книги из ГПНТБ / Кудактин, А. В. Электрооборудование подъемно-транспортных машин учебник для учащихся механизаторской специальности мореходных училищ

Часть третья

ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ

ПОДЪЕМНО-ТРАНСПОРТНЫХ МАШИН

Глава XI

ЭЛЕМЕНТЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ КРАНОВ

§ 49. Требования к крановому электрооборудованию

В современной промышленности и на транспорте важная роль отводится погрузочно-разгрузочным машинам, среди которых одно из первых мест занимают электрические краны. Современный электрический кран является совершенной высоко­ производительной погрузочно-разгрузочной машиной, обладающей высокими маневренными качествами, постоянной готовностью к действию, высокой надежностью в работе.

Эффективность работы кранов во многом зависит от надеж­ ности и качества работы их электрооборудования. Хотя электриче­ ские краны могут иметь самое различное конструктивное испол­ нение, определяемое главным образом спецификой выполняемых краном функций, электрооборудование комплектуется в основном из стандартных типовых аппаратов и машин. На самых различных по назначению и исполнению кранах обычно устанавливаются ти­ повые защитные панели, панели управления, контроллеры, элект­ родвигатели, пусковые и регулировочные сопротивления, тормоз­ ные электромагниты, конечные выключатели и т. п. Стандартизация и унификация кранового электрооборудования позволяет зна­ чительно снизить его стоимость, облегчает ремонт и замену от­ дельных частей, упрощает обслуживание и уход за кранами, обес­ печивает высокую надежность действия отдельных машин и аппа­ ратов, а также всего оборудования в целом.

Современное крановое электрооборудование специально при­ способлено для работы в тяжелых условиях при большой частоте включений, высокой влажности воздуха, резких изменениях тем­ пературы, широком диапазоне нагрузок, наличии постоянных толч­ ков, сотрясений и вибрации. СоверпГенствование кранового элект­ рооборудования оказывает благотворное влияние на конструкцию самих крановых механизмов и способствует постоянному росту производительности труда при погрузочно-разгрузочных работах.

Кроме того, к электрооборудованию, установленному на пе­ редвижных перегрузочных машинах, предъявляются весьма жест­ кие требования в смысле безопасности обслуживания, простоты

190

эксплуатации и надежности в работе. Помимо этого, крановое электрооборудование должно обладать высокой механической прочностью и износоустойчивостью.

Для безопасности при работе кранового электрооборудования проводится целый комплекс мероприятий, оговоренных соответ­ ствующими правилами Госэнергонадзора, правилами и инструк­ циями по технической эксплуатации электрических установок1. В соответствии с указанными правилами, безопасность обслужи­ вания кранового электрооборудования обеспечивается использо­ ванием соответствующих изоляционных материалов, защитных и блокировочных устройств, автоматического торможения механиз­ мов, надежного заземления нетоковедущих металлических частей и целым рядом других мероприятий. В частности, механизмы подъема, передвижения и изменения Еылета должны обязательно снабжаться конечной защитой, ограничивающей ход механизмов в одну или обе стороны. Все крановые электроприводы должны иметь надежную максимальную защиту от коротких замыканий и перегрузок, причем эта защита должна обеспечиваться надеж­ ными электромагнитными токовыми реле с дублированием их плавкими предохранителями или автоматическими воздушными выключателями. Применять тепловые реле для защиты крановых электроприводов не разрешается, так как в условиях повторно­ кратковременных режимов работы тепловая защита может давать ложные отключения. Для крановых схем управления обязатель­ ной является нулевая защита, предохраняющая электродвигатели от самопроизвольного пуска при внезапной подаче напряжения после перерыва в электроснабжении, а также нулевая блокиров­ ка, предотвращающая неожиданное включение механизмов крана при включении схемы.

Для безопасности обслуживающего персонала на мостовых кранах должны устанавливаться специальные блокировочные вы­ ключатели, автоматически снимающие напряжение с контактных проводов при открывании люка или дверей кабины. Крановые механизмы должны снабжаться также автоматическими тормоза­ ми закрытого типа, действующими при прекращении питания.

Особые требования предъявляются к монтажу кранового элект­ рооборудования, от качества которого в немалой степени зависит безопасность обслуживания. В частности, рубильники, автомати­ ческие выключатели, защитные панели и панели управления ре­ комендуется устанавливать в закрытых шкафах. Монтаж проводов на кране следует производить бронированным кабелем или ис­ пользовать для прокладки основных цепей газовые трубы. Сечение проводов и кабелей должно быть не менее 2,5 мм2.

По правилам Госэнергонадзора рабочее напряжение сети, пи­ тающей кран, не должно превышать 500 В. В соответствии с этим,

1 «Правила технической эксплуатации электроустановок потребителей» и «Правила техники безопасности при эксплуатации электроустановок потреби­ телей». М., Атомиздат, 1970, 352 с.

191

крановое электрооборудование выпускается на напряжение 220, 380 и 500 В переменного и 220, 440 В постоянного тока, причем для цепей освещения и обогрева рекомендуется использовать понижен­ ное напряжение. Для этой цели на кранах переменного тока уста­ навливаются специальные понижающие трансформаторы.

Совершенствование систем управления крановыми электропри­ водами, максимальная автоматизация работы механизмов крана намного облегчают условия труда крановщиков. При автоматиче­ ском управлении пуском и торможением крановщик подает пер­ воначальный командный импульс в цепь управления, а в даль­ нейшем все свое внимание может сосредоточить на грузовой опе­ рации. Применение даже частичной автоматизации отдельных про­ цессов зачастую избавляет крановщика от тяжелых физических нагрузок, позволяет ему, не утомляясь, производительно работать в течение всего рабочего дня.

Разумеется, производительность крана зависит не только от совершенства системы управления электроприводом или от дейст­ вий того или иного крановщика. На производительность кранов влияет и целый ряд других факторов, среди которых надежность оборудования и высокие качества приводных электродвигателей занимают первое место. Совершенно очевидно, что в отношении надежности действия к крановому электрооборудованию должны предъявляться очень жесткие требования, так как выход из строя любого из элементов электрооборудования или частые поломки отдельных элементов неизбежно приводят к остановке крана, а это отражается на выполнении плана погрузочно-разгрузочных ра­ бот в порту (вызывает простой судов и вагонов, нарушает ритмич­ ную работу большого коллектива людей). Механическая и элект­ рическая прочность кранового электрооборудования должна обес­ печивать надежную безаварийную работу механизмов крана при любых метеорологических и температурных условиях, при нали­ чии влаги и пыли, сильных вибраций и сотрясений, широкого диа­ пазона нагрузок. Циклический характер работы кранов заставляет рассчитывать крановое электрооборудование на тяжелые повтор­ но-кратковременные режимы при числе включений, доходящем до 500—600 и более в час.

Производительность крановых механизмов в немалой степени зависит также от свойств и качеств приводных электродвигателей. Форма характеристик, регулировочные и перегрузочные способно­ сти крановых электродвигателей должны отвечать всем требова­ ниям, которые предъявляются к ним приводимыми механизмами. В частности, от электропривода механизма подъема требуется по­ лучение номинальной скорости при подъеме и спуске нормальных грузов и повышенных скоростей при перемещении легких грузов и пустого грузозахватного приспособления. При перегрузке гро­ моздких штучных грузов те же электроприводы должны при не­

его электроприводов быстрого разгона и торможения, минималь­

192

ных затрат времени на реверс, широкого диапазона скоростей при перегрузке разнообразных грузов.

Указанным требованиям лучше всего удовлетворяют электро­ приводы с мягкими естественными и жесткими искусственными характеристиками, имеющие повышенные пусковые моменты и по­ зволяющие при необходимости в широких пределах плавно регу­ лировать частоту вращения приводимого механизма.

§ 50. Крановые электродвигатели

Применяемые в настоящее время электродвигатели постоянного и переменного тока по своим электромеханическим ка­ чествам не могут полностью удовлетворять всем требованиям, ко­ торые предъявляются к ним крановыми механизмами. С точки зрения получения широкого диапазона скоростей при перегрузке различного рода грузов, наилучшим для привода крановых меха­ низмов является электродвигатель постоянного тока с последова­ тельным возбуждением, обладающий мягкой естественной харак­ теристикой, мягкими и жесткими искусственными характеристика­ ми и дающий возможность при соответствующих искусственных схемах (с шунтированием якоря) получить любую требуемую ско­ рость при работе как в двигательном, так и в тормозном режиме. По сравнению с другими видами электродвигателей электродвига­ тели постоянного тока с последовательным возбуждением при на­ именьшем росте тока обеспечивают наибольшую перегрузочную способность, что очень важно для механизмов передвижения и по­ ворота кранов особенно при пуске.

Обладая подходящими для крановых механизмов характери­ стиками, электродвигатели с последовательным возбуждением в то же время по весу, габаритам, стоимости и к. п. д. значительно уступают асинхронным электродвигателям.

Применение электродвигателей с последовательным возбужде­ нием дает наибольший эффект при установке их на механизмах подъема, которые примерно половину всего рабочего времени пе­ ремещают пустые грузозахватные приспособления, и в этом слу­ чае мягкие естественные характеристики электродвигателей яв­ ляются весьма желательными для получения скоростей, намного превышающих скорости при перегрузке грузов.

Установка же таких электродвигателей на механизмах пере­ движения и поворота больших преимуществ не приносит, так как крановая нагрузка (имеется в виду нагрузка, создаваемая переме­ щаемым грузом) весьма мало отражается на указанных механиз­ мах, которые практически работают с постоянной нагрузкой. П о­ ложительным является только то, что электродвигатели с последо­ вательным возбуждением, обладая повышенными пусковыми мо­ ментами, позволяют механизмам передвижения и поворота зна­ чительно быстрее развивать номинальную скорость при пусках и реверсах, чем при использовании электродвигателей других типов.

Если учесть, что в настоящее время почти повсеместно приме­ няется трехфазный переменный ток и что для питания электродви­ гателей постоянного тока приходится применять специальные пре­ образовательные или выпрямительные установки, становятся совершенно ясными те трудности, которые стоят на пути использо­ вания электродвигателей постоянного тока для привода крановых механизмов. Эти электродвигатели, хотя и создают определенные эксплуатационные преимущества для кранов, имеют повышенные массу, габариты, стоимость, более низкий к. п. д.; они требуют большего ухода и обслуживания, наличия специальной энергоуста­ новки. Поэтому применение электродвигателей постоянного тока оказывается выгодным лишь на кранах с особо тяжелыми усло­ виями работы (например, металлургических) или на некоторых ти­ пах автономных кранов, имеющих собственную электростанцию (например, самоходные плавучие краны).

Для привода механизмов большинства портальных, строитель­ ных и других кранов наибольшее распространение, как известно, получили асинхронные электродвигатели с фазным ротором, ко­ торые, хотя и имеют жесткие естественные характеристики, и в этом отношении уступают электродвигателям постоянного тока с последовательным возбуждением, при искусственных схемах вклю­ чения (двухдвигательный привод, схема однофазного включения и др.) позволяют получить характеристики, до некоторой степени приближающиеся к искусственным характеристикам электродвига­ телей постоянного тока.

Сравнительно редко для привода крановых механизмов исполь­ зуют электродвигатели постоянного тока с параллельным и сме­ шанным возбуждением, а также асинхронные электродвигатели с короткозамкнутым ротором. Их применяют обычно лишь для при­ вода лебедок небольшой грузоподъемности, тельферов, лифтов, различных вспомогательных механизмов (насосов, вентиляторов и т. п.).

Устройство и принцип действия электродвигателей постоянного и переменного тока были рассмотрены в предыдущих разделах. Здесь же будут рассмотрены только некоторые особенности кон­ струкции типовых крановых электродвигателей, работающих в условиях частых пусков и остановок, постоянного изменения направления вращения, действия электрического и механического торможения и т. п.

В процессе эксплуатации крановых механизмов их нагрузки могут изменяться в весьма широких пределах и в связи с этим крановые электродвигатели рассчитывают на значительно боль­ шую перегрузочную способность, чем электродвигатели общепро­ мышленного назначения. Если для последних отношение макси­ мального момента к номинальному обычно не превышает 1,8, то для крановых электродвигателей переменного тока это отношение лежит в пределах 2,3—2,8, а для крановых электродвигателей постоянного тока может достигать 3,3—3,5.

Цикличный характер работы кранов приводит к необходимости

194

использования крановых электродвигателей с повышенными пуско­ выми моментами, достаточными для обеспечения их разгона в ми­ нимально короткое время в условиях возможных перегрузок. Так, для асинхронных электродвигателей общепромышленного назна­ чения отношение пускового момента к номинальному не превыша­ ет, как правило, 0,9, а для крановых асинхронных электродвига­ телей это отношение равно 2,5—2,8. Обеспечение пуска, остановки и реверса крановых электродвигателей в минимально короткое время достигается не только за счет увеличения пусковых момен­ тов, но и путем уменьшения инерции вращающихся частей, в част­ ности, путем снижения махового момента якоря или ротора. С этой целью роторы крановых электродвигателей всегда имеют уменьшенный диаметр за счет увеличения их длины. Снижение маховых моментов вращающихся частей крановых электродвига­ телей позволяет не только снизить их механическую постоянную времени Гд, характеризующую способность электродвигателя раз­ гоняться в минимально короткое время, но и уменьшить пусковые потери и вызываемый ими нагрев электродвигателей, что имеет немаловажное значение для крановых электроприводов, постоян­ но работающих в напряженных режимах, характеризующихся ча­ стыми пусками и остановками.

ческая постоянная времени в зависимости от мощности составля­ ет 0,1—0,15 с. Это означает, что практически нагруженный меха­ низм подъема любого крана на переменном токе может быть ра­ зогнан в течение 2,5—3 с.

Для переработки легких грузов и перемещения пустых грузо­ захватных приспособлений с повышенными скоростями крановые электродвигатели должны быть рассчитаны на возможную рабо­ ту при скоростях, намного превышающих номинальную скорость. Так, механическая прочность асинхронного кранового электродви­ гателя должна обеспечивать нормальную его работу при скоростях, в 2,5 раза превышающих синхронную скорость.

Крановый же электродвигатель постоянного тока с последова­ тельным возбуждением должен выдерживать максимальную ско­ рость вращения, превышающую его номинальную скорость в 2 ,5 — 3,5 раза. Кроме этого, крановые электродвигатели по своей меха­ нической прочности должны выдерживать до 1500 включений в час при совместном действии механического и электрического тормо­ жения.

скают электродвигатели постоянного тока серии ДП, рассчитанные на номинальные напряжения 220 и 440 В, и асинхронные электро­ двигатели серий МТ (МТВ) и МТК (МТКВ), рассчитанные на но­ минальные напряжения 220, 380 и 500 В.

Асинхронные электродвигатели с короткозамкнутым ротором серии МТК применяют для привода конвейеров, тихоходных подъ­ емников, электроталей, кран-балок и тихоходных механизмов го­ ризонтального перемещения грузов на кранах. Асинхронные элек­ тродвигатели с фазным ротором серии МТ применяют для приво­ да быстроходных механизмов горизонтального и вертикального перемещения грузов на кранах, требующих широкой регулировки скорости.

Электродвигатели для подъемно-транспортных механизмов выпускаются на продолжительный, кратковременный и повторно­ кратковременный режимы работы.

Под п р о д о л ж и т е л ь н ы м (рис. 113, а) понимается режим, при котором электродвигатель успевает нагреться до установив­ шейся температуры. В таком режиме работают электродвигатели конвейеров, насосов, вентиляторов и др.

Под к р а т к о в р е м е н н ы м (рис. 113,6) понимается режим, при котором за время работы tv электродвигатель не успевает на­ греться до установившейся температуры туст, а за время паузы tu успевает охладиться до температуры окружающей среды. В крат­ ковременных режимах могут работать электродвигатели механиз­ мов передвижения некоторых перегрузочных кранов, затворов шлюзов, якорных устройств и т. п.

Под п о в т о р н о - к р а т к о в р е м е н н ы м (рис. 113, в) пони­ мается режим, при котором за время работы tv электродвигатель не успевает нагреться до установившейся температуры туСт, а за время паузы tn не успевает охладиться до температуры окружаю­ щей среды. При работе в указанном режиме средняя температура электродвигателя вначале увеличивается, а спустя некоторое вре­ мя после начала работы, колеблется между наибольшим и наи­ меньшим значениями, которые в дальнейшем остаются постоянны­

196

ми. В повторно-кратковременных режимах работают электродвига­ тели большинства кранов, экскаваторов, подъемников и других погрузочно-разгрузочных машин.

Кратковременный режим работы принято оценивать временем включения электродвигателя 7Р. Обычно в каталогах электриче­ ских машин номинальная мощность электродвигателей, предназ­ наченных для работы в кратковременном режиме, указывается для 15, 30 и 60-минутного режима. Очевидно, что один и тот же элект­ родвигатель, не перегреваясь при 15-минутном режиме работы, сможет развить большую мощность, чем, скажем, при 30 или 60-минутном кратковременном режиме.

Повторно-кратковременные режимы работы электродвигателей принято оценивать по продолжительности включения (Г1В), кото­ рая при заданной нагрузке и постоянном времени цикла опреде­ ляет наибольшее превышение температуры электродвигателя. Про­ должительность включения

мощность указывается обычно для значений ПВ, равных 15, 25, 40 и 60% при условии, что время полного цикла 7Ц не превышает 10 мин. Вполне понятно, что при П В — 15% один и тот же электро­ двигатель, не перегреваясь, развивает большую мощность, чем,

продолжительному режиму работы. Если для какого-либо значе­ ния ПВ неизвестна номинальная мощность электродвигателя, то перерасчет мощности с одного значения ПВ на другое может быть произведен по формуле

Р {\Г пв[ = Р2 У~пЩ. (ill)

Следует иметь в виду, что каждый из электродвигателей мо­ жет работать в любом из указанных выше режимов, развивая без перегрева различные мощности. Однако для более полного исполь­ зования электродвигателей и материалов, затрачиваемых на их изготовление, целесообразнее конструировать и применять для каждого из режимов специальные электродвигатели. В связи с этим крановые электродвигатели конструируются специально для работы в повторно-кратковременных режимах. Такие электродви­ гатели при работе в данном режиме с. номинальной мощностью полностью используются по нагреву и в то же время обладают до­ статочной перегрузочной способностью.

197

При выборе электродвигателей для тех или иных крановых ме­ ханизмов необходимо учитывать целый ряд обстоятельств, глав­ ные из которых: род тока и величина номинального напряжения^ номинальная мощность и скорость, естественная характеристика, пусковые и тормозные свойства, регулировочные качества, конст­ руктивное исполнение и охлаждение электродвигателей.

Особо важное внимание должно уделяться правильному выбо­ ру мощности электродвигателя. Если электродвигатель выбран за­ вышенной мощности, то это приводит к увеличению капитальных затрат и эксплуатационных расходов, недоиспользованию дефи­ цитных материалов, затрачиваемых на изготовление электродви­ гателей. У недогруженных электродвигателей в большинстве слу­ чаев снижается к. п. д. и коэффициент мощности.

Обычно_на практике нагрузка кранового электродвигателя, время работы и пауз, продолжительность включения чаще всего отличаются от значений, для которых в каталогах указываются номинальные мощности. Все это осложняет выбор мощности электродвигателя и приводит часто к ошибкам. Наиболее точно выбор мощности электродвигателя по нагреву может быть произ­ веден путем построения температурного графика и последующего сравнения наибольшей температуры электродвигателя с допусти­ мой. Однако такой метод требует сведений о постоянной времени нагрева электродвигателя и большого количества сложных вычис­ лений. В связи с этим разработаны более простые методы выбора мощности электродвигателей по нагреву, которые не требуют по­ строения температурных графиков. В частности, для выбора мощ­ ности электродвигателей, предназначенных для работы в повтор­ но-кратковременных режимах с переменными нагрузками. Исполь­ зуют методы средних потерь, эквивалентного тока, момента или мощности, которые достаточно подробно изложены в специальной литературе и здесь подробно не рассматриваются.

Выбор мощности электродвигателей, работающих при постоян­ ной нагрузке, обычно особых затруднений не вызывает, так как в этом случае по каталогу легко может быть выбран требуемый электродвигатель с соблюдением условия

Рн > Л

где Рп— номинальная мощность выбранного электродвигателя; Р — требуемая мощность.

Разумеется, в этом случае должны учитываться режим рабо­ ты электродвигателя, передаточное число, заданная скорость про­ изводственного механизма.

Если же в процессе работы электродвигателя нагрузка будет изменяться, то выбор его мощности значительно осложняется. В этом случае предварительно выбранный электродвигатель про­ веряют по одному из указанных выше методов. Предварительный выбор электродвигателя может быть произведен по нагрузочным диаграммам производственного механизма Mc= f ( t ) или Pc= f ( t) .

198

Если такие диаграммы имеются, то номинальный момент и мощ­ ность предварительно выбираемого электродвигателя могут быть легко подсчитаны по следующим выражениям:

противления и мощности в пределах рабочего цикла электродви­ гателя;

грузки и наличия периодов пуска и торможения. При наиболее на­ пряженных режимах работы выбирают большее значение коэф­ фициента.

Определив по нагрузочной диаграмме производственного ме­ ханизма значение

нетрудно по каталогу предварительно выбрать подходящий элект­ родвигатель с учетом условий:

После этого для выбранного электродвигателя определяют средние потери мощности за цикл и сравнивают их с номинальны­ ми потерями электродвигателя (метод средних потерь). Если

то выбор мощности можно считать законченным. Средние потери мощности можно вычислить при этом по выражению

Проверка предварительно выбранного электродвигателя может быть произведена также по эквивалентному току, эквивалентному моменту или эквивалентной мощности. Для этого по известным нагрузочным диаграммам приводимого механизма строят одну из нагрузочных диаграмм электродвигателя и определяют эквива­ лентный ток, момент или мощность по следующим выражениям:

199