книги из ГПНТБ / Электрические подъемные установки учебное пособие для студентов горных вузов проф. В. Б. Уманский ; под редакцией Барамидзе К. М. 1960- 20 Мб
.pdfГлаваУШ
ПОДЪЕМНАЯ МАШИНА СИСТЕМЫ ГЕНЕРАТОР—ДВИГАТЕЛЬ (Г-Д) *
ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА СИСТЕМЫ Г-Д
Возможные способы регулирования шунто
вого двигателя постоянного тока. Число оборотов двигателя постоянного тока может быть выражено формулой
где Е— приложенное напряжение;
I — сила тока в цепи якоря, приблизительно пропорцио нальная (при постоянном возбуждении) моменту вра щения двигателя;
У? — сопротивление цепи якоря; ф—величина магнитного потока возбуждения;
С — постоянная
Из этой формулы видно, что регулировать число оборотов; шунтового двигателя постоянного тока можно тремя спосо бами: 1) изменением потока возбуждения путем регулирова ния силы тока в цепи возбуждения; 2) изменением сопротивле ния в цепи якоря; 3) изменением подводимого напряжения.
Первый способ не нашел применения в подъемных установ ках из-за недостаточных пределов регулирования (около ЗО°/о). Этим способом нельзя довести число оборотов до нуля и, сле довательно, им нельзя пользоваться при пуске и остановкеподъема.
Второй способ, совершенно аналогичный способу регулиро вания асинхронного двигателя при помощи реостата, мог бы применяться для регулирования подъемных машин. Нормаль ная характеристика шунтового двигателя представлена на рис. 124 (верхняя кривая).
Некоторое падение числа оборотов с увеличением нагрузки
вызывается в основном падением напряжения в якоре IR.0 и
отчасти реакцией якоря. При введении дополнительного сопро тивления в цепь якоря ( увеличении R) падение напряжения
* Эта система изобретена инженером Леонардо в 1892 г.
Основные свойства системы Г—Д |
207 |
в ней начинает играть значительно большую роль, и Характе ристика двигателя становится круче. Соответственным подбо ром сопротивления можно получить любой наклон характе ристики к оси абсцисс.
Все, что было сказано о регулировании асинхронного дви гателя, о способах его электрического торможения (генератор
ном и противотоком), целиком относится и к шунтовому дви
гателю постоянного тока, ре
гулируемому реостатом в цепи
якоря. Этому способу регу лирования свойственны также все те недостатки, которые
Рис. 124. Характеристика шун |
Рис. 125. Принципиальная схе |
тового двигателя постоянного |
ма системыТ—Д |
тока |
|
были отмечены при описании свойств асинхронного двигателям потеря энергии в реостате, зависимость числа оборотов от на грузки при включенном реостате, сложность регулирования.
Третий способ регулирования нашел свое законченное
оформление в системе Г—Д.
Принципиальная схема и принцип работы системы Г—Д. Принципиальная схема приведена на рис. 125.
Приводной двигатель Д (это обычно асинхронный или синхрон ный двигатель переменного тока) получает питание от сети. Он вращает генератор постоянного тока (управляющая динамо) УД и динамо возбуждения В. Подъемный двигатель ПД полу чает энергию от управляющей динамо, с которой он имеет общую якорную цепь. Динамо возбуждения В питает обмотки возбуждения как подъемного двигателя, так и управляющей динамо.
Регулирование скорости вращения подъемного двигателя производится путем изменения электродвижущей силы управ ляющей динамо. Последнее производится с помощью реостата, включенного в цепь возбуждения динамо. Изменение направ ления вращения подъемного двигателя (реверсирование) произ водится путем изменения полярности управляющей динамо. Это-
208 Подъемная машина системы генератор — двигатель (Г—Д)
достигается переменой направления тока в обмотке возбужде ния динамо. Реверсер и реостат скомбинированы в общий аппа рат управления АУ, соединенный при помощи тяг с рукояткой управления.
При среднем положении этой рукоятки цепь возбуждения динамо обесточена. Электродвижущая сила динамо равна нулю.
При перемещении рукоятки в одном направлении обмотка воз буждения обтекается током в определенном направлении; в
соответствующем направлении вращается подъемный двигатель. Чем дальше передвинута рукоятка из среднего положения, тем меньше сопротивление в цепи возбуждения динамо, тем больше
ее э. д. с., тем больше скорость вращения подъемного дви гателя.
При перемещении рукоятки из среднего положения в проти
воположном направлении происходят те же явления, но теперь направление тока в обмотке возбуждения динамо обратное, и подъемный двигатель вращается в противоположном направле
нии.
Характеристика системы Г—Д. Мы можем пере писать формулу (А), выражающую скорость вращения подъем ного двигателя, в таком виде:
£R т
п~' сф ’ "сф
Под величиной Е будем подразумевать теперь электродви жущую силу управляющей динамо, а под R — общее сопротив ление цепи якорей динамо и двигателя. Сила тока в цепи яко рей I пропорциональна моменту вращения, развиваемому подъ емным двигателем (возбуждение подъемного мотора постоян но). Таким образом, первый член этого выражения является функцией положения рукоятки управления, второй — функцией нагрузки машины.
Характеристика системы Г—Д, при крайнем положении рукоятки (сила тока возбуждения динамо — максимальная),
приведена на рис. 126. Здесь по оси ординат отложена скорость вращения подъемного двигателя или линейная скорость движе
ния подъемного сосуда (имеется в виду постоянный радиус на
вивки), по оси абсцисс — момент вращения подъемного двига теля или сила, развиваемая этим двигателем на окружности органа навивки.
С увеличением нагрузки машины скорость движения не сколько понижается. При нормальной нагрузке второй член выражения (Б) составляет обычно менее 5 % от первого члена. Этим определяется наклон характеристики. Она очень полога — близка к прямой, параллельной оси абсцисс. Здесь мы имеем
Основные свойства системы Г—Д |
209 |
полную аналогию с характеристикой асинхронного двигателя при замкнутом накоротко роторе (в устойчивой ее части).
В зависимости от положения рукоятки управления первый
член выражения (Б) изменяется от нуля (среднее положение рукоятки) до максимума (крайнее положение рукоятки); вто рой же член этого выражения сохраняет свое прежнее значение,
зависящее исключительно от нагрузки. Легко сообразить, что при перемещении рукоятки управления характеристика системы Г—Д будет перемещаться параллельно самой себе, сохраняя
Рис. 126. Характеристика системы |
Рис. |
127. Характеристика |
Г—Д при крайнем положении ру |
системы Г—Д в зависимо |
|
коятки управления |
сти от |
положения рукоятки |
управления
Напомним, что характеристики асинхронного двигателя при перемещении рукоятки управления изображаются пучком кри вых (близких к прямым), сходящихся в одной точке на оси орди нат (см. рис. 92). Характеристики же системы Г—Д при пере мещении рукоятки управления изобразятся серией параллель
ных друг другу прямых, слегка наклонных к оси абсцисс (рис. 127). Это различие в характеристиках обеих систем обуслов ливает и различие в их свойствах.
При асинхронном подъемном двигателе только при крайнем
положении рукоятки управления (максимальная скорость) на грузка машины практически не оказывает влияния на скорость
движения. При всех же других положениях рукоятки (крутые характеристики) скорость является функцией как положения рукоятки, так и нагрузки машины.
При системе же Г—Д, при любом положении рукоятки,
характеристика полога. Поэтому в этом случае, при любом поло жении рукоятки (при любой скорости), скорость движения практически не зависит от нагрузки и определяется исключи тельно (однозначно) положением рукоятки управления. Это
14 В. Б. Уманский
210 Подъемная машина системы генератор—двигатель (Г—Д)
обстоятельство чрезвычайно упрощает управление маши ной.
Машинист в процессе регулирования может совершенно не интересоваться режимом нагрузки машины. Его задача переме щать рукоятку управления соответственно заданному скоростному режиму. Скорость движения машины будет неуклонно сле довать за положением рукоятки, автоматически будет устанав
|
,п(ч) |
|
ливаться момент вращения, соот |
|
|
ветствующий нагрузке и скорост |
|
|
у. |
|
|
—— — —+*1-’» |
- — |
ному режиму. |
|
IIквадрант |
Iквадрант |
Генераторное тормо |
|
Генераторный Двигательный |
жение при системе Г—Д. |
||
режим |
|
■ режим |
Продолжив характеристики си |
|
|
|
стемы за ось ординат, мы получим |
-M(F) |
'\Efcm ( |
м(П |
представление о характере рабо |
ты машины при генераторном ре
Рис. 128. Продолжение характе ристики системы Г—Д в область генераторного торможения
жиме (рис. 128).
Если к валу подъемного дви гателя приложен отрицательный
момент (например, при спуске груза), то скорость двигателя под действием этого момента будет возрастать. Соответственно будет увеличиваться электродвижущая сила, индуктируемая в якоре подъемного двигателя. При определенном значении ско рости (точка пересечения характеристики, соответствующей данному положению рукоятки управления, с осью ординат) электродвижущая сила подъемного двигателя равна электро движущей силе динамо.
Ток в цепи якорей обеих машин, обусловливающийся разно
стью между электродвижущими силами динамо и двигателя
I— Ел — Ем (Q
при этой скорости равен нулю (£д=£'м).
Соответственно и момент вращения, развиваемый подъемным двигателем, равен нулю.
С дальнейшим возрастанием скорости электродвижущая сила подъемного двигателя продолжает возрастать. Теперь она становится больше э. д. с. динамо (Е^<^ЕМ), и направление тока в цепи якорей обоих машин (формула (С), меняется на обратное. Так как направление магнитного потока в обеих машинах оста лось прежнее, то и направление ими развиваемых моментов вра
щения изменилось на обратное. Момент, развиваемый подъем
ным двигателем, направлен теперь против направления его вра щения, т. е. является тормозящим. Двигатель превращается в
Основные |
свойства системы Г—Д |
211 |
генератор, вращаемый |
подъемной системой |
(опускающимся |
грузом). Наоборот, управляющая динамо получает теперь энер гию от подъемного двигателя, превратившегося в-генератор, и развивает момент вращения, совпадающий с направлением ее вращения. Если приводной двигатель асинхронный, то под дей ствием этого момента вал умформера будет ускоряться до тех пор, пока асинхронный двигатель, перейдя на генераторный
режим, не разовьет на своем валу тормозящий момент, равный моменту управляющей динамо. При этом приводной двигатель,
превратившийся теперь в генератор, |
отдает в сеть энергию |
||
(рекуперация энергии). Если при |
|
||
водной |
двигатель |
синхронный, |
n(v) |
явление |
происходит |
совершенно |
|
аналогично, с той лишь разницей,
что в этом случае скорость вра
щения вала умформера не изме няется. Итак, мы видим, что при отрицательном моменте на валу подъемного двигателя (спуск гру за) все три машины, образующие агрегат Г—Д, меняют свои функ ции. Энергия опускающегося груза трансформируется сначала
Рис. 129. Характеристики системы Г—Д при различных положениях рукоятки управления в двух квад рантах
в электрическую энергию постоянного тока, а затем, при помощи
умформера, в энергию переменного тока частоты и напряжения сети, в которой она полезно используется (за вычетом потерь в агрегате).
Установившаяся скорость движения подъемной машины при спуске груза будет та, при которой тормозящий момент, раз виваемый подъемным двигателем, будет равен моменту враще ния, развиваемому опускающимся грузом (точка Т на рис. 128).
При асинхронном двигателе все характеристики сходились пучком в одной точке (синхронная скорость, нагрузка равна нулю), и в области генераторного торможения все эти харак теристики давали устойчивые значения скоростей, превышающие синхронную. Поэтому мы допускали генераторный режим асин хронного двигателя только при короткозамкнутом роторе (самая пологая характеристика, исключающая возможность получения скоростей, значительно превышающих синхронную) и отводили генераторному режиму ограниченную область применения (спуск груза с максимальной скоростью).
Наоборот, при системе Г—Д все характеристики в области
генераторного режима (второй квадрант), как и в области дви гательного режима (первый квадрант), идут полого и парал
лельно друг другу (рис. 129). Это значит, что в зависимости от
14*
212 Подъемная машина системы генератор—двигатель (Г—Д)
положения рукоятки управления мы можем получить любую скорость при генераторном режиме, причем движение машины
со скоростью, превышающей максимальную, ни при каком поло жении рукоятки управления не может иметь места.
Таким . образом, спуск груза при системе Г—Д возможен
при генераторном торможении не только с максимальной ско ростью, но и с любой меньшей скоростью, причем благодаря
пологости характеристик системы Г—Д, при одном и том же положении рукоятки управления, скорость, в случае режима спуска груза, лишь ничтожно будет превышать скорость, имею щую место при режиме подъема груза.
УПРАВЛЕНИЕ МАШИНОЙ. АВТОМАТИЗАЦИЯ
Управление подъемной машинойсистемы Г—Д. Теперь мы можем расширить сделанное ранее заключение об однозначной зависимости между скоростью движения и положе нием рукоятки управления и отметить, что скорость движения машины практически не зависит не только от ее нагрузки, но и от направления движения груза и целиком и полностью опреде ляется положением рукоятки управления (характеристикой, на которой работает машина).
Совершенно очевидно, что при системе Г—Д возможно поль зование генераторным торможением не только в период рав номерного хода, но и в период"замедления. Переводя, при спуске груза, рукоятку управления к среднему положению, мы будем переходить от верхних характеристик к нижним и соответствен но уменьшать скорость. Тормозящий момент, развиваемый подъ емным двигателем, автоматически возрастает на величину, соот
ветствующую динамической слагающей момента вращения. Он
будет тем больше, чем быстрее мы будем вести рукоятку управ ления в направлении остановки машины. Таким способом ско рость движения может быть доведена до ничтожной величины, и лишь в момент приближения подъемного сосуда к приемной площадке придется включить механический тормоз, чтобы засто
порить машину.
При подъеме груза, как и при спуске, в период остановки
замедление машины будет тем больше, чем быстрее перемещается
рукоятка управления к своему среднему положению. Соот
ветственно величине замедления автоматически будет устанав ливаться тот или иной момент вращения подъемного двигателя. При медленном перемещении рукоятки управления этот момент
может оказаться положительным (двигательный режим), при более быстром — отрицательным (тормозной, генераторный ре жим). Но во всех случаях скорость движения машины будет изменяться в соответствии с перемещением рукоятки.
Управление машиной. Автоматизация |
213 |
Этот обзор показывает, насколько упрощается управление подъемной установкой при системе Г—Д по сравнению с управ лением подъемной установкой с приводом от асинхронного дви гателя. При системе Г—Д машинист может совершенно не инте ресоваться характером нагрузки машины. Благодаря однознач ной зависимости между положением рукоятки управления и ско
ростью, роль машиниста ограничивается лишь тем, чтобы в
Рис. 130. Схема действия ретардирующего устройства:
а — начало движения; б — конёц периода ускорения; в — принудительное вращение, ру коятки в период замедления; г — конец движения
начале подъема с надлежащей постепенностью перевести рукоятку управления из среднего положения в крайнее или в любое промежуточное в соответствии с желательной максимальной скоростью (период ускорения); при приближении же клети к приемной площадке машинист должен, также с соответствую щей постепенностью, возвратить рукоятку в среднее положение; в момент приближения подъемного сосуда к приемной площадке он должен застопорить машину.
Ретардирующие устройства. Совершенно очевид но, что процесс управления подъемной машиной при системе Г—Д может быть легко автоматизирован. Простейшим спосо бом такая автоматизация достигается с помощью так называе мого ретардирующего устройства, широко распространенного на подъемных машинах системы Г—Д.
Схема ретардирующего устройства показана на рис. 130. Здесь рукоятка управления 1 связана тягой с коленчатым ры
214 Подъемная машина системы генератор—двигатель (Г—Д)
чагом 4, несущим на себе ролики Ri и R2.На валу указателя глубины'насажен диск с профилированными приливами 2—3.
Диск этот за один цикл движения совершает один неполный
оборот. В начале движения (рис. 130, а) ролик Ri, упираясь
ввыступ 3, ограничивает перемещение рукоятки управления ничтожной величиной. Этим самым исключается возможность получения слишком резкого возрастания скорости (ускорения)
вмомент пуска машины.
По мере движения машины профильный диск будет поворачи ваться, и выступ 3 будет давать возможность машинисту все
дальше перемещать рукоятку управления, обеспечивая этим необ ходимое увеличение скорости. Выступ 3 профилируется так, что каждому положению подъемного сосуда в стволе (каждому угло вому положению диска в период пуска) соответствует опреде ленное крайнее положение рукоятки управления и, следова
тельно, |
определенная |
предельная скорость |
движения. |
Задача |
машиниста в период пуска — нажимать на |
рукоятку |
|
управления, перемещая ее до предела, допускаемого выступом
на профильном диске. Если выступ спрофилирован правильно, то в этом случае будет осуществлена заданная диаграмма за пуска машины.
Впериод равномерного хода никакого участия машиниста
вуправлении машиной не требуется, причем, в противополож
ность подъемной установке с приводом от асинхронного двига теля, при системе Г—Д это верно и в том случае, когда в пе риод равномерного хода поддерживается не только предельно возможная в данной системе максимальна^ скорость, но и любая
меньшая постоянная скорость.
К концу периода равномерного хода под ролик Ri подхо дит другой выступ на профилированном диске 2, который отжи мает ролик и заставляет поворачиваться коленчатый рычаг 4,
а вместе с ним и рукоятку управления в среднее поло жение, независимо от воли машиниста. При правильно спро
филированном выступе перемещение рукоятки будет соот ветствовать заданному изменению скорости в период замедле ния.
В момент приближения клети к приемной площадке рукоятка управления будет уже установлена в среднее положение и машинисту остается лишь застопорить машину механическим тормозом. При исправном действии ретардирующего устройства
авария переподъема (перегон клетей до направляющих шкивов)
практически невозможна, так как независимо от воли маши ниста, по мере приближения клети к приемной площадке, обес печивается автоматическое снижение скорости по заданному закону.
Управление машиной. Автоматизация |
215 |
Совершенно очевидно, что такой простой и надежный метод
автоматизации управления машиной в период замедления ока залось возможным применить лишь потому, что в системе Г—Д
скорость движения однозначно определяется положением руко ятки управления. При асинхронном двигателе ретардирующее устройство не могло бы, например, обеспечить надежную работу. В самом деле, если бы при асинхронном двигателе мы пре
доставили |
профилированному диску во всех случаях с одной |
и той же |
поспешностью возвращать рукоятку управления в |
среднее положение, то, в зависимости от нагрузки машины, получали бы каждый раз различное замедление, а при спуске груза получили бы даже не уменьшение, а возрастание скорости.
Мы рассмотрели процесс управления подъемной машиной при системе Г—Д с ретардирующим устройством на протяже нии одного цикла движения. В течение следующего цикла ма шина, а вместе с ней и профилированный диск вращаются в обратном направлении. Для второго направления вращения
предусматривается совершенно аналогичная система, состоя щая из ролика Л2 и двух выступов на диске 3' и 2', соответствую
щих |
периодам ускорения и замедления. |
Ролик |
и выступы 3 |
|
и 2 |
соответствуют |
периодам ускорения |
и замедления. Ролик |
|
Ri и выступы 3 и 2 |
находятся в одной вертикальной плоскости. |
|||
Ролик же Т?2 и выступы 3' и 2' находятся в другой вертикаль ной плоскости, параллельной первой.
Легко сообразить, что ретардирующее устройство не только предохраняет машину от чрезмерных ускорений в период за пуска и обеспечивает надлежащее замедление машины в конце движения, но, кроме того, исключает возможность пуска ма шины в неправильном направлении. Предположим, что в .опи санном цикле машина двигалась в направлении, соответствую щем положению рукоятки управления «Ход назад». Перед на чалом следующего цикла движения положение диска ретарди рующего устройства таково, как это показано на рис. 130, г. Если бы машинист, начиная следующий цикл движения, по ошибке снова стал бы перемещать рукоятку управления в на правлении «Назад», то ролик уперся бы в выступ 2, диск
стал бы поворачиваться в направлении, обратном указанному стрелкой; выступ 2 отжал бы ролик Ri и возвратил рукоятку управления в среднее положение.
В тех случаях, когда имеются переставные барабаны, ретар дирующее устройство снабжается двумя дисками, каждый из
которых механически связан с одним из барабанов (рис. 131). Один из дисков несет на себе выступы (в разных плоскостях) для периода ускорения при ходе «Вперед» и для периода замед ления при ходе «Назад». На другом диске, наоборот, располо