книги из ГПНТБ / Кузнецов Б.В. Электрооборудование и электроснабжение торфопредприятий учеб. пособие

Глава 4

ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ И ВИДЫ СПЕЦИАЛЬНЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ

§ 4-1. Механические характеристики специальных электроприводо»

В некоторых случаях по соображениям конструктивного харак­ тера или с целью уменьшения момента инерции электропривода, а также по ряду других причин (повышение надежности работы привода, отсутствие электродвигателя требуемой мощности, полу­ чение специальных регулировочных характеристик) прибегают к электроприводам, состоящим обычно из двух электродвигателей, соединенных между собой механическим или электрическим спосо­ бом, — двухдвигательным электроприводом. Такие электроприводы находят применение в подъемно-транспортных установках (пор­ тальные и козловые краны), в механизмах металлургической про­

ния путепереукладчика на железнодорожном ходу ППР-2М). Совместная работа двух электродвигателей имеет два основ­

ных исполнения: жесткую механическую связь между электродви­ гателями, когда оба электродвигателя находятся на одном общем валу с рабочей машиной; электрическую связь, когда электродвига­ тели соединены по схеме электрического вала, при которой дости­ гается их синхронное вращение. Применяются две основные схемы электрического вала: схема синхронного вращения двух асинхрон­ ных электродвигателей с общим реостатом в роторной цепи и схе­ ма синхронного вращения электродвигателей с вспомогательными машинами.

Синхронное вращение электроприводов по схеме электрического вала применяется в металлорежущих станках, в разводных мос­ тах, в конвейерах и в других механизмах, где применение механиче­ ской связи между отдельными звеньями рабочей машины, располо­ женными на сравнительно большом расстоянии, приводит к очень сложным передачам и громоздким конструкциям.

§ 4-2. Двухдвигательный электропривод с жесткой механической связью

На рис. 4-1, а приведена схема двухдвигательного электропри­ вода с жесткой механической связью трехфазных асинхронных электродвигателей. Механические характеристики 1 и 2 отдельных

70

электродвигателей изображены на рис. 4-1,6. Общая механическая характеристика 3 представляет собой результат сложения харак­ теристик отдельных электродвигателей по оси моментов, так как при работе двух электродвигателей на одну механическую нагруз­ ку их общий момент равен сумме моментов обоих электродвигате-

На рис. 4-2 приведены механические характеристики двухдвигательнбго асинхронного электропривода. Характеристики соответ­ ствуют схеме, в которой первая машина работает электродвигате­ лем (кривая 1), а вторая — в режиме динамического торможения

(2). Результирующая характеристика (6) представляет собой ал­ гебраическую сумму характеристик 1 я 2.

71

Приводы с подобными характеристиками применяются в подъ­ емных и других установках. Вначале оба асинхронных электродви­ гателя работают в двигательном режиме, а перед остановкой в об­ мотку статора одного из электродвигателей подается постоянный ток, что приводит к резкому снижению скорости привода. Затем оба электродвигателя отключаются и останавливаются. Предвари­ тельное замедление позволяет получить остановку в заданной точке пути с гораздо большей точностью, чем при торможении с полной скоростью.

Приведенные способы получения ползучих скоростей очень неэкономичны, так как связаны с большими потерями энергии, а

Рис. 4-2. Механические характеристики двухдвигательного электропривода с двумя асинхронными электродвигателями, один из которых работает в двигательном, другой — в тор­ мозном режиме.

поэтому использование подобных режимов допустимо только на короткое время.

Двухдвигательный асинхронный электропривод позволяет осу-

. ществить регулирование скорости по схеме каскадного включения. Идея каскада двух асинхронных электродвигателей с фазными ро­ торами состоит в следующем.

При регулировании скорости вращения электродвигателя из­ менением сопротивления роторной цепи в ней теряется значитель­ ное количество энергии. Эту энергию можно использовать, если подвести ее электрически к другому электродвигателю, соединен­ ному механически с первым на общем валу.

Соответствующая схема приведена на рис. 4-3, а. Ротор элек­ тродвигателя 1 соединен механически и электрически с ротором электродвигателя 2. Для того чтобы моменты, создаваемые первым и вторым электродвигателем, складывались, необходимо осуще­ ствить перекрещивание проводов, соединяющих роторы 1 и 2.

При каскадном включении все происходит так, как если бы мы имели один электродвигатель с числом пар полюсов, равным сумме чисел пар полюсов первого электродвигателя (рі) и второ­ го электродвигателя (рг) •

72

Скорость каскада определяется формулой

2я/ сок = ------— .

Рі + Рч

Заставив электродвигатели сначала работать в параллельном (нормальном) соединении (рис. 4-3, а), а затем в каскаде (рис. 4-3, б), можно получить две скорости при р\ = Рч-

Рис. 4-3. Схемы включения двухдвигателы-гого электропривода с двумя асин­ хронными электродвигателями:

а — нормальная схема; б — схема каскада.

Подобная схема каскадного включения электродвигателей исполь­ зуется, например, в приводе передвижения путепереукладчика ППР-2М, применяемого в транспортных установках торфопредприятий.

§ 4-3. Система электрического вала с двумя асинхронными электродвигателями й общим реостатом в роторной цепи

На рис. 4-4 изображена схема электрического вала, выполнен­ ная при помощи общих сопротивлений в роторной цепи. При такой схеме в случае равенства нагрузок и скоростей обеих машин э. д. с. роторов 1 и 2 будут равны и направлены навстречу друг другу. Угол рассогласования роторов при этом равен нулю, а электриче­ ская энергия скольжения будет теряться в общем реостате. Если нагрузка одного из электродвигателей увеличится, его скорость на­ чнет снижаться, а э.д.с. ротора будет возрастать. В цепи роторов

73

появится уравнительный ток, который создаст добавочный электро­ магнитный момент. В соответствии с этим можно рассматривать момент, разиваемый каждым электродвигателем, как алгебраиче­ скую сумму рабочего и уравнительного моментов. Для более нагруженного электродвигателя добавочный момент вычитается из рабочего, для менее нагруженного — оба момента будут склады-

Рис. 4-4. Система элек­ трического вала с -общим реостатом в роторной цепи.

ваться. В результате скорость первого электродвигателя начнет воз­ растать, а второго — снижаться. Это вызовет выравнивание скорос­ тей, и оба электродвигателя будут продолжать вращаться синхронно.

Если полностью вывести реостат, уравнительный ток в цепи роторов протекать не будет, так как каждый ротор окажется замкнутым накоротко. Практика использования подобных схем электрического вала показывает, что для создания устойчивой ра­ боты электродвигателей скольжение при номинальном режиме должно составлять 30—40%^ Необходимость иметь такие скольже­ ния приводит к большим потерям энергии в реостате, что является существенным недостатком схемы.

§ 4-4. Система электрического вала с двумя асинхронными электродвигателями и вспомогательными асинхронными машинами

На рис. 4-5 приведена схема электрического вала, где 1Д п'2Д — рабочие электродвигатели, IBM и 2ВМ — вспомогательные или уравнительные машины.

При одинаковых скоростях рабочих электродвигателей ток в роторной цепи вспомогательных машин будет равен нулю (встреч­ ные э.д.с. равны друг другу). При увеличении нагрузки и соответ­ ственно снижении скорости на одном из электродвигателей равен­ ство э.д.с. нарушится, и в роторной цепи вспомогательных машин потечет уравнительный ток. Вспомогательные машины будут создавать свои моменты, которые приведут к выравниванию ско­ ростей рабочих электродвигателей.

74

Глава 5

ВЫБОР ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ МЕХАНИЗМОВ

§ 5-1. Общие сведения

Роль электродвигателя в электрификации рабочей машины все время расширяется: из простого источника движущей силы и под­ собного элемента он превращается в мощное средство усовершен­ ствования самой рабочей машины и технологического процесса. Так,' применение регулируемого электродвигателя позволяет упразд­ нить коробку передач; встроенный электродвигатель упрощает кон­ струкцию машины и т. п.

В настоящее время нельзя решать задачи по созданию рацио­ нальной конструкции машины, если одновременно не будет разра­ батываться электрическая часть машины, т. е. ее электропривод.

Правильно выбранный электродвигатель должен иметь необхо­ димую номинальную мощность и обеспечивать заданную произво­ дительность рабочей машины. Он должен быть также надежным,

Недостаточная мощность электродвигателя сковывает произво­ дительность рабочей машины и приводит к преждевременному вы­ ходу его из строя из-за возможных перегрузок. Излишняя мощ­ ность электродвигателя влечет за собой дополнительные капиталь­ ные вложения и увеличивает эксплуатационные расходы вслед­ ствие снижения 'К .П .Д . и коэффициента мощности ( у асинхронных электродвигателей) из-за его недогрузки.

Следующая существенная задача — выбор конструктивного типа электродвигателя. Выпускаемые промышленностью электро­ двигатели имеют различные конструктивные исполнения в зависи­ мости от условий среды, в которой они должны работать, способа сопряжения с механизмом, способа вентиляции.

По способу защиты электрических машин от воздействия окру­

76

от попадания внутрь посторонних предметов, капель воды, падаю­ щих отвесно, или брызг;

закрытые электродвигатели, подразделяющиеся на обдувае­ мые, _продуваемые и герметические. В обдуваемых электродвига­ телях охлаждающий воздух засасывается вентилятором, установ­ ленным на валу этой же машины, и прогоняется через ребристый корпус машины. У продуваемых машин охлаждающий воздух под­ водится через трубы от отдельного вентилятора;

взрывозащищенные электродвигатели, предназначенные для работы во взрывоопасных помещениях.

По способу сопряжения о механизмом (по роду монтажа) электродвигатели имеют исполнения: горизонтальное на лапах, вер­ тикальное, фланцевое, встроенное.

По способам вентиляции различают машины с естественным охлаждением, с самоеентиляцией (внутренняя и наружная) и с посторонней, или независимой, вентиляцией.

Выбор электродвигателей производится также по роду тока

и напряжению. Для нерегулируемых приводов или регулируемых

внебольших пределах широко применяются электродвигатели пе­ ременного тока. Для получения повышенных регулировочных

свойств, а также специальных пусковых и тормозных характери­ стик применяют электродвигатели постоянного тока.

§ 5-2. Нагрев и охлаждение электродвигателей

Процесс преобразования энергии в электродвигателе сопро­ вождается потерями, которые превращаются в тепло. При работе электродвигателя происходит нагревание его частей. Особенно чув­ ствительна к повышению температуры изоляция обмоток машин. Срок службы изоляции в значительной мере определяет срок службы самой машины. Поэтому наибольшая допустимая темпе­ ратура электродвигателя определяется, главным образом, изоля­ ционными материалами, применяемыми при изготовлении об­

моток.

ГОСТ 8865—58 делит изоляционные материалы по степени на­ гревостойкости на семь классов. Наиболее распространенными из них для электродвигателей являются У, А, Е, В, где Y — материа­ лы из хлопчатобумажной пряжи и ткани, из бумаги и волокнистых веществ (целлюлозы и шелка), не пропитанные жидким диэлек­ триком; А •— те же материалы, но припитанные; Е — некоторые синтетические органические пленки; В — материалы из слюды, асбеста и стекловолокна, содержащие органические связующие ве­ щества. Наибольшая допустимая температура нагрева для изоля­ ции класса У—90°; А—105°; Е—120°; В—130°. Срок службы изоля­ ции при указанных предельных температурах составляет примерно

15—20 лет.

Мощность электродвигателя, указанная на щитке машины или в каталоге, согласно стандарту, относится к температуре окру­ жающей среды +40°С. При меньшей температуре допустимая

77

длительная нагрузка может быть несколько выше номинальной, а при температуре, большей 40°С, допустимая нагрузка должна быть меньше номинальной.

При изучении тепловых процессов в электродвигателе в целях упрощения задачи принимают следующее допущение: электродви­ гатель рассматривается как однородное твердое тело, все точки которого имеют одинаковую температуру и поверхность которого способна равномерно рассеивать тепло.

В начальный период работы электродвигателя с неизменной нагрузкой выделяемое в нем тепло идет на нагревание его частей. Температура электродвигателя при этом быстро повышается. Когда температура превысит температуру окружающей среды, начнется отдача тепла в окружающую среду; теплоотдача будет тем боль­ ше, чем больше разность температур поверхности электродвигателя и среды. По истечении определенного времени температура элек­ тродвигателя, постепенно повышаясь, достигнет такой величины, при которой все выделяющееся тепло будет отдаваться в окру­ жающую среду. Тогда дальнейший рост температуры электродвига­ теля прекратится: наступит установившееся тепловое равновесие.

Уравнение теплового баланса электродвигателя при постоян­ ной неизменной нагрузке выразится следующим равенством:

где Q — количество тепла, выделяемое в электродвигателе в еди­ ницу времени, Дж/сек;

С— теплоемкость электродвигателя, т. е. количество тепла, необходимое для повышения температуры электродвига­ теля на один градус Дж/°С;

г— йревышение температуры электродвигателя над темпе­ ратурой окружающей среды (температура перегрева), °С;

А— теплоотдача электродвигателя, т. е. количество тепла, от­

78

Постоянную Т= —— можно представить как время, в течение «гі

которого электродвигатель нагрелся бы до установившейся темпе­ ратуры ту, если бы не было отдачи тепла в окружающую среду.

Если в начальный момент включения электродвигатель и^іел температуру окружающей среды (т. е. электродвигатель находится в так называемом холодном состоянии), то т0 = 0 и уравнение (5-2) принимает вид:

личина Ту является асимптотой этой кривой. Согласно (5-3), ве­ личина т теоретически может быть достигнута ту при ?=оо. Прак­

нагревания и охлаждения электродвигателя зависят практически от двух величин: ту и Т. Величина ту прямо пропорциональна количеству тепла, выделяемого в электродвигателе и определяемого в основном потерями в обмотках машины, и обратно пропорцио­ нальна коэффициенту теплоотдачи, который в значительной степени зависит от вентиляции машины: чем лучше вентиляция, тем меньше Ту. Величина Т зависит от размеров электродвигателя и его кон-

79