения электродвигателя зависят практически от величин τy, Тн и Т0. Величина τy прямо пропорциональна количеству тепла, выделяемого в электродвигателе и опреде- ляемого в основном потерями в обмотках, и обратно пропорциональна коэффици- енту теплоотдачи, который в значительной степени зависит от вентиляции двига- теля: чем лучше вентиляция, тем меньше τy. Установившийся тепловой режим на- ступает тогда, когда все выделяемое в двигателе тепло отдается в окружающую среду, т.е. когда температура двигателя становится неизменной (τ = τу = const). Основные режимы работы электродвигателей по нагреву. Величина на- грузки электродвигателя в процессе его работы может изменяться различным об- разом, при этом он может периодически или эпизодически отключаться от сети на некоторое время. Поэтому нагрев электродвигателя при его работе не является постоянным. Стандарт устанавливает восемь номинальных режимов работы элек- тропривода с условными обозначениями от S1 до S8. Из них основными являются режимы S1…S3, а остальные (S4…S8) – это модификации основных режимов. Рассмотрим основные режимы: 103 S1 – продолжительный (или длительный) – перегрев электродвигателя до- стигает установившегося значения τy (рис. 12.2, а). Длительность рабочего периода tр > 3Тн, длительность паузы роли не играет. В продолжительном режиме работа- ют двигатели насосов, компрессоров, конвейеров, прокатных станов и т.п. Разли- чают продолжительный режим с постоянной и с переменной нагрузкой; S2 – кратковременный – периоды постоянной нагрузки чередуются с от- ключениями, при этом τ не достигает τy (tр ≤ 3Тн), а во время отключения электро- двигатель охлаждается до температуры окружающей среды (t0 > 3Т0), рис. 12.2, б. Для кратковременного режима рекомендуется продолжительность рабочего пе- риода 15, 30, 60, 90 мин. В таком режиме работают электродвигатели подъемни- ков, приводов заслонок, задвижек и т.п.; S3 – повторно-кратковременный – периоды с постоянной нагрузкой (ра- бочие периоды) чередуются периодически с отключениями электродвигателя (па- узами), при этом перегрев τ за время одного рабочего цикла tц не достигает τy (рис. 12.2, в). При повторно-кратковременном режиме время цикла не более 10 мин (в противном случае двигатель считается работающим в продолжительном режиме по нагреву). Рис. 12.2. Графики номинальных режимов электроприводов Повторно-кратковременный режим характеризуется относительной продол- жительностью включения ПВ в процентах: ПВ = tр / (tр + t0) 100 % = (tр / tц) 100 %. Стандартные значения ПВ = 15, 25, 40 и 60 %. Повторно-кратковременный режим характеризуется условиями tр < 3Тн, т.е. за время одного рабочего периода перегрев не достигает τy, а за время паузы не становится равным нулю. При многократном повторении циклов процесс нагрева устанавливается (температура перегрева в начале и в конце цикла одинакова, τ колеблется около среднего значения τy.ср). В повторно-кратковременном режиме работают электроприводы кранов, некоторых вспомогательных механизмов про- катных станов и т.п. 104 Лекция 13. ПОСТРОЕНИЕ НАГРУЗОЧНЫХ ДИАГРАММ МЕХАНИЗМА И ЭЛЕКТРОПРИВОДА. МЕТОДЫ РАСЧЕТА МОЩНОСТИ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ ПРИ ПЕРЕМЕННОЙ НАГРУЗКЕ Принято различать нагрузочные диаграммы механизма и электропривода. Под нагрузочной диаграммой механизма понимают зависимость момента со- противления механизма Мм или мощности Рм от времени. Вместе с нагрузоч- ной диаграммой механизма дается или рассчитывается скоростная диаграмма ωм(t). Для электропривода нагрузочная диаграмма (М = f(t) или Р = f(t)) более слож- на, так как она определяется не только статическими режимами работы, но и пере- ходными процессами электропривода. Переходные процессы в системе электро- привода оказывают заметное влияние на момент, развиваемый двигателем, и соот- ветственно на зависимость М(t). К ним прежде всего относятся: включение двигателя в сеть и его отключение, изменение параметров подводимого напряже- ния, главных цепей и цепей возбуждения и т.п. В таких случаях dω/dt ≠ 0. Поэтому при построении нагрузочной диаграммы электропривода М(t) следует пользоваться уравнением движения. Для электроприводов, работающих длительно с постоянной нагрузкой и скоростью, можно не учитывать потери энергии в переходных процессах, т.е. не учитывать динамическую составляющую момента двигателя и счи- тать М(t) = Мс = const и Р(t) = Рс = const. Формулы для расчета мощности и момента производственных механизмов определяются спецификой их работы и относительно просты. Например, мощ- ность насоса зависит от массы перекачиваемой жидкости и скорости ее движения, мощность подъемного механизма определяется весом поднимаемого груза и ско- ростью подъема, мощность двигателя шпинделя металлорежущего станка – уси- лием резания и скоростью резания и т.д. Более сложным представляется построение нагрузочной диаграммы элек- тропривода, когда скорость, ускорение и другие показатели системы не оста- ются постоянными в процессе работы механизма. В качестве примера рассмот- рим построение нагрузочной диаграммы лифта для рабочего участка, на котором кабина лифта разгоняется до определенной линейной скорости v, движется неко- торое время с постоянной скоростью v=const, а затем затормаживается. Режим работы электропривода лифтов (как пассажирских, так и грузовых) характеризуется частыми включениями и отключениями: 100 – 240 включений в час для пассажирских лифтов и 70 – 100 включений в час для грузовых лифтов. 105 В зависимости от назначения применяются пассажирские лифты со следую- щими номинальными скоростями: - в административных зданиях и гостиницах: до 9 этажей – от 0,7 м/с до 1 м/с; от 9 до 16 этажей – от 1 до 1,4 м/с; - в административных зданиях от 16 этажей – 2 и 4 м/с. Одним из важнейших требований, предъявляемых к электроприводу лиф- тов, является необходимость ограничения ускорений и замедлений кабины a=dv/dt и их производных (рывков) ρ=d2v/dt2. Максимальная величина ускорения (замедления) движения кабины при нор- мальных режимах работы не должна превышать: для всех лифтов, кроме боль- ничных, 2 м/с2 , для больничных лифтов – 1 м/с2. Рывок правилами не регламентируется. Однако необходимость его ограни- чения, как и ограничение ускорения, определяется необходимостью ограничения динамических нагрузок в механической передаче во время переходных процессов и задачей обеспечения требуемого комфорта для пассажиров. Ограничение вели- чин ускорения и рывка должно обеспечивать высокую плавность переходных процессов и тем самым исключить отрицательное влияние на самочувствие пас- сажиров. Для скоростных лифтов максимальное значение рывка составляет 3 – 10 м/с3. Для обеспечения максимальной производительности лифта во время пере- ходных процессов электропривод должен обеспечивать разгон и замедление ка- бины с максимальными допустимыми значениями ускорения и рывка. Соответст- вующий выполнению этого условия график движения кабины, который обычно считается оптимальным (так как он обеспечивает минимальную длительность ре- жимов разгона - торможения кабины), приведен на рис. 13.1. В соответствии с этим графиком, значения рывка ρ и ускорения а на определенных интервалах пе- реходного процесса поддерживаются постоянными и равными предельно допус- тимым значениям. Рис. 13.1. Оптимальная диаграмма движения кабины лифта 106 На первом этапе разгона 0 – 1 поддерживается постоянным рывок, при этом ускорение изменяется по линейному закону а1(t) = ρдоп dt = ρдоп t, а изменение скорости характеризуется квадратичной параболой: 0 t∫ v1(t)= a1(t)dt = ρдоп t dt = ρдоп t2/2. (1) 0 t∫ 0t∫ Путь s , проходимый кабиной на этом этапе, определяется кубической па- раболой: s1(t) = v1(t) dt = ρдоп t2/2 dt = ρдоп t3/6. (2) 0 t∫ 0t∫ Длительность первого интервала движения определяется из условия: t1= aдоп/ ρдоп . В конце первого интервала движения ускорение достигает допустимого значения а1= адоп, а скорость и пройденный путь могут быть определены при усло- вии t = t1 подстановкой в (1) и (2): v1= a2доп/(2 ρдоп); s1= a3доп/(6 ρ2доп) . На третьем этапе движения 2 – 3 , которым завершается режим разгона электропривода до установившейся скорости vуст , рывок имеет ту же величину, что и на первом этапе, но с противоположным знаком: ρ = - ρдоп = const, а изменения ускорения и скорости характеризуются зависимостями: ∆а3(t) = aдоп + ∫0 (- ρдоп) t = aдоп - ρдоп t ; ∆v3(t) = a 3(t) dt = (aдоп - ρдоп t) dt = (aдоп - ρдоп t/2). 0 t∫ 0t∫ Длительность третьего этапа движения равна длительности первого этапа: ∆t3 = t1 = aдоп / ρдоп . В конце третьего этапа ускорение a3=0, а изменение скорости на этом этапе ∆v3 = a2 доп / (2ρдоп ). На втором этапе разгона 1 – 2 скорость изменяется на величину: ∆v2 = vуст - v1 - ∆v3 =vУСТ - a2 доп / (2ρдоп ) - a2 доп / (2ρдоп ) = vуст - a2 доп / ρдоп . Изменение этой скорости во времени на втором этапе характеризуется ли- нейной зависимостью: ∆v2 (t) = 0 t∫ aдоп dt = aдоп t. Длительность второго этапа ∆t2 = t1 = vУСТ / aдоп - a доп / ρдоп . Полная длительность разгона представляет собой сумму длительностей первых трех этапов: tраз = t1 + ∆t2 +∆t3 = vуст/адоп+ адоп/ρдоп. Это выражение характеризует минимальное время разгона при наличии ог- раничений на ускорение и рывок. Так, например, если vуст = 4 м/с, адоп = 2 м/с2, ρдоп = 5 м/с3, то минимальное время разгона будет: tраз = 4/2 + 2/5 = 2,4 с. 107 Аналогично могут быть получены выражения, характеризующие движение кабины в процессе торможения на 5-ом, 6 и 7-ом этапах диаграммы рис. 13.1. На- пример, для 5-го этапа (4 – 5): ρ5 = - ρдоп ; а5(t) = - ρдоп t ; ∆v5(t) = - ρдоп t2/2 ; ∆t5 = a доп / ρдоп ; ∆v5 = - a2доп / (2ρдоп ). Приведенные выше формулы позволяют строить оптимальный график движения кабины лифта и определять скорости, пути и длительности всех этапов движения при заданных значениях установившейся скорости и допустимых вели- чинах ускорения и рывка. По соответствующим формулам можно рассчитать статическую нагрузку лиф- та Мс(t). Заданными для кабины лифта являются угловая скорость движения кабины ω (или линейная скорость v), а также максимальные значения величин dω/dt и d2ω/dt2, которые можно представить в виде графиков (рис. 13.2), состоящих из семи уча- стков. Первым строится участок 4 графиков, на котором ω = const. Затем можно построить участки 2 и 6, на которых постоянными являются ускорение и замедле- ние, а скорость увеличивается и уменьшается по линейному закону. Участки 1, 3, 5, 7 характеризуются линейным изменением ускорения (замедления), когда рывок остается постоянным, а скорость изменяется по параболическому закону. По известному моменту инерции J системы электропривода лифта можно построить график J dω/dt = f(t), так как dω/dt известна. Таким образом, имеются все данные для построения графика М(t): М(t) = Мс + J dω/dt. Рис. 13.2. К построению нагрузочной диаграммы ЭП пассажирского лифта 108 На основании графиков М(t) и ω(t) можно построить зависимость Р(t) = М(t)·ω(t) и далее перейти к выбору электродвигателя по мощности, если по дан- ной методике будут построены нагрузочные графики и для других участков дви- жения кабины лифта. Методы расчета мощности электродвигателя при переменной нагрузке. В электроприводах, у которых мощность на валу электродвигателя изменяется по определенному нагрузочному графику (рис. 13.3), электродвигатель сначала вы- бирают по наибольшей мощности этого графика с учетом его перегрузки, а затем выбранный электродвигатель проверяют по нагреву. Примерами электропривода с переменной нагрузкой на валу электродвигателя являются электроприводы мно- гооперационных станков, кулачковых автоматов и др. Форма нагрузочного графи- ка зависит от обрабатываемой детали, мощности и продолжительности отдельных переходов цикла обработки детали. При этом электродвигатель вращается непре- рывно почти с постоянной скоростью, так как его механическая характеристика имеет большую жесткость. Рис. 13.3. Нагрузочный график при переменной нагрузке Для проверки выбранного электродвигателя по нагреву при переменной на- грузке существуют следующие четыре метода: 1) метод эквивалентного тока Iэ; 2) метод эквивалентного момента Мэ; 3) метод эквивалентной мощности Рэ; 4) метод средних (эквивалентных) потерь. Рассмотрим эти методы. Метод средних (эквивалентных) потерь. При переменной нагрузке (в станкостроении и других областях) наиболее часто используют обычные электро- двигатели, предназначенные для длительного режима работы с постоянной на- грузкой. Поэтому электродвигатель выбирают на такую постоянную мощность Рэ длительного режима работы, при которой в электродвигателе выделяется столько 109 же тепла за время цикла работы tц, сколько и при работе при переменной нагруз- ке: Qэ ⋅ tц = ∑(Qi ⋅·ti) или ∆Pэ ⋅ tц = ∑(∆Pi ⋅ ti), где Qэ – количество тепловой энергии, выделяемой в электродвигателе мощно- стью Рэ в единицу времени; ∆Рэ – потери мощности в электродвигателе при работе с мощностью Рэ; ∆Рi – потери мощности в электродвигателе при работе с мощностью Рi. Отсюда получаем формулу средних потерь: ∆Pэ = ∑(∆Pi ⋅ ti) / tц. (13.1) Метод средних (эквивалентных) потерь для проверки электродвигателя по нагреву, предварительно выбранного по перегрузке, основан на использовании этой формулы средних потерь и состоит в следующем: 1. Используя нагрузочный график, определяют: ∆Pi = Pi / ηi – Pi, где ηi – КПД электродвигателя при работе с мощностью Pi. В достаточно подробных технических данных АД приводят значения КПД при нагрузках 1/4, 2/4, 3/4, 4/4 и 5/4 от Рн. По этим данным строят график η = f (Р), из которого определяют значения ηi. Для приближенных расчетов (и при отсутствии данных для построения гра- фика η = f (Р)) можно использовать формулу 3 нн PPii η≈η . 2. Вычисляют ∆Рэ по формуле (13.1) и проверяют выполнение условия ∆Рэ ≤ ∆Рн. Если это условие не выполняется, берут следующий по номинальной мощ- ности электродвигатель из каталога и т.д. до выполнения данного условия. Метод эквивалентного тока. Если в формуле (13.1) потери мощности раз- делить на постоянные и переменные, пропорциональные квадрату тока нагрузки I2, получим ∆Рпост + b·Iэ2 = ∑((∆Рпост + b·Ii2 ) ⋅ ti) / tц, (13.2) где b – величина, постоянная для конкретного двигателя. Так как ∆Рпост ⋅ tц = ∆Рпост ⋅ ∑ ti, то после преобразований и решения (13.2) относительно Iэ получим ∑ ⋅= ц2э )( ttII ii . (13.3) Эта формула соответствует нагрузочному графику (см. рис. 13.2) с прямо- угольными участками. Если нагрузочный график I = f(t) содержит треугольные и трапецеидальные участки (рис. 13.3), в формулу (13.3) вместо I1 и I5 следует под- ставлять 311э II = ; 3)(I 255424э5 IIII +⋅+= . 110 Рис. 13.4. Нагрузочный график I = f (t) Метод эквивалентного тока основан на использовании формулы (13.3) при проверке электродвигателя по нагреву и состоит в следующем: 1. Рассчитывают Iэ по (13.3), используя нагрузочный график I = f(t). 2. По каталогу (зная предварительно род тока, напряжение, скорость вращения и другие данные) выбирают электродвигатель с номинальным током Iн ≥ Iэ. Данный метод применим к электродвигателю любого типа. Метод эквивалентного момента. Для ДПТ НВ и АД метод эквивалентного тока можно заменить методом эквивалентного момента, использующего формулу эквивалентного момента ∑ ⋅= ц2 )( ttMМ ii , так как для ДПТ при Ф = const ток пропорционален моменту, а для АД при не- больших значениях скольжения (на рабочем участке) момент можно считать при- мерно пропорциональным току. Метод эквивалентной мощности. Если скорость вращения электродвигателя во время работы изменяется незначительно, что характерно для электродвигате- лей с жесткими механическими характеристиками, то мощность примерно про- порциональна моменту. Тогда можно пользоваться методом эквивалентной мощ- ности, использующим формулу эквивалентной мощности, ∑ ⋅= ц2э )( ttPP ii . Эта формула более удобна, чем формула средних потерь, в которой необхо- димы дополнительные вычисления КПД ηi. Данный метод используют также и при небольшом числе пусковых процес- сов (до 20 в час), пренебрегая их влиянием на нагрев электродвигателя. Лекция 14. РАСЧЕТ НОМИНАЛЬНОЙ МОЩНОСТИ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ ПРИ ДЛИТЕЛЬНОМ РЕЖИМЕ РАБОТЫ А. Нагрузка постоянная. Если электродвигатель должен работать с посто- янной или мало изменяющейся нагрузкой (электроприводы насосов, вентилято- 111 ров, конвейеров, крупных металлорежущих станков), его мощность рассчитыва- ется по эмпирическим формулам с учетом поправочных коэффициентов. Примеры таких формул: 1. Если известны усилие резания F (Н) и скорость резания V (м/мин), то мощность электродвигателя Р (кВт) на валу (с учетом потерь в механических передачах) Р = F ⋅ V / (1000 ⋅ 60 ⋅ ηпер). 2. Для электропривода насоса Р = kз· Q ⋅ H ⋅ γ ⋅ 10-3 / (ηнас ⋅ ηпер), кВт, где Q – производительность, м3/с; H – высота напора, м; γ – плотность жидкости, Н/м3; kз = 1,1 ÷ 1,3 – коэффициент запаса; ηнас = 0,45 ÷ 0,75 – КПД насоса. По каталогу выбирается электродвигатель с номинальной мощностью Рн ≥ Р. Тип двигателя выбирается с учетом окружающей среды, сопряжения с механиз- мом, рода тока, напряжения, скорости вращения и других технических требова- ний (по пусковому моменту, например). Так как двигатель выбирается по усло- вию Рн ≥ Р, то выполняются и условия ΔРн ≥ ΔР и τy ≤ τдоп. Поэтому при постоян- ной продолжительной нагрузке дополнительных расчетов по определению нагрева двигателя не требуется. Б. нагрузка переменная. При продолжительном режиме работы с перемен- ной нагрузкой электродвигатель должен быть выбран по мощности так, чтобы он мог работать с наибольшей из графика нагрузки мощностью (это так называемый выбор по перегрузке) и не перегревался больше нормы (это выбор по нагреву). Из двух мощностей выбирают большую. Мощность по перегрузке определяется как Р1 = Рmax / λ, где Рmax – наибольшая мощность из графика нагрузки; λ – коэффициент допустимой перегрузки: для ДПТ λ =1,8…2,5 (из условий коммутации); для АД λ = 0,92 ⋅ λк (λк = Мк / Мн – берется из каталога); коэффициент 0,9 учитывает возможность снижения напряжения сети на 10 % от номинального. Обычно сначала рассчитывают мощность электродвигателя по нагреву и вы- бирают конкретный двигатель (с учетом и других критериев выбора), а затем про- веряют его по перегрузке Рн ≥ Р1. Если это условие перегрузки не соблюдается, из каталога выбирают сле- дующий по шкале мощностей электродвигатель. Примечание. Для АД нужна еще проверка и по пусковому моменту: 0,92 ⋅ Мп ≥ М1, 112 где М1 – момент на первом участке нагрузочного графика. Пример 1. Выбрать электродвигатель для механизма, работающего по нагру- зочному графику, представленному на рис. 14.1. Угловая скорость вращения вала ωн = 146 рад/с (nн ≈ 1460 об/мин). Рис. 14.1. Нагрузочный график М = f (t) Решение Эквивалентный момент (из графика) 21390501003025610400( 222э =⋅+⋅+⋅=M Н·м. Расчетная мощность электродвигателя Р = Мэ ⋅ ω = 213 ⋅ 146 ⋅ 10-3 = 31 кВт. Принимаем по каталогу АД типа А02 – 81 – 4 с Рн = 40 кВт, nн = 1460 об/мин, λк = 2, λп = Мп / Мн = 1,1. Номинальный момент АД Мн = Рн / ωн = (40/146) ⋅ 103 = 274 Н·м. Максимальный и пусковой моменты АД с учетом снижения напряжения се- ти на 10 % 0,92 Мк = 0,92 ⋅ 2 ⋅ 274 = 444 Н·м; 0,92 Мп = 0,92 ⋅ 1,1 ⋅ 274 = 244 Н·м. Сопоставление полученных данных с данными нагрузочного графика показы- вает, что принятый электродвигатель удовлетворяет требованиям перегрузки (444 > 400 Н·м), но не проходит по пусковым условиям (244 < 400 Н·м). Следующим большим по мощности будет электродвигатель типа АО2-82-4 с Рн = 55 кВт; nн = 1460 об/мин; λк = 2,0; λп = 1,1. Данный электродвигатель, как показывают расчеты, также не проходит по пусковым условиям. В подобных случаях, когда момент сопротивления при пуске значительно превышает момент при установившемся режиме, целесообразно принимать элек- тродвигатель с повышенным пусковым моментом. Поэтому примем АД типа АОП – 81 – 4 с Рн = 40 кВт; nн = 1470 об/мин; λк = 2,2; λп = 1,8. Проверим данный электродвигатель по пусковому моменту: 0,92 ⋅ 1,8 ⋅ 40 ⋅ 104 / 1470 ≈ 400 Н⋅м. 113 Так как пусковой момент равен моменту сопротивления, то данный электро- двигатель выбран правильно. Пример 2. Рассмотрим вопрос определения расчетной мощности электро- двигателя для электропривода (ЭП), работающего в режиме S1 с частыми пуска- ми, т.е. когда в его нагрузочной диаграмме необходимо учитывать и динамиче- ские моменты при разгоне Мдин1 и торможении Мдин2 (см. рис. 14.2). Рис. 14.2. Нагрузочная диаграмма ИО (а), тахограмма скорости (б), график динамического момента (в) и нагрузочная диаграмма электропривода (г) Работа ЭП характеризуется приведенными к валу двигателя нагрузочной диаграммой исполнительного органа (ИО) механизма рис. 14.2, а и скоростной диаграммой рис. 14.2, б. При этом: приведенные моменты сопротивления Мс1 =40 Н·м и Мс2 =16 Н·м; t1=20 c; t2=62 c; tр=2 c; tт=1 c; tу=77 c; t0=2 c; ωуст=146 рад/с (nн ≈ 1460 об/мин); приведенный момент инерции ЭП J = 0,8 кг·м2. Решение. 1. Определим вначале динамические моменты на участках разгона Мдин1 и торможения Мдин2 (рис. 14.2, в): Мдин1= J td dω= J ωуст/ tр = 0,8·146/2 = 58,4 Н·м; Мдин2= - J ωуст/ tт = - 0,8·146/1 = -116,8 Н·м. 114 2. Рассчитаем моменты двигателя на участках разгона М1 и торможения М2 (рис. 14.2, г): М1 = Мс1+Мдин1 = 40+58,4 = 98,4 Н·м; М2 = Мс2+Мдин1 = 16 -116,8 = - 100,8 Н·м. 3. Моменты двигателя на участках установившегося движения (t1 - tр) и (t2 - tт - t0 ) равны моментам нагрузки Мс1 и Мс2 соответственно. 4. Определим среднеквадратичный момент ЭП за цикл работы tц: ∑ ⋅= ц2 )(. ttMэМс ii = √((58,42·2+402·18+162·59+(-100,8)2·1)/82)= 27,5 Н·м. 5. Рассчитаем расчетную мощность электродвигателя: Ррасч = М с.э ωрасч = М с.э ωуст = 27,5·146 = 4015 Вт ≈4 кВт. Для рассматриваемой тахограммы движения ωрасч = ωуст , так как скорость ИО не регулируется. Далее по каталогу выбирается двигатель ближайшей большей мощности и скорости с учетом и других критериев выбора электродвигателей. Выбранный двигатель затем проверяется по перегрузочной способности. При выборе АД с к.з. ротором двигатель должен быть проверен также по пусковым условиям, для чего сопоставляется его пусковой момент Мп с момен- том нагрузки при пуске М1. Если выбранный двигатель удовлетворяет всем условиям проверки, то он принимается к применению в данном ЭП, а иначе выбирается другой двигатель (как правило, большей мощности) и проверка повторяется. Лекция 15. РАСЧЕТ НОМИНАЛЬНОЙ МОЩНОСТИ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ ПРИ ПОВТОРНО-КРАТКОВРЕМЕННОМ И КРАТКОВРЕМЕННОМ РЕЖИМАХ РАБОТЫ Для повторно-кратковременного режима работы выпускаются специальные серии электродвигателей. В каталогах на них указывается номинальная мощность Рн при нормативной (стандартной) продолжительности включения ПВн = 15, 25, 40, 60 и 100%. Длительность рабочего цикла tц для них не должна превышать 1ё0 мин, а иначе двигатель считается работающем в длительном режиме. Если при повторно-кратковременном режиме расчетная мощность Рэ и фак- тическая продолжительность включения ПВф равны (или очень близки к номи- нальным данным двигателя), то проверка его по нагреву не требуется, поскольку работа при таких параметрах нагрузочной диаграммы гарантируется заводом- изготовителем. Но когда ПВф заметно отличается от ПВн, проверка двигателя по нагреву необходима и проводится следующим образом: 1) по заданной нагрузочной диаграмме рассчитывают ПВф и эквивалентную мощность Рэ (по одному из методов эквивалентных величин); 115 2) приводят рассчитанную мощность Рэ к ближайшей нормативной величине ПВн по формуле )ПВПВ( нфээ PР =′ ; 3) по каталогу подбирают электродвигатель, номинальная мощность которо- го Рн ≥ , а номинальное значение угловой скорости ωн и исполнение соответст- вуют требуемым. Далее выбранный двигатель проверяют на перегрузочную спо- собность (и по пусковым условиям для АД), как и для двигателей при продолжи- тельном режиме работы с переменной нагрузкой. эР′ От электродвигателя, предназначенного для продолжительного режима ра- боты, но используемого для повторно-кратковременной нагрузки, требуется, что- бы он развивал необходимую наибольшую мощность при обработке детали и не перегревался свыше нормы при обработке любого числа деталей. Поэтому мощ- ность электродвигателя в данном случае рассчитывают по перегрузке и по нагре- ву, как и для продолжительного режима с переменной нагрузкой, при этом для расчета номинальной мощности двигателя по нагреву могут быть использованы методы эквивалентного тока, эквивалентного момента и средних потерь (метод эквивалентной мощности здесь не применим, так как в течение всего времени цикла не соблюдается пропорциональность между током электродвигателя и его мощностью). Для подъемно-транспортных механизмов следует выбирать специальные крановые электродвигатели, так как они предназначены для использования в тя- желых условиях работы (частые пуски, торможения, колебания нагрузки, превы- шающие номинальную) и имеют повышенные максимальный и пусковой момен- ты. Один и тот же электродвигатель для разных ПВ имеет различную номиналь- ную мощность: чем больше ПВ, тем меньше мощность. Пересчет номинальной мощности электродвигателя с одного значения ПВ на другое осуществляется на основе приближенного равенства 2 15Р ⋅ ПВ15 ≈ ⋅ ПВ25 ≈ ⋅ ПВ40 ≈ ⋅ ПВ60. 225Р 240Р 260Р Повторно-кратковременный режим характерен и для электроприводов метал- лорежущих станков, обрабатывающих однотипные детали, когда цикл содержит паузы, необходимые для смены заготовки и измерений детали. Мощность элек- тродвигателя при этом целесообразно определять по методу (формуле) средних потерь: ∆Рэ = ∑ ∆Аi / tц, (15.1) где ∆Аi – потери энергии на каждом значении нагрузки, включая процессы пуска и торможения. Когда электродвигатель не работает (t0 на рис. 15.1), условия его охлаждения значительно ухудшаются. Это обстоятельство учитывают введением эксперимен- тальных коэффициентов (β0 < 1) ухудшения охлаждения, умножая время t0 на β0. 116 Тогда в (15.1) знаменатель уменьшается, а эквивалентные потери и номинальная мощность электродвигателя увеличиваются. У АД защищенного исполнения с n0 = 1500 об/мин и Рн = 1...100 кВт коэффици- ент β0 = 0,5...0,2 (с увеличением Рн коэффициент β0 убывает), у АД с обдувом β0 = 0,45...0,3, у закрытых АД β0 = 0,98...0,93. Во время пуска и торможения средняя скорость вращения электродвигателя ниже номинальной, охлаждение двигателя ухудшается. Поэтому в формуле (15.1) ухудшение охлаждения учитывается путем умножения времени пуска tп и тормо- жения tт на коэффициент β1 = (1 + β0) / 2. Пример. АД краново-металлургической серии типа МТКВ 511-8 имеет ка- таложные данные: мощность Рн = 28 кВт при ПВн = 25 % и скорость nн = 700 об/мин. Оценить нагрев двигателя, если он будет периодически включаться на 3 мин и преодолевать при этом момент нагрузки Мс = 350 Н·м, после чего будет от- ключаться на 5 мин. Данный цикл работы относится к повторно- кратковременному режиму работы двигателя. Решение. 1. Определим номинальную угловую скорость и номинальный мо- мент при ПВн двигателя: ωн = π nн / 30 = 3,14·700 / 30 = 73,3 рад/с Мн = Рн / ωн =28 000 / 73,3 = 382 Н·м. 2. Найдем продолжительность включения двигателя в цикле ПВ1: ПВ1 = tр /(tр + t0)·100 % = 37,5 %. 3. Вычислим момент нагрузки при стандартном ПВн = 25 % : Мэ = Мс√(ПВ1/ПВн) = 350·√(37,5 / 25) = 429 Н·м. 4. Сопоставим приведенные к одной стандартной ПВн = 25 % моменты Мэ и Мн. Так как Мэ = 429 Н·м  382 Н·м = Мн, то двигатель при работе в таком цикле будет перегреваться сверх допустимого уровня. Задача. Для условий рассмотренного примера при тех же значениях паузы и момента нагрузки определить: 1) продолжительность включения двигателя в цик- ле ПВ1 и время работы двигателя tр, при которых перегрев двигателя не будет пре- восходить допустимого уровня. Расчет номинальной мощности электродвигателя при кратковременном режиме работы. Вспомогательные электроприводы станков (установочные пере- мещения суппортов, бабок, поперечин и др.) обычно работают в кратковременном режиме нагрузки. Продолжительность работы вспомогательных приводов обычно не превышает 5...15 с (1...1,5 мин у крупных станков). За это время при перегрузке в допустимых пределах электродвигатель не успевает нагреться даже до нормаль- ного перегрева. Номинальную мощность электродвигателя в кратковременном режиме работы определяют только по условиям перегрузки, а затем проверяют по 117 пусковому моменту. Мощность, расходуемая на преодоление сил трения при пе- ремещении горизонтально движущегося узла: Ртр= Fтр v ·10-3 = G μ v ·10-3 кВт , где Fтр – сила трения, Н; ν – скорость, м/с; G – сила тяжести (вес) перемещаемого узла, Н; μ – коэффициент трения движения. Мощность на валу электродвигателя Рн = Ртр / (λ ⋅ η) = Р1 / λ , где λ – коэффициент допустимой перегрузки; Р1 – потребляемая мощность. Приближенно можно считать, что характеристика АД в рабочей части пря- молинейна. Тогда угловая скорость электродвигателя при работе с перегрузкой ωλ = ω0 ⋅ (1 – λ ⋅ sн), где ω0 = π n0 / 30 – синхронная угловая скорость АД; sн – номинальное скольжение. Момент АД при перегрузке М = Р1 ⋅ 103 / (ω0 ⋅ (1 – λ ⋅ sн), Н·м. Момент сил сопротивления в начале пуска больше, чем во время его работы: Мсо = Р1 ⋅ 103 ⋅ μ0 / (ω0⋅ μ ⋅ (1 – λ ⋅ sн)) Н·м, где μ0 – коэффициент покоя. Выбор мощности АД сводится к следующему. Пользуясь формулой для Рн , по каталогу подбирают электродвигатель, затем вычисляют момент Мсо и сопоставля- ют его с пусковым моментом 0,92⋅Мп. Если выполняется условие 0,92⋅Мп > Мсо, выбранный электродвигатель пригоден. Рис. 15.1. Нагрузочный график P = f (t) Раздел 5. ЭЛЕКТРОБЕЗОПАСНОСТЬ Цель: изучить воздействие электрического тока на человека и основные мероприятия по повышению электробезопасности людей. 118 Лекция 16. ВОЗДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА НА ЧЕЛОВЕКА Техникой безопасности называется система организационных мероприятий и технических средств, предотвращающих воздействие на работающих опасных производственных факторов. Опасными производственными факторами являются такие факторы, которые приводят людей к травмам или внезапному резкому ухудшению здоровья. Таким образом, техника безопасности обеспечивает безо- пасность, сохранение здоровья и работоспособности людей в процессе их трудо- вой деятельности. Электробезопасность (или защита от поражения электрическим током) – это система организационных и технических мероприятий, технических спосо- бов и средств, обеспечивающих безопасные условия труда людей, работающих с технологическим оборудованием и ручным электроинструментом. В электроус- тановках опасным производственным фактором является электрический ток. Электрический ток в электроустановках представляет большую опасность для жизни и здоровья людей, так как его (в отличие от других опасностей) нельзя обнаружить дистанционно без соответствующих приборов. Электроустановкой называется совокупность аппаратов, машин, линий, вспомогательного оборудова- ния и помещений, предназначенных для производства, преобразования, распреде- ления, накопления и передачи электрической энергии (ЭЭ). Поражение человека электрическим током возможно при замыкании элек- трической цепи через его тело, что бывает при касании человека в электрической сети в двух точках: при касании непосредственно к двум фазам; при касании к одной фазе, стоя на земле или касаясь еще каких-либо заземленных конструкций; при контакте с нетоковедущими частями оборудования, случайно оказавшимися под напряжением из-за нарушения изоляции проводов электрооборудования. По- ражение человека электрическим током происходит главным образом из-за несо- блюдения правил техники безопасности (ПТБ), правил устройства и эксплуатации электроустановок (ПУЭ), прикосновения человека к токоведущим частям, нахо- дящимся под напряжением. Электрический ток, проходя через тело человека, может вызывать: • термическое действие – ожоги отдельных участков тела, нагрев кро- веносных сосудов и нервных волокон; • электролитическое действие – разложение крови т других органиче- ских жидкостей, нарушая их физико-химический состав; • биологическое действие – раздражение и возбуждение живых тканей организма, что может сопровождаться непроизвольным судорожным сокращени- ем мышц сердца и легких; в результате могут возникать различные нарушения в организме и даже полное прекращение деятельности органов дыхания и сердца. 119 Указанные действия электрического тока приводят к двум видам поражения организма человека: электрическим травмам и электрическим ударам. Электрические травмы (или электротравмы) – это явные или скрытые повреждения в человеке при попадании его под воздействие электрического тока (напряжения). К электротравмам относятся электрические знаки и ожоги. Электрический знак – это омертвленная кожа в виде мозоли, которая воз- никает на входе электрического тока в тело человека и на выходе из него. С тече- нием времени (иногда через годы) электрические знаки исчезают. Ожоги вызывает электрическая дуга, возникающая после прикосновения человека к токоведущим частям, находящимся под напряжением, при коротких замыканиях, а также сам электрический ток при непосредственном контакте тела человека с токоведущими частями электрооборудования. Электрический удар – это судорожное сокращение мышц различной степе- ни тяжести (потеря сознания, нарушение дыхания, работы сердца и даже его ос- тановка). Если в течение 5–6 мин удается восстановить деятельность сердца (ис- кусственное дыхание, непрямой массаж сердца), то можно рассчитывать на воз- вращение человека к жизни. Причинами смерти от воздействия электрического тока могут быть прекра- щение дыхания, а также остановка сердца или его фибрилляция – быстрые хао- тические и разновременные сокращения волокон (фибрилл) сердечной мышцы, при которых сердце перестает работать как насос, в результате чего в организме прекращается кровообращение. Прекращение дыхания вызывается воздействием электрического тока на мышцы грудной клетки, участвующим в процессе дыхания (возникает удушье по причине недостатка кислорода и избытка углекислоты в организме). Характер поражения электрическим током и его последствия определяются такими факторами, как род и величина тока (постоянный или переменный ток, а при переменном токе – и его частота), величина напряжения, путь и продолжи- тельность протекания тока через тело человека, состояние кожи в местах прикос- новения к металлическим частям, физическая и психическое состояние человека. Наиболее опасен переменный ток частотой 50…60 Гц. Наименее опасными считаются токи до 10 мА и постоянный до 20 мА, так как человек при этих значе- ниях тока может освободиться от токоведущих частей электрооборудования са- мостоятельно. Токи промышленной частоты и постоянные величиной 0,1 А и бо- лее считаются смертельными. При частоте переменного тока в десятки и сотни килогерц его поражающее действие снижается из-за явления поверхностного эф- фекта, но при очень высоких частотах могут быть ожоги из-за нагревания поверх- ности тела. Электрическое сопротивление тела человека состоит из сопротивления кожи и сопротивления внутренних тканей. Наибольшее сопротивление имеет верхний слой кожи (доли миллиметра). Сопротивление тела человека – величина нелиней- 120 ная, с увеличением прикладываемого напряжения от 10 до 140 В оно резко уменьшается – от 10 кОм до 800 Ом, соответственно увеличивается опасность по- ражения человека. Сопротивление тела человека уменьшается и с увеличением продолжительности воздействия на него тока, площади и плотности контакта с токоведущей частью, а также при неудовлетворительном физическом и психиче- ском состоянии человека. Особенно значительно сопротивление тела человека снижает наличие в нем алкоголя. В расчетах по электробезопасности за наимень- шее сопротивление тела человека принимают величину, равную 1000 Ом. Так как сопротивление тела человека зависит от большого числа факторов, то в технике безопасности объем и характер защитных мероприятий устанавли- вают по величине напряжения: переносный электроинструмент, освещение вы- полняют на 36 и 12 В, электросварку – на 65 В и др. Понятие безопасное напряжение (12, 36 В) является относительным. Быва- ли случаи со смертельным исходом при напряжении переменного тока 36, 24 и даже 12 В. Классификация помещений электроустановок по степени опасности по- ражения электрическим током. Все электроустановки подразделяют по напряже- нию на установки до 1000 и свыше 1000 В. Специальным видом электроустановки является электропомещение – помещение (или огороженные его части) с нахо- дящимся там электрооборудованием, к которому имеет доступ только обслужи- вающий персонал. Конкретные организационные и технические меры защиты зависят от класса помещения, напряжения и назначения электроустановки. Все помещения электроустановок по степени опасности поражения электри- ческим током делятся на 3 класса: 1) повышенной опасности – помещения, характеризующиеся наличием од- ного из следующих условий: – сырость (относительная влажность более 75 %); – токопроводящая пыль; – токопроводящие полы (металлические, кирпичные, земляные и т.д.); – высокая температура (выше +35 оС); – возможность одновременного прикосновения человека к металлическим частям, имеющим соединение с землей, и к металлическим корпусам электрообо- рудования, которые могут оказаться под напряжением при повреждении изоля- ции; 2) особо опасные – помещения, характеризующиеся наличием одного из следующих условий: – большая сырость (относительная влажность близка к 100 %); – химически активная или органическая среда; – два или более условий повышенной опасности (например, сырость и токо- проводящий пол); 121 3) без повышенной опасности – помещения, в которых отсутствуют усло- вия, которые создают повышенную или особую опасность (перечислены выше). Системы электропитания потребителей. Питание трехфазных электро- приемников может осуществляться по двум системам (рис.16.1): 1) с заземленной нейтралью и 2) с изолированной нейтралью. Чрезвычайно опасно для жизни человека прохождение тока 0,1 А в течение 0,2 с. Ток зависит от приложенного напряжения – напряжения прикосновения и сопро- тивления тела человека, определяемого в основном состоянием его кожи. Сухая ко- жа имеет большое сопротивление, а влажная очень низкое. При определении безо- пасного напряжения для человека, выполняющего тяжелую работу и находящегося в условиях влажной атмосферы, сопротивление его тела принимают равным 1000 Ом (R ч = 1000 Ом). При допустимом токе 30 мА допустимое напряжение прикосновения Uпр.доп= 0,03·1000 = 30 В. Поражение электрическим током происходит в основном в случае прикоснове- ния человека к одной фазе сети или к корпусу электрооборудования, соединившегося с фазой в результате повреждения изоляции. Если нейтраль системы питания заземлена (рис. 16.1, а), то прикоснувшийся к фазе человек оказывается под фазным напряжением, т.е. под напряжением 220 В (в сети с линейным напряжением 380 В). Это напряжение является очень опасным, так как по человеку проходит ток 0,22 А. Рис. 16.1. Цепь тока через человека при касании одной фазы: а – в сети с за- земленной нейтралью; б – в сети с изолированной нейтралью В системе с изолированной нейтралью (рис. 16.1, б) ток через человека будет зависеть не только от напряжения сети и сопротивления человека, но и от сопротив- ления изоляции двух других фаз относительно земли. В предельном случае, когда сопротивление изоляции одной из фаз равно нулю (короткое замыкание фазы на зем- лю), человек будет находиться под линейным напряжением сети. Но при достаточно высоком сопротивлении изоляции и малой емкости сети в случае касания одной фа- зы через человека будет проходить безопасный для него ток. Таким образом, если контролировать сопротивление изоляции фаз и автоматически отключать сеть 122 при снижении сопротивления изоляции ниже установленного допустимого значения, система с изолированной нейтралью получается более безопасной в отношении поражения электрическим током, чем система с заземленной нейтралью. В отношении пожаров и взрывов система с изолированной нейтралью при контроле сопротивления изоляции фаз также более безопасна, поскольку в сис- теме с заземленной нейтралью замыкание на землю представляет собой однофазное короткое замыкание, которое всегда сопровождается появлением открытого искре- ния. Поэтому, например в шахтах (по правилам ТБ), запрещено применять сети с глухозаземленной нейтралью трансформатора. Лекция 17. ОСНОВНЫЕ МЕРОПРИЯТИЯ ПО ПОВЫШЕНИЮ ЭЛЕКТРОБЕЗОПАСНОСТИ Способы и средства обеспечения электробезопасности. Электробезопас- ность людей обеспечивается конструкцией электроустановок, организационными и техническими мероприятиями, а также техническими способами, средствами и приспособлениями. Требования электробезопасности к конструкции электроустановок устанав- ливаются нормативными документами (стандартами, правилами, нормами). Организационные мероприятия включают в себя: требования к персоналу (возраст, медицинское освидетельствование, обучение, проверка знаний); назна- чение лиц, ответственных за организацию и производство работ; оформление на- ряда (распоряжения) на производство работ; организацию надзора во время про- изводства работ и др.). Технические мероприятия (со снятием напряжения) – это отключение уста- новки (или части ее) от источника; запирание приводов отключающих коммута- ционных аппаратов; снятие предохранителей; отсоединение концов питающих линий; установка знаков безопасности и ограждений) наложение заземления и др. Технические мероприятия при проведении работ под напряжением включают в себя применение изолирующих, ограждающих и вспомогательных защитных средств. Для электрозащиты при эксплуатации различного оборудования применяю ряд технических методов (способов), основными из которых являются: использо- вание малых напряжений; электрическое разделение сетей; защитные заземление и зануление; устройства защитного отключения (УЗО) и др. Для электропитания переносных установок и электроинструмента (электро- дрели, гайковерты, электрические паяльники и др.) допускаются следующие мак- симальные значения напряжения в зависимости от места работы: • 220 В (50 Гц) в помещениях без признаков повышенной и особой опасности поражения электрическим током; 123 • 42 В – в помещениях с повышенной опасностью поражения током и при работе в наружных условиях (допускается использовать инструмент до 220 В, но с обязательным применением основных и дополнительных защитных средств); • 42 В – в помещениях особо опасных с обязательным применением основных и дополнительных защитных изолирующих средств. Для питания переносных светильников допускается использовать 42 В - в помещениях с повышенной опасностью и 12 В – в особо опасных и неблагопри- ятных условиях. Защитные заземление и зануление. Основным мероприятием по повы- шению электробезопасности в электроустановках напряжением как до 1000 В, так и выше является защитное заземление – преднамеренное электрическое соеди- нение с заземляющим устройством металлических нетоковедущих частей элек- трооборудования, которые могут оказаться под напряжением. Основные элемен- ты заземляющего устройства: заземлитель (металлические проводники, имею- щие непосредственный контакт с землей) и заземляющие проводники, соединяющие заземляемые элементы электрооборудования с заземлителем. Основная задача защитного заземления – снизить до безопасной величины (не более 30 - 40 В) напряжение, возникающее на нетоковедущих металличе- ских частях электроустановок при пробое изоляции. В системе с глухозаземленной нейтралью (рис. 17.1) все металлические нето- коведущие части электроустановок соединяют электрически с заземленной нейтра- лью трансформатора через нулевой провод сети или через специальный зазем- ляющий проводник. Такая система называется защитным занулением. Здесь при пробое изоляции на корпус электроприемника возникает ток короткого замыка- ния Iк.з, что приводит к срабатыванию защитного аппарата и отключению повреж- денного участка. Рис. 17.1. Зануление корпуса электроприемника в сети с глухозаземленной нейтралью 124 Рис. 17.2. Заземление корпуса электроприемника в сети с изолированной нейтралью В установках с изолированной нейтралью (рис. 17.2) при пробое изоляции на корпус электродвигателя Д он окажется под напряжением, величина которого равна падению напряжения на сопротивлении заземления rз от протекающего че- рез него тока Iз. Этот ток определяется напряжением U2 и полным сопротивлени- ем изоляции проводов Zн. При нормальном сопротивлении изоляции ток Iз не- большой, напряжение на корпусе электродвигателя при пробое изоляции мало и прикосновение к нему человека малоопасно. Но допускать длительное замыкание на землю нельзя, так как напряжение исправных фаз по отношению к земле воз- растают до линейных, что способствует возникновению второго замыкания на землю в другой фазе. А двойное замыкание на землю создает большую опасность для человека. Простое заземление корпуса электроприемника без соединения с нейтралью правилами запрещается, так как такое защитное заземление не обеспечивает на- дежной защиты (при пробое изоляции ток Iк.з ограничивается сопротивлениями двух заземлителей – электроприемника rз и нейтрали r0 – и может оказаться не- достаточным для срабатывания защиты, а на корпусе поврежденного электропри- емника может быть опасное напряжение). Если одновременно соединить корпус электроприемника с нейтралью и за- землить его, то это не нарушит действия защиты и улучшит условия безопасности (при замыкании на корпус дополнительное заземление уменьшит напряжение на аварийном корпусе). Такое дополнительное заземление называется повторным за- землением нулевого провода. Правила предписывают устраивать повторные зазем- ления нулевого провода на воздушных линиях через каждые 250 м, а также на кон- цах линий и ответвлений длиной более 200 м. Более совершенной мерой защиты является защитное отключение, так как защитные заземление и зануление иногда не защищают человека от поражения электрическим током: в сетях с изолированной нейтралью однофазные замыкания 125 не отключаются при системе заземления, а в сетях с глухозаземленной нейтралью хотя и отключаются, но время их отключения может быть велико (десятки се- кунд) при малых токах короткого замыкания и завышенных токах плавной встав- ки предохранителей. Защитное отключение. Защитным отключением называется система за- щиты, которая обеспечивает безопасность путем быстродействующего отключе- ния аварийного участка или сети в целом при возникновении замыкания на кор- пус или непосредственно на землю с временем действия 0,1…0,2 с и ниже. Наи- более совершенные системы защитного отключения срабатывают также и при прикосновении человека к токоведущим частям, находящимся под напряжением. Области применения защитного отключения: − в передвижных электроустановках напряжением до 1000 В и в ручном электрофицированном инструменте; − дополнительно к защитному занулению для отключения электрообо- рудования, находящегося на больших расстояниях от пункта электроснабжения; − если невозможно выполнить необходимое заземление в скальных, многолетнемерзлых грунтах и т.п. Принцип выполнения защитного отключения зависит от типа входного сигна- ла, поступающего на датчик (реле максимального тока или реле напряжения – ос- новной элемент схемы). Замыкание фазы электрической сети на землю или сни- жение изоляции приводит к несимметрии трехфазных токов и напряжений, а на корпусе поврежденного элемента появляется напряжение относительно земли. Токи короткого замыкания, напряжения или их несимметрия действуют на соот- ветствующие датчики, которые отключают коммутационный аппарат в цепи пи- тания аварийного участка. Устройство защитного отключения (УЗО) является высокоэффективным электрозащитным средством. Обычно УЗО совмещают с автоматическими вы- ключателями (например УЗО на 220 и 380 В Гомельского завода «Электроаппара- тура», УЗО типа ВАД2 Московского концерна «Энергомер»). Для непрерывного контроля состояния изоляции в сетях до 1000 В можно использовать простые схемы, приведенные на рис. 17.3. В качестве индикаторов КИ можно применять высокоомные вольтметры, а лучше – электронные или газоразрядные лампы. Когда изоляция сети исправна, токи, протекающие через индикаторы КИ или через конденсатор К асимметра, равны друг другу, а их сум- ма в нулевой точке равна нулю. Поэтому индикаторы дают одинаковые показания (или лампы светятся одинаково ярко), а в схеме 17.3, б ток по обмотке реле Р бу- дет равен нулю. При пробое изоляции на землю соединенная с поврежденной фа- зой лампа гаснет (или вольтметр показывает нуль), а в схеме асимметра по обмот- ке реле Р потечет ток, реле сработает и своим размыкающим контактом подаст сигнал дежурному или команду на отключение поврежденного участка. Если со- 126 противление изоляции одной из фаз резко уменьшилось и ей угрожает пробой, то вольтметры в схеме рис. 17.3, а будут давать различные показания. Рис. 17.3. Схемы включения приборов контроля изоляции: а – схема включения ламп или вольтметров; б – схема включения асимметра Асимметры типа РА-74/2 (см. рис. 17.3, б) предназначены для защитного от- ключения в электроустановках напряжением 500 В при однофазных замыканиях на землю. В последние годы появились более совершенные приборы контроля изоляции и защитного отключения на основе вентильных схем. На рис. 17.4 приведена схема аппарата защитного отключения и контроля изоляции для сетей с изолированной нейтралью напряжением до 380 В типа HRP – Н51. Принцип действия схемы аналогичен работе асимметра (см. рис. 17.3, б). Реле Р включено в нулевую цепь выпрямительного моста на диодах Д1 – Д3. Сопротивления r1, r2, r3 служат для ограничения тока в случае пробоя одного из диодов или междуфазного короткого замыкания. Переменное сопротивление r5 предназначено для регулирования чувствительности по сопротивлению изоляции. В нормальных условиях через нулевую цепь протекает небольшой ток неба- ланса постоянного напряжения, недостаточный для срабатывания реле. При сни- жении сопротивления изоляции в фазах сети через обмотку реле будет протекать дополнительный выпрямленный ток, величина которого зависит от сопротивле- ний изоляции фаз и величины сопротивления r5. При определенной величине тока реле Р сработает и замкнет цепь отключения 1Р. Реле срабатывает и при прикос- новении человека к частям, находящимся под напряжением, так как происходит снижение изоляции фазы, к которой прикоснулся человек. Вторые контакты 2Р шунтируют сопротивление r5, что позволяет избежать подгорания контактов реле при неустойчивых замыканиях на землю. Проверка действия защиты производится кнопкой К. При срабатывании реле отключается вся сеть, питающаяся от трансформтора. Реле может также служить для контроля изоляции сети. 127 Рис. 17.4. Схема аппарата защитного отключения и контроля изоляции для сетей с изолированной нейтралью .Средства защиты работающих в электроустановках. Средствами за- щиты называются средства, использование которых предотвращает или умень- шает воздействие на работающих опасных или вредных производственных фак- торов. Электрозащитные средства предназначены для защиты людей от пораже- ния электрическим током, воздействия электрической дуги и электромагнитного поля. К электрозащитным средствам относят: – изолирующие штанги (оперативные, для наложения заземления, измери- тельные), изолирующие клещи, электроизмерительные указатели напряжения для фазировки; – изолирующие устройства и приспособления для ремонтных работ под на- пряжением свыше 1000 В и слесарно-монтажный инструмент с изолирующими рукоятками для работы в электроустановках напряжением до 1000 В; – диэлектрические перчатки, боты, галоши, коврики, изолирующие накладки и подставки; – индивидуальные изолирующие комплекты; – переносные заземления; – оградительные устройства и диэлектрические колпаки; – плакаты и знаки безопасности. Изолирующие штанги выполняют из прочного и высококачественного ди- электрика. Они состоят из изолированной части, ограничительного кольца и руч- ки. Изолирующие клещи состоят из двух частей, каждая из которых имеет изоли- рованную рабочую губку, ограничительное кольцо и ручку-захват. Токоизмерительные клещи представляют собой переносной трансформатор тока с разъемным сердечником, вторичной обмоткой и амперметром. 128 Указатель напряжения выше 1000 В – это изолирующая штанга с индикато- ром напряжения (неоновой лампой или светодиодом). Для напряжения до 500 В ис- пользуют указатели (токоискатели) типа ТИ-2, УНН-90 или МИН-1 с неоновой лампой в качестве индикатора. Резиновые диэлектрические перчатки, боты, галоши и коврики изготовляют из высококачественной технической резины. Изолирующая подставка – деревянный настил размером 0,5 × 0,5 м на опор- ных изоляторах. Используется для дополнительной изоляции при операциях с предохранителями, разъединителями и т.д. Изолирующие рукоятки слесарно-монтажного инструмента должны иметь ог- раничительный упор и гладкое изоляционное покрытие длиной не менее 10 см. При работах в электроустановках могут применяться также средства инди- видуальной защиты: очки, каски, противогазы, рукавицы, предохранительные пояса и страховочные канаты. Электрозащитные средства разделяют на основные и дополнительные. Основные – это электрозащитные средства, изоляция которых длительное время выдерживает рабочее напряжение электроустановок и которые позволяют прикасаться к токоведущим частям, находящимся под напряжением. Поэтому их изготавливают из материалов с устойчивой диэлектрической характеристикой (пластмасса, бакелит, фарфор, эбонит, гетинакс и т.п.). Дополнительными называются средства для защиты от напряжения при- косновения и напряжения шага, которые при данном напряжении сами не могут обеспечить защиту от поражения током, а применяются вместе с основными элек- трозащитными средствами. Классификация электрозащитных средств приведена в следующей таблице: Электрозащитные средства Вид электро- защитных средств Электрозащитные сред- ства, используемые при на- пряжении электроустановки до 1000 В Электрозащитные сред- ства, используемые при на- пряжении электроустановки свыше 1000 В Основные Изолирующие штанги, изолирующие и электроизме- рительные клещи, диэлектри- ческие перчатки, слесарно- монтажные инструмент с изо- лирующими рукоятками, ука- затели напряжения Изолирующие штанги, изолирующие и электроизме- рительные клещи, указатели напряжения и приспособления для ремонтных работ: изоли- рующие лестницы, площадки, тяги, канаты, корзины теле- скопических вышек и др. Дополни- тельные Диэлектрические гало- ши, диэлектрические коври- Диэлектрические пер- чатки, боты, коврики, инди- 129 ки, изолирующие подставки и накладки, переносные заземления видуальные экранирующие комплекты, изолирующие подставки и накладки, диэлек- трические колпаки, перенос- ные заземления, оградитель- ные устройства, плакаты и знаки безопасности В энергосистеме Беларуси используются новейшие электрозащитные сред- ства, обеспечивающие безопасность труда. С 1994 г. успешно эксплуатируется более 1000 бесконтактных светозвуковых указателей высокого напряжения с са- моконтролем на напряжение 6…400 кВ типа КД-400 (разработаны и изготовлены в Польше). Такой указатель имеет переключатель диапазонов напряжения (6…35, 110…220 и 400 кВ) и поэтому заменяет несколько указателей на разные классы напряжения, которые применялись раньше. Принцип работы основан на регист- рации электрического поля, усилении его за счет энергии встроенных аккумуля- торов и выдачи ярких световых сигналов (от светодиодов) и звукового сигнала. На электростанциях, трансформаторных подстанциях и преимущественно в распределительных электрических сетях (6…10 кВ) применяются комбинирован- ные указатели высокого напряжения типа УВНК-10Б (разработаны и изготовлены МО «Шанс», Минск), они используются отдельно и вместе с универсальной элек- троизолирующей штангой типа ШЭУ-10 и др. Работоспособность бесконтактной части таких указателей подтверждается возникновением звукового или светового сигнала (свечение от светодиода красного цвета). Проверка отсутствия напряже- ния на воздушных линиях электропередачи (ВЛ) (6…10 кВ или 35…110 кВ) кон- тактным способом с помощью указателя УВНК-10Б на штангах ШЭУ произво- дится непосредственно с земли или с телескопических вышек на всех проводах ВЛ с соблюдением безопасных расстояний для проводов этих линий, которые могут оказаться под напряжением. Вместо указателей УВНФ-10, УВНФ-10МК и других, не подлежащих вос- становлению, можно применить указатели для проверки совпадения фаз в элек- троустановках (6…10 кВ) типа УПСФ-10 (МО «Шанс»). Этот указатель при каса- нии разноименных фаз выдает световой сигнал красного цвета, который виден на расстоянии 7 м даже при ярком освещении. Кроме этого, в энергосистеме Беларуси применяются новые приборы для определения напряжения: − бесконтактный индикатор напряжения типа БИН-10 (ОАО «Белэнер- горемналадка»), используется оперативным и оперативно-ремонтным персона- лом; − универсальный контактный указатель напряжения типа УНУ-12-400 (Витебский опытно-экспериментальный завод концерна «Белэнерго»), применяет- 130 ся для проверки напряжения от 12 до 400 В переменного тока и в цепях постоян- ного тока с определением полярности; − бесконтактный прибор индикации опасного напряжения типа ПИОН (МО «Шанс»), который также можно использовать для определения места распо- ложения скрытой проводки, находящейся под напряжением; − электрический фонарь – бесконтактный сигнализатор наличия напря- жения типа «Шанс-Ф», совмещающий осветительный и звуковой приборы. Переносные заземления применяют для защиты от ошибочной подачи на- пряжения на отключенные для ремонтных работ части электроустановок и появ- ления на них наведенного напряжения. Л и т е р а т у р а 1. Фираго, Б.И. Учебно-методическое пособие к курсовому проектированию по теории электропривода. – Минск: БНТУ, 2005. 2. Фираго, Б.И. Расчеты по электроприводу производственных машин и меха- низмов. – Минск: Техноперспектива, 2012. 3.Чиликин, М.Г. Общий курс электропривода / М.Г. Чиликин, А.С. Сандлер. – М.: Энергоиздат, 1981. 4. Харизоменов, И.В. Электрооборудование и электроавтоматика металлоре- жущих станков / И.В. Харизоменов. – М.: Машиностроение, 1975. 5. Сандлер, А.С. Электропривод и автоматизация металлорежущих станков / А.С. Сандлер. – М.: Высшая школа, 1972. 6. Москаленко, В.В. Электрический привод. – М.: Высш. школа, 1991. 7. Фотиев, М.М. Электропривод и электрооборудование металлургических це- хов. – М.: Металлургия, 1990.