книги из ГПНТБ / Электрические подъемные установки учебное пособие для студентов горных вузов проф. В. Б. Уманский ; под редакцией Барамидзе К. М. 1960- 20 Мб

166 Подъемная машина с асинхронным подъемным двигателем

характеристика 1 на рис. 92. По мере перемещения рукоятки от

нулевого положения к крайнему одна за другой выключаются секции реостата. Сопротивление цепи ротора уменьшается, и мы переходим к все более и более пологим характеристикам 2, 3 и т. д. Каждому положению рукоятки управления соответствует определенное сопротивление цепи ротора и, следовательно, опре­ деленная характеристика. В крайнем положении рукоятки (в лю­ бом направлении от нулевого положения) ротор подъемного дви­

гателя замкнут накоротко, чему соответствует наиболее пологая

(автоматическая) характеристика.

Процесс пуска подъемной машины. Проследим процесс пуска подъемной машины. Пусть рис. 95 изображает заданную диаграмму скорости, а рис. 96 — расчетную диаграмму движущих сил. На этой же фигуре нанесена кривая статиче­ ского сопротивления машины.

В момент пуска машины машинист начинает передвигать ру­ коятку управления из нулевого положения в направлении, соот­ ветствующем нужному направлению движения. При первом по­ ложении рукоятки двигатель разовьет на окружности органа

навивки силу 0—1 (см. рис. 92) (скорость а=0). Эта сила меньше силы статического сопротивления F„, и поэтому машина не сдвинется с места. То же произойдет, когда машинист поста­

вит рукоятку в положение 2. В третьем положении рукоятки

двигатель будет развивать на окружности органа навивки силу

О — 3, несколько превышающую статическое сопротивление, и машина начнет двигаться, но с ничтожным ускорением, так как

ускорение определяется величиной разности между движущей силой и силой статического сопротивления

Наконец, когда машинист поставит рукоятку в четвертое по­

ложение, двигатель разовьет усилие Fa =0 — 4, соответствую­ щее расчетному пусковому усилию (F\ на рис. 96). Машина

Основные свойства установки с приводом от асинхронного двигателя 167

начнет двигаться с заданным ускорением. Скорость будет воз­

растать. Однако, по мере увеличения скорости, сила, развивае­

мая двигателем, будет, согласно характеристике 4, умень­ шаться. Соответственно будет уменьшаться и ускорение (фор­ мула А). Поэтому действительная кривая скорости окажется не прямолинейной, а такой, какая показана на рис? 97. Если бы машинист оставил рукоятку в четвертом положении, то дви­

жущее усилие уменьшалось бы до тех пор, пока не стало бы равным статическому сопротивлению. В этот момент ускорение

системы сделалось бы равным нулю, и машина стала бы дви-

легко найти как ординату точки М пересечения характеристики

4 с прямой, изображающей величину статического сопротивле­

ния.

Нормально машинист, как только движущее усилие упадет до некоторого предела, переводит рукоятку в следующее (пя­ тое) положение, и движущее усилие снова возрастет до значе­

ния F„ соответственно характеристике 5 и той скорости, кото­

рая имела место в момент перевода рукоятки в пятое поло­ жение. С увеличением движущей силы ускорение снова воз­ растет до начального значения. Скорость будет продолжать увеличиваться, а движущая сила уменьшаться в соответствии е характеристикой 5. Аналогично процесс будет повтрряться до тех пор, пока рукоятка управления не окажется в крайнем (девятом) положении (ротор замкнут накоротко). Теперь дви­ жущая сила будет уменьшаться до тех пор, пока она не станет равной статическому сопротивлению fCT (точка пересечения характеристики 9 с прямой FC1). В этот момент машина раз­ вивает максимальную скорость от1х. Весь этот процесс изобра­ жен на рис. 92 (жирный зигзаг), 98 и 99.

Практические диаграммы отличаются от расчетных тем, что у них ускорение и пусковое усилие не являются постоянными

величинами, а колеблются около расчетных значений.

168 Подъемная машина с асинхронным подъемным двигателем

Режим спуска груза. Так протекает процесс пуска машины при подъеме нормального груза. Рассмотрим теперь процесс пуска при спуске груза.

Под спуском груза мы подразумеваем такой режим работы подъемной машины, при котором опускающийся подъемный сосуд нагружен больше, чем поднимающийся. В этом случае разность моментов натяжения обеих ветвей каната направлена в сторону вращения органа навивки, и мы можем говорить об

отрицательном моменте сопротивления на валу органа на­ вивки. Соответственно отрицательна сила статического сопро­ тивления на окружности органа навивки. На рис. 100 вычер­ чена расчетная диаграмма движу­ щих сил для этого случая. (Си­ стема предположена статически уравновешенной).

■Теперь уже при первом положении рукоятки управления

машина придет в движение с заданным ускорением,

поскольку сила статического сопротивления F ст отрицательна,

ускорение определяется не разностью, а суммой абсолютных значений движущей силы и силы статического сопротивления. Если машинист оставит рукоятку управления в первом поло­

жении, то, по мере увеличения скорости движения, сила, разви­

ваемая двигателем на окружности органа навивки, будет непрерывно уменьшаться, согласно характеристике (см. пунктир на рис. 100), но это мало отразится на ускорении системы, так как последнее в основном определяется силой статического сопротивления, которая теперь (поскольку она отрицательна)

играет роль движущей силы.

Итак, скорость движения подъемной машины, а вместе с ней и скорость вращения подъемного двигателя будут возра­

Основные свойства установки с приводом, от асинхронного двигателя 169

стать, пока, наконец, последняя не достигнет синхронного зна­ чения. В этот момент (точка С на рис. 101) двигатель не раз­

вивает никакого момента вращения (силы на окружности

органа навивки), но под действием опускающегося груза ско­

рость продолжает увеличиваться.

Генераторное торможение. До сих пор ротор асин­ хронного двигателя по скорости вращения отставал от вращаю­

щегося поля. Направление вектора тока, индуктируемого в об­ мотках ротора, было таково, что его активная слагающая, вза­

имодействуя с вращающимся магнитным полем статора, созда­ вала определенный момент вращения двигателя (тем меньший, чем больше приближалась скорость к синхронной). Теперь ско­ рость вращения ротора оказывается выше скорости вращения магнитного поля, и перерезывание проводниками силовых ли­ ний происходит в обратном направлении. Поэтому вектор тока

меняет свое направление, причем активная его слагающая по­ ворачивается на 180°. Соответственно меняет направление на обратное и момент вращения двигателя. Если раньше он совпа­ дал с направлением движения, то теперь он направлен против движения, т. е. превратился в тормозящий момент. Но так как вектор приложенного напряжения не изменил своего направления, то изменяется знак мощности; если раньше двигатель потреблял энергию из сети, то теперь он отдает ее

в сеть. Двигатель превратился в электрический тормоз, если рассматривать его по отношению к подъемной системе, и в ге­ нератор, если рассматривать его по отношению к сети. Такой

режим работы подъемного двигателя называется генераторным,

торможением.

Продолжая характеристики асинхронного двигателя за ось ординат, мы можем проследить его работу при режиме генера­ торного торможения. Мы видим, что тормозящий момент дви­ гателя, или тормозное усилие, развиваемое двигателем на окружности органа навивки, возрастает с увеличением скорости движения.

Если бы машинист оставил рукоятку управления в первом положении и двигатель работал на характеристике 1, то после достижения синхронной скорости скорость движения системы продолжала бы возрастать; двигатель начал бы развивать все возрастающее тормозящее усилие, и ускорение стало бы умень­ шаться, так как в формуле (А) движущее усилие F теперь отрицательно (тормозное усилие) и оно должно вычитаться из

абсолютного значения статического усилия.

Когда скорость’’достигнет значения, соответствующего точ­

ке N пересечения характеристики 1 с прямой, изображающей разность статических натяжений обеих ветвей канатов FCT,

170 Подъемная машина с асинхронным подъемным двигателем

тогда тормозящее теперь усилие F, развиваемое двигателем, станет равным движущему усилию г1Т, создаваемому опу­ скающимся грузом. Ускорение окажется равным нулю, и си­ стема будет вращаться с постоянной скоростью. Однако из

рис. 101 видно, что если машинист оставит рукоятку управле­

ния в первом положении, то это явление будет иметь место лишь при скорости, на много превышающей нормальную ма­ ксимальную скорость. Совершенно очевидно, что такое превы­ шение нормальной скорости не может быть допущено. Но если машинист с момента пуска машины, по мере увеличения ско­ рости, будет постепенно перемещать рукоятку, с тем, чтобы

вмомент достижения синхронной скорости рукоятка оказалась

вкрайнем положении и ротор двигателя оказался замкнут на­ коротко (характеристика .9), то уже при скорости, превышаю­ щей на несколько процентов синхронную (точка К), двигатель разовьет тормозящее усилие, равное движущему усилию, раз­ виваемому системой, и дальнейшее приращение скорости пре­

кратится. Система будет двигаться с практически нормальной скоростью, отдавая в сеть энергию опускающегося груза (ре­

куперация энергии).

Сравнение генераторного торможения с ме­ ханическим. Итак, мы можем сделать вывод, что для того, чтобы при режимеспуска груза обеспечить систему от чрезмерных скоростей, необходимо ротор асинхронного подъ­ емного двигателя к моменту достижения синхронной скорости замкнуть накоротко. Другими словами, при спуске груза ма­ шинист обязательно должен перемещать рукоятку с таким рас­

чена возможность значительного превышения нормальной скорости.

Надо сказать, что выполнение указанного требования пред­ ставляет для машиниста большие психологические трудности.

В самом деле, уже при первом положении рукоятки, судя по тому, что машина приходит в движение с нормальным уско­ рением, машинист знает, что система сама, без помощи двига­ теля, за счет силы веса спускающегося груза, вращает машину.

Психологически трудно заставить машиниста в это время вести рукоятку в направлении получения полной скорости и убедить его, что этим самым он ограничит предельное значение воз­ можной скорости спуска груза.

Существует опасность, что недостаточно квалифицирован­ ный машинист, не доведя рукоятку управления до крайнего положения и испугавшись чрезмерно быстрого нарастания ско-

Основные свойства установки с приводом, от асинхронного двигателя 171

роста движения машины, потянет рукоятку к среднему поло­ жению. При нормальном подъеме это вызвало бы уменьшение скорости. При спуске же груза переход на более крутые харак­ теристики сопровождается резким увеличением устойчивой ско­ рости движения. Такая ошибка машиниста может привести к развитию чрезмерных скоростей и в конечном счете к аварии.

Спуск груза может быть произведен на механических тор­ мозах при отключенном двигателе. Однако длительное приме­ нение механического тормоза в продолжение всего времени спуска приводит к чрезмерному нагреванию тормозного шкива

и быстрому срабатыванию колодок. При механическом тормо­ жении трудно получить достаточно устойчивое значение скоро­

сти. При генераторном торможении тормозящая сила, разви­ ваемая двигателем, автоматически приспособляется к движу­ щей силе опускающегося груза. Если, например, в связи с неуравновешенностью системы (хвостового каната нет), про­ изойдет небольшое увеличение движущей силы (отрицательной силы статического сопротивления), то скорость будет увеличи­ ваться. Но при коротко замкнутом роторе (характеристика 9 на рис. 101) уже самого ничтожного увеличения скорости доста­ точно для того, чтобы Соответственно возросла развиваемая

двигателем тормозящая сила и снова наступило равновесие.

При механическом торможении такое саморегулирование

тормозящей силы не имеет места. Машинист, в случае нару­ шения соответствия между тормозящей и движущей силой и изменения скоростного режима, должен сам при помощи тор­

мозной рукоятки соответственно подрегулировать механический тормоз. Однако лишь при очень чувствительном тормозе, под­ дающемся тонкой регулировке, ему удастся получить необхо­ димое соответствие между тормозящей и движущей силой.

Практически некоторое несоответствие между ними всегда бу­

дет иметь место, и скорость будет меняться. То увеличивая, то уменьшая тормозное усилие, машинист сможет удерживать ко­

лебание скорости спуска груза в определенных пределах. Во всяком случае, очевидно, что с точки зрения устойчивости ско­

ние). При генераторном торможении энергия опускающегося груза превращается в электрическую энергию и рекупери­ руется в сеть. При механическом торможении эта энергия пре­

вращается в тепло и затрачивается на бесполезное и даже

вредное нагревание колодок тормозного шкива. Автоматический роторный короткозамыка-

тель. Все перечисленные преимущества генераторного тормо­

172 Подъемная машина с асинхронным подъемным двигателем

жения заставляют нас стремиться к его использованию. Но при этом необходимо исключить возможность получения недо­

пустимых скоростей даже при неправильном управлении ма­ шиной. Это может быть сделано при помощи автоматического короткозамыкателя. Схема такого короткозамыкателя пред­

ставлена на рис. 102. На валу подъемного двигателя смонти­

рован центробежный регулятор R. Как только скорость враще­ ния этого двигателя достигает синхронного значения, контакт а замыкается и катушки контакторов К\ и К2 начинают обте-

Рис. 102. Схема автоматического короткозамыка­ теля

каться током. При этом все три фазы ротора подъемного дви­ гателя замыкаются этими контакторами накоротко. Таким образом, независимо от положения рукоятки управления, как только скорость достигает синхронного значения, ротор замы­

кается накоротко, и дальнейшее возрастание скорости, благо­ даря пологости характеристики 9 (см. рис. 101), возможно лишь в пределах немногих процентов.

Автоматические короткозамыкатели в современных маши­

нах не применяются, так как в них контроль за значительным превышением скорости двигателя сверх синхронной осуществ­ ляется ограничителями скорости.

Область применения генераторного тормо­

жения. Рассматривая характеристики асинхронного двига­ теля (см. рис. 101) в области генераторного режима, мы заме­ чаем, что генераторное торможение может быть осуществлено исключительно при сверхсинхронных скоростях. Это значит, что мы можем использовать режим генераторного торможения только при спуске груза со скоростью, несколько превышаю­ щей (на несколько процентов) нормальную скорость при подъ­ еме груза.

не может быть осуществлен при генераторном торможении; также не может быть использовано генераторное торможение в период замедления. Поэтому при спуске груза с применением генераторного торможения в конце периода равномерного хода двигатель обычно отключается от сети и остановка машины ■обеспечивается включением механического рабочего тормоза.

РЕЖИМ ТОРМОЖЕНИЯ ПРОТИВОТОКОМ

Кроме генераторного торможения, имеется еще способ по­

лучения тормозного момента на валу асинхронного двига­ теля— это торможение противотоком.

Торможение противотоком характеризуется следующими особенностями: рукоятка управления переставляется в направ­

лении, противоположном тому, которое соответствует направле­ нию движения машины, и сохра­ няется в одном из Первых

поле вращается в направлении, противоположном направлению вращения ротора подъемного двигателя. В результате возникает момент вращения, направление которого совпадает с направле­ нием вращения поля и противоположно направлению вращения двигателя. Очевидно, что по отношению к системе это будет мо­ мент тормозящий.

Характеристики асинхронного двигателя

в области противотока. На рисунке, изображающем

.характеристики асинхронного двигателя (рис. 104), первый квадрант дает представление о свойствах привода во время

174 Подъемная машина с асинхронным подъемным двигателем

нормальной работы машины (подъем груза). Это область дви­ гательной работы двигателя. Второй квадрант — область гене­

раторного торможения. Четвертый квадрант — область тормо­ жения противотоком. Характеристики в этом квадранте полу­ чены путем продолжения характеристик первого квадранта

ниже оси абсцисс.

В четвертом квадранте по оси ординат отложена отрица­

тельная скорость вращения двигателя. Физический смысл этого понятия заключается в том, что двигатель вращается в направ­

лении, противоположном направлению вращения поля. По оси абсцисс отложено положительное значение момента вращения.

Это значит, что момент вращения по направлению совпадает с направлением вращения поля и, следовательно, противополо­ жен направлению вращения двигателя. Нам удобнее приписы­

вать действующей скорости всегда знак плюс. Тогда момент вращения или сила, развиваемая двигателем на окружности органа навивки, поскольку она направлена в сторону, проти­

воположную направлению движения, должна рассматриваться как отрицательная, Поэтому мы-будем в третьем квадранте по оси ординат откладывать (вниз) положительные значения

в область торможения противотоком попадают, в своей устой­

чивой части, только первые характеристики, отвечающие зна­ чительному сопротивлению цепи ротора. Поэтому при тормо­ жении противотоком рукоятка управления всегда должна на­ ходиться в одном из первых положений.

Процесс управления машиной при тор­ можении противотоком. Проследим процесс управ^

ления подъемной машиной при спуске груза с применением противотока. Пусть происходит спуск груза, причем усилие,

развиваемое этим грузом на окружности органа навивки,— F„. В момент пуска машины машинист ставит рукоятку управления в первое положение в направлении, соответствуюющем направлению движения машины (согласно схеме коор­ динации на рис. 94). Двигатель развивает при этом движущее усилие F = 0—1, которое совместно с силой, развиваемой опу­ скающимся грузом, обеспечивает необходимое ускорение си­ стемы

F + FCT

ЭД •

Затем машинист переводит рукоятку управления через нуль- в первое положение, но уже не соответствующее направлению движения (согласно схеме на рис. 103). Этим он изменяет на­

правление вращения поля на обратное. На рис. 104 это равно­ сильно перемещению рабочей точки, характеризующей режим работы, в четвертый квадрант. Теперь двигатель развивает на окружности органа навивки тормозящую силу. В зависимости от скорости, которая имела место в момент перевода рукоятки (перехода от двигательного режима к тормозному), тормозное усилие может оказаться меньше или больше силы, развивае­ мой опускающимся грузом. В первом случае система будет

продолжать двигаться с ускорением, определяющимся, однако,

теперь разностью

Скорость будет увеличиваться. Соответственно характери­ стике будет возрастать тормозящее усилие, развиваемое дви­

гателем. Когда скорость достигнет значения vs (в точке S), тормозящее усилие окажется равным усилию, развиваемому

опускающимся грузом, и дальнейшее приращение скорости не будет иметь места. Если бы в момент перехода на тормозной режим тормозящее усилие двигателя оказалось большим, чем , система стала бы двигаться с небольшим замедлением, определяемым тем же выражением (В). Скорость стала бы

уменьшаться, пока опять-таки не установилось равновесие

между движущей и тормозящей силой. Точно так же при вся­ ком изменении усилия, развиваемого опускающимся грузом, будет происходить изменение скорости и соответствующее из­ менение тормозящей силы до нового равновесия.

Сравнение генераторного торможения и тор­ можения противотоком. Таким образом, при торможе­

нии противотоком, как и при генераторном торможении, имеет место саморегулирование системы: автоматическое приспособле­

ние момента, развиваемого двигателем, к моменту, создаваемому

системой. Но если при генераторном торможении это саморегу­

лирование, благодаря пологости характеристики 9, было весьма чувствительно уже при ничтожном изменении скорости движения машины, то при торможении противотоком, при котором прихо­ дится пользоваться самыми крутыми характеристиками, устой­ чивое значение скорости меняется очень резко с изменением нагрузки машины. Это один из очень серьезных недостатков

рассматриваемого режима: ничтожное изменение нагрузки приводит к значительным изменениям скорости. В этом отно­ шении торможение противотоком занимает промежуточное по­ ложение между генераторным торможением, характеризую­

щимся идеальным саморегулированием, и механическим тор­ можением, при котором нет саморегулирования.