Помощничек
Главная | Обратная связь


Археология
Архитектура
Астрономия
Аудит
Биология
Ботаника
Бухгалтерский учёт
Войное дело
Генетика
География
Геология
Дизайн
Искусство
История
Кино
Кулинария
Культура
Литература
Математика
Медицина
Металлургия
Мифология
Музыка
Психология
Религия
Спорт
Строительство
Техника
Транспорт
Туризм
Усадьба
Физика
Фотография
Химия
Экология
Электричество
Электроника
Энергетика

Элементы электропривода



Рабочая машина и электродвигатель соединены друг с другом механической передачей и образуют единое машинное устройство. Подобным машинным устройством управляют обычно при помощи аппаратов, приборов, а иногда и вспомогательных электрических машин, включенных в цепи электрического двигателя.

Электромеханическое устройство, предназначенное для электрификации и автоматизации рабочих процессов и состоящее из преобразовательного, электродвигательного, передаточного и управляющего устройств, называется электроприводом.

Рабочие машины бывают сравнительно простые, представляющие одно энергетическое машинное устройство, и сложные, состоящие из нескольких кинематически связанных между собой энергетических устройств.

В зависимости от уровня автоматизации управления различают неавтоматизированный, автоматизированный и автоматический электроприводы.

Неавтоматизированным электроприводом называют такой, при котором предусматривается участие человека в выработке начального управляющего воздействия и в последующей компенсации возмущающих воздействий.

В автоматизированном электроприводе предусматривается участие человека только в выработке начального управляющего воздействия (машинист крана, водитель троллейбуса и т. п.). Автоматизированный электропривод в подавляющем большинстве является многодвигательным. Примером автоматизированного электропривода может служить привод листопрокатного реверсивного стана, лифта, копировально-фрезерного станка и т. п.

Автоматическим электроприводом называют такой, при котором предусматривается участие человека только в надзоре за электромеханической системой. При таком уровне автоматизации роль человека сводится к монтажу и настройке, а также к общему наблюдению за состоянием системы автоматического управления объектом.

В качестве аппаратов, включающих систему в работу, применяют различного рода датчики, часовые механизмы, конечные выключатели и др.

 

9.7. Заземления и зануления в трехфазных сетях

 

При эксплуатации трехфазных сетей необходимо обеспечить соответствующие меры безопасности, исключающие возможность поражения человека электрическим током. Для этого осуществляют надежную изоляцию токоведущих частей электротехнических уста­новок, а также применяют специальные защитные устройства, пред­отвращающие опасность поражения током при повреждении изоляции или прикосновении к металлическим частям электрических машин и аппаратов, которые в нормальных условиях не находятся под напряжением.

Статистика показывает, что подавляющее большинство травм происходит в случае прикосновения к токоведущим частям, находя­щимся под напряжением. В трехфазных сетях низкого напряжения (до 1000 В) величина тока, поражающего человека, зависит от режима нейтрали сети, а также от активной и емкостной проводимостей, существующих между проводами и землей. Необходимо знать, что токи промышленной частоты порядка 0,01 - 0,015 А опасны для жизни, а токи, превышающие 0,1 А, смертельны.

Электроустановки напряжением до 1000 В работают как с глухо заземленной, так и с изолированной нейтралью. В соответствии с Правилами устройств электроустановок (ПУЭ) для сетей напряжением до 1000 В предусматриваются в основном два типа трехфазных цепей: трехпроводная с изолированной нейтралью, и четырехпроводная с заземленной нейтралью.

Рассмотрим в качестве примера трехпроводную сеть с изоли­рованной нейтралью и определим, от чего зависит величина тока, поражающего человека, прикоснувшегося к одному из проводов такой сети.

Каждая сеть характеризуется определенной проводимостью изоляции, а также емкостью проводов относительно земли (рис. 9.11). Эти проводимость и емкость условно можно рассматривать как со­средоточенную активную и емкостную нагрузку, соединенную звездой, нейтральной точкой которой служит земля.

Если пренебречь емкостной проводимостью, сопротивление изоляции каждого из проводов обозначить rиз, а сопротивление тела человека rч, то в случае прикосновения человека к одной из фаз сети с изолированной нейтралью ток, проходящий через его тело, определится из формулы (это выражение легко получить, воспользовавшись методом эквивалентного генератора: при размыкании ветви с rч Ux = Uф zвх= 1/3rиз)

Следовательно, чем больше сопротивление изоляции проводов, тем меньше ток Iч; поэтому важно следить за состоянием изоляции сети.

В аварийном случае, например при коротком замыкании одной из фаз трехпроводной сети на землю, напряжение каждой из двух других фаз относительно земли становится равным линейному. Если при этом человек прикоснется к одной из исправных фаз, то он попадет под линейное напряжение сети, и ток будет заведомо опасным.

Для предотвращения поражений, вызываемых прикосновением к металлическим частям электрооборудования, оказавшимся под напряжением (например, при пробое изоляции на корпус электродвигателя), наиболее эффективно применение защитных заземлений. Корпуса электротехнических установок посредством шин малого сопротивления (согласно ПУЭ величина сопротивления заземления r3 не должна превышать 4 Ом, т. е. r3 < rч) соединяются с металлическими трубами или листами, непосредственно соприкасающимися с землей.

Тогда в случае, например, пробоя изоляции одной из фаз статорной обмотки двигателя ток Iч, проходящий через тело человека, прикоснувшегося к корпусу этого двигателя, будет во много раз меньше тока Iэ и не будет представлять опасности для жизни.

Следовательно, цель защитного заземления - снизить до безопасного значения напряжение прикосновения.

Кроме защитного заземления, применяется защитное зануление. Защитное зануление используется в четырехпроводных сетях напряжением до 1000 В, работающих с заземленной нейтралью (рис. 9.11).

Металлические части корпусов электродвигателей и аппаратов всегда соединены посредством стальных полос с нейтральным проводом четырехпроводной сети, нейтральная точка которой заземлена. В случае пробоя на корпус фазный и нейтральный провода оказываются замкнутыми накоротко, и возникающий при этом значительный по величине ток короткого замыкания вызывает перегорание плавких предохранителей или срабатывание защитного реле. Следование защитное зануление обеспечивает отключение от источника питания Электротехнических устройств при повреждении их изоляции.

 

 

9.8. Расчет мощности и выбор электродвигателя

 

Условие максимальной производительности, надежности и экономичности электропривода может быть выполнено только в случае правильного расчета мощности электродвигателя.

Двигатель заниженной мощности не обеспечивает заданной про­изводительности, чрезмерно перегревается, быстро изнашивается и является причиной возникновения аварий и простоев. Двигатель завышенной мощности работает с низким к.п.д., стоимость электрооборудования и эксплуатационных расходов при этом возрастает.

Расчет необходимой мощности двигателя производят на основании ряда технико-экономических требований, но одним из основных условий правильного выбора электродвигателя является его нагрев.

Наиболее уязвимой с точки зрения нагрева является изоляция обмоток двигателя.

Если температура окружающей среды принята ГОСТом равной 40°С, то превышение температуры изоляции обмоток над температурой окружающей среды допускается в пределах от 65° С (для изоляции класса А) до 115°С (для изоляции класса F), а для некоторых нагревостойких материалов на основе слюды, стекла и керамики — до 140°С.

Превышение температуры изоляции обмоток сверх установленной ГОСТом недопустимо, так как это ведет к разрушению изоляции и сокращению срока службы двигателей.

При рассмотрении тепловых процессов в двигателе для упрощения задачи полагают, что двигатель является однородным сплошным телом, а теплоемкость и теплоотдача пропорциональны разности температур двигателя и окружающей среды.

В соответствии с этим изменение температуры перегрева т в зависимости от начальной τнач и конечной τуст температур выражается уравнением

Если же начальное превышение температуры τнач = 0 при t — 0, то уравнение приводится к виду

На рис. 9.13 изображены кривые нагревания двигателя при раз­личных мощностях нагрузки.

Нагрузке P1= Ри соответствует кривая 1, нагрузке Р2 — кривая 2 и т. д. Из рисунка видно, что двигатель может длительно работать без перегрева в том случае, когда развиваемая им мощность не превышает номинальной. Если эта мощность выше номинальной, то время работы двигателя должно быть уменьшено с таким расчетом' чтобы его температура не превышала τдоп (t2, t3 на рис. 9.13).

Начальная температура перегрева τнач изменяет лишь скорость увеличения температуры двигателя, не изменяя характера процесса (рис. 9.14)

В этом случае уравнение температуры перегрева имеет вид

Разность τнач - τуст может быть положительной или отрицательной и температура двигателя будет соответственно расти или убывать (рис. 9.14).

Первому случаю соответствует кривая 1 на рис. 9.15 второму случаю - кривые 2 к 3. Постоянная времени охлаждения Т0 неподвижного двигателя больше постоянной времени нагревания (охлаждения) Т вращающегося двигателя. Вообще же постоянная времени двигателя пропорциональна его объему. Кроме того, у вентилируемых машин постоянная времени меньше по сравнению с невентилируемыми машинами тех же габаритов.

9.9. Классификация режимов работы электропривода

 

Исходя из особенностей нагревания и охлаждения двигателя различают три режима работы электропривода: продолжительный, кратковременный и повторно-кратковременный.

Под продолжительным режимом понимают работу электропривода такой длительности, при которой температура всех устройств, входящих в состав электропривода, достигает установившегося значения. В таком режиме работают электроприводы компрессоров, вентиляторов, воздуходувок, преобразовательных агрегатов и т. п. Примерные графики работы двигателя в продолжительном и прерывисто-продолжительном режимах показаны на рис. 9.16

Кратковременный режим работы электропривода характеризуется такой длительностью, при которой температура всех устройств, входящих в состав электропривода, не достигает установившегося значения во время работы и снижается до температуры окружа­ющей среды во время паузы (например, электроприводы разводных мостов, затворов шлюзов и др.). График нагрузки двигателя кратко­временного режима показан на рис. 9.17

Режим работы электропривода, при котором периоды работы имеют такую длительность и, таким образом, чередуются с паузами такой длительности, что температура всех устройств, входящих в состав электропривода, не достигает установившегося значения ни во время каждого периода работы, ни во время каждой паузы, называют пов­торно-кратковременным режимом работы. Длительность одного рабочего периода и паузы называют циклом. Время цикла tц не должно превышать 10 мин.

В повторно-кратковременном режиме работают многие механизмы подъемно-транспортных машин, некоторые металлорежущие станки и т. п. Упрощенный график нагрузки двигателя повторно - кратковременного режима показан на рис. 9.18.

 

Расчет мощности и выбор двигателя для продолжительного режима работы

Если температура окружающей среды не отличается от принятой ГОСТом, то выбор двигателя для продолжительного режима работы с постоянной нагрузкой сводится к выбору его по каталогу. При этом должно удовлетворяться условие Рн ≥ Р.

Расчет или проверку правильности предварительного выбора мощности двигателя для прерывисто-продолжительного режима работы с переменной нагрузкой производят на основании нагрузочной диаграммы. Пользуясь уравнениями нагревания и охлаждения двигателя, следует определить температуру максимального перегрева τтах и сравнить ее с допустимой температурой τдоп. Правильному выбору (при достаточно большом числе циклов п, когда ntц > 4Тн, где tц — время цикла работы, а Тн — постоянная времени нагрева двигателя) соответствует условие τтах ≤ τдоп.

Однако определение величины τтах требует громоздких вычислений, большой затраты времени и поэтому в практике почти не применяется. Более удобным (хотя и менее точным) является метод средних потерь. В основу этого метода положено условие, в силу которого мощность потерь Δрср за цикл работы не должна превышать номинального значения, т.е. Δрср<Δрн.

Таким образом, считают, что количество тепла, рассеявшегося в окружающей среде при работе по заданному графику, не больше того количества, которое выделялось бы за то же время работы с постоянной номинальной мощностью. В соответствии с этим, а также с учетом того, что количество тепла Δpdt пропорционально потерям мощности, можно записать

Метод средних потерь применим для всех двигателей переменного и постоянного тока и является наиболее точным по сравнению с мето­дом эквивалентных величин.

Под эквивалентными величинами (ток Iэкв, момент Mэкв и мощность Рэкв) понимают такие их значения, которым соответствуют потери в двигателе при продолжительной нагрузке, равные потерям при работе этого же двигателя по заданному графику с переменной нагрузкой.

Методы эквивалентных величин основаны на методе средних потерь с учетом соответствующих допущений. Так, если считать, что постоянные потери рс в двигателе не зависят от нагрузки, то можно записать

где aIэкв — потери в меди; t1, t2…tk — промежутки времени, в которые ток двигателя соответственно равен I1, I2...Ik; t1 + t2 +…+ tk = tц — время цикла.

Из уравнения можно определить эквивалентный по нагреву ток:

При выборе двигателя по каталогу или при проверке предварительно выбранного двигателя должно соблюдаться условие Iэкв < Iн.

Метод эквивалентного тока применим для расчета мощности и выбора всех типов двигателей, кроме тех, когда необходимо учитывать изменение потерь в стали и потерь на трение. Этот метод неприменим для короткозамкнутых двигателей с глубокими пазами или с двойной «беличьей клеткой». Это вызвано тем, что сопро­тивление ротора в пусковых и тормозных режимах значительно из­меняется. В таких случаях следует пользоваться методом средних потерь.

Метод эквивалентного момента является производным от метода эквивалентного тока, как так для большинства двигателей момент пропорционален току. Таким образом, этот метод неприменим в тех же случаях, что и метод эквивалентного тока и, кроме того, тогда, когда поток двигателя не остается постоянным (двигатели с последовательным возбуждением, шунтовые двигатели при регулировании скорости путем изменения потока, асинхронные двигатели в пусковых и тормозных режимах).

Эквивалентный по нагреву момент, так же как и эквивалентный по нагреву ток, представляет собой среднеквадратичное значение момента нагрузочной диаграммы:

Если имеется график р(t), можно воспользоваться аналогичной формулой для эквивалентной мощности, которая справедлива, когда скорость двигателя изменяется незначительно:

При использовании метода эквивалентных величин для расчета мощности двигателя или проверки его по нагреву необходимо предва­рительно произвести проверку двигателя по перегрузочной способности и пусковому моменту.

Требование лучшей загрузки и, следовательно, использования дви­гателя в случаях длительной работы с переменной нагрузкой удов­летворяется при выборе двигателя с номинальным моментом Мн, близким к эквивалентному моменту Мзкв. При этом может оказаться, что в некоторые периоды времени двигатель будет нагружен момента­ми больше номинального, т. е. перегружен. Такие перегрузки допус­тимы только в пределах перегрузочной способности двигателя.

Под перегрузочной способностью двигателя понимают величину коэффициента перегрузки, т. е. отношение максимально допустимого момента к номинальному моменту:

где kп — коэффициент перегрузки по моменту; Мmax — максимально допустимый момент перегрузки; Мн — номинальный момент двигателя.

У двигателей постоянного тока коэффициент перегрузки ограничи­вается в основном условиями коммутации; для двигателей независи­мого и смешанного возбуждения Imax/Iн = 2 - 2,5; для двигателей последовательного возбуждения Imах/Iн = 2,5 - 3.

Перегрузочная способность асинхронного двигателя ограничива­ется моментом, который способен развить двигатель при напряжении на фазах его обмотки на 15 - 20% ниже номинального:

Такое ограничение перегрузочной способности асинхронного дви­гателя вызвано возможным снижением напряжения питающей сети с учетом того, что Mmax ~ Uф2%.

Асинхронные короткозамкнутые двигатели, кроме проверки по перегрузочной способности, особенно при кратковременной работе, выбирают по пусковому моменту. Поскольку эти двигатели обладают сравнительно небольшим пусковым моментом, необходимо сравнить начальный статический момент Мс.нач, создаваемый рабочей машиной, и пусковой момент Мп двигателя. Условию нормального пуска соответствует неравенство Мп > Мс.нач.

Для некоторых производственных механизмов, работающих в про­должительном режиме с постоянным моментом сопротивления на валу рабочего органа, имеются приближенные формулы для определения мощностей двигателей, например,

 

 

для компрессора:

где Q — производительность компрессора, м3/с; А — работа, затра­чиваемая на сжатие 1 м3 воздуха от 1,01 * 105 Н/м2 до требуемого давления Р, Н/м2; ηк, ηn — соответственно к.п.д. компрессора и передачи;

для вентилятора:

 

где k3 — коэффициент запаса (для мощности до 1 кВт k3 = 2, для мощности до 2кВт k3 = 1,5 и для мощности до 5 кВт k3 = 1,1 - 1,5); Q — производительность вентилятора, M3/c; Н — напор (давление), Н/м2; ηв, ηп — соответственно к.п.д. вентилятора и передачи;

для насоса:

где k3 — коэффициент запаса (для мощности до 50 кВт k3= 1,2, для мощности от 50 до 350 кВт k3 = 1,15, для мощности свыше 350 кВт А, = 1,1); Q — производительность насоса м3/с; Н = дифференциальный напор, м; γ — удельный вес перекачиваемой жидкости; ηн, ηп — соответственно к. п. д. насоса и передачи.

Расчет мощности двигателя для работы в повторно-кратковременном режиме производят по тем же формулам, что и для работы в продолжительном режиме. При этом, однако, необходимо учитывать особенности, характеризующие повторно-кратковременный режим.

Частые пуски и остановы ухудшают вентиляцию на участках разгона и торможения двигателя. Это учитывают поправочными коэффициентами, которые выбирают исходя из тех соображений, что для самовентилируемых электродвигателей открытого исполнения теплоотдача в неподвижном состоянии ухудшается примерно в два раза. С учетом этого выражение (например, для эквивалентного тока) будет иметь вид

где t1 — время разгона двигателя; t2 — время работы двигателя с установившейся скоростью; t3 — время торможения двигателя.

Кроме того, повторно-кратковременный режим характеризуется так называемой продолжительностью включения (ПВ %). Под ПВ % понимают отношение суммарного времени рабочих периодов к времени продолжительности цикла:

где t1, t2, t3 — время работы на соответствующих участках нагрузоч­ной диаграммы; t0 — время паузы; t1 + t2 + t3 + t0 =tц — время цикла.

Для улучшения экономических показателей электроприводов выпускаются двигатели, специально предназначенные для работы в повторно-кратковременном режиме с ПВ = 15, 25, 40 и 60%. Перегрузочная способность указана в каталоге для номинальной мощ­ности с ПВ = 25%.

Как видно из формулы увеличение ПВ практически означает уменьшение времени паузы по отношению к суммарному времени цикла, что соответствует тяжелому режиму работы с точки зрения нагрева двигателя.

Двигатель, выбранный для работы с ПВ = 15%, сможет работать с ПВ = 40%, но для того, чтобы он не перегревался, мощность нагрузки должна быть соответственно уменьшена.

Пересчет с одной величины ПВ на другую производят по формуле

Так, например, асинхронный двигатель открытого исполнения мощностью 28 кВт при ПВ =15% может без перегрева развивать мощность при ПВ = 40%

кВт

а при длительной работе — еще меньше:

кВт

 

 

9.10. Выбор типа электродвигателя

 

Из многочисленных типов двигателей переменного и постоянного тока для привода той или иной производственной машины должен быть выбран такой двигатель, который наиболее полно удовлетворял бы технико-экономическим требованиям. Это значит, что необходимо выбрать двигатель, наиболее простой по управлению, надежный в эксплуатации, имеющий наименьшую стоимость, вес и габариты, а также высокие энергетические показатели.

В сравнении со всеми существующими типами двигателей этим требованиям в наибольшей мере отвечают асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором. Поэтому асинхронные двигатели нашли широкое применение во всех отраслях народного хозяйства для привода различного рода механизмов и машин, не требующих регулирования скорости в процессе работы.

Таким образом, выбирая тип двигателя для регулируемого электропривода малой или средней мощности, необходимо прежде всего рассмотреть возможность применения короткозамкнутого асинхронного двигателя с одной «беличьей клеткой», расположенной в круглых или овальных пазах ротора. При этом следует выяснить, насколько полно будут удовлетворены технические требования: до­пустимое уменьшение скорости при увеличении момента нагрузки, допустимая частота повторных включений, возможность быстрого и надежного пуска и т. д. Если, например, пусковой момент коротко-замкнутого асинхронного двигателя с одной «беличьей клеткой» окажется недостаточным для обеспечения требуемого режима пуска, то выбирают двигатель с двойной «беличьей клеткой» или с глубокими пазами на роторе, т. е. двигатель с повышенным пусковым моментом.

В тех случаях, когда короткозамкнутый асинхронный двигатель с «беличьей клеткой», имеющей малое активное сопротивление стержней, не обеспечивает требуемой частоты включений, рекомендуется использовать двигатель с «беличьей клеткой» повышенного сопротивления. Это позволяет уменьшить потери энергии при пуске. В отдельных случаях приходится применять асинхронные двигатели с контактными кольцами. Они сложнее по устройству, имеют большой вес, габариты и стоимость, менее надежны в работе. Поэтому применение асинхронных двигателей с контактными кольцами ограничено в основном теми электроприводами, где по условиям пуска требуется иногда повышенный или, наоборот, ограниченный пусковой момент. Это характерно для подъемно-транспортных механизмов, где по ряду причин требуется ограничение ускорений (пассажирские подъемники, шахтные подъемные установки и др.). Асинхронные двигатели с контактными кольцами, имеющие меньшие потери энергии в обмотках при пуске и торможении, позволяют использовать их в весьма напряженных режимах работы с большой частотой включений. Они могут применяться также в тех установках, где требуется регулирование скорости в узких пределах. Однако следует иметь в виду, что при этом уменьшается жесткость механических характеристик и снижается к. п. д. привода.

Для нерегулируемых электроприводов средней и большой мощности, работающих в продолжительном режиме с редкими пусками (преобразовательные установки, компрессоры, мощные насосы, воздуходувки и т. д.), следует использовать синхронные двигатели. Они отличаются более высоким к. п. д., допускают регулирование коэффициента мощности, что имеет большое практическое значение там, где необходимо компенсировать реактивную мощность. Применение синхронных двигателей малой мощности экономически менее целесообразно, так как капитальные затраты не окупаются эксплуатационными преимуществами.

Двигатели постоянного тока независимого возбуждения применяются, главным образом там, где по условиям работы требуется глубокое и плавное регулирование скорости, а также в тех случаях, когда необходима работа привода с низкой скоростью. Жесткая механическая характеристика, возможность плавного и глубокого регулирования скорости, а также большая допустимая частота включений позволяют применять двигатели постоянного тока независимого возбуждения (система Г—Д) в таких ответственных электроприводах, как реверсивные прокатные станы, доменные подъемники, лифты высотных зданий, бумагоделательные машины, сложные металлообрабатывающие станки и др.

Двигатели постоянного тока последовательного возбуждения широко используются на электрическом транспорте и в подъемно-транспортных механизмах, так как в отличие от других двигателей они обладают механическими характеристиками переменной жесткости: при больших значениях момента они более жесткие, при малых моментах — мягкие.

Большое практическое значение имеет правильный выбор конструктивного исполнения двигателя с учетом условий окружающей среды. Так, например, химостойкие двигатели предназначены для работы в условиях химически активной среды, влагостойкие — для работы в сырых и особо сырых помещениях и т. д. Многие двигатели выпускаются в закрытом обдуваемом исполнении, т. е. снабжены боковыми крышками от проникновения пыли извне. Двигатели защищенного исполнения имеют приспособления, предохраняющие от случайного прикосновения к вращающимся и токоведущим частям, а также от попадания внутрь посторонних предметов.

Для защиты окружающей среды от возможного взрыва при новообразованиях внутри двигателя выпускаются взрывозащищенные двигатели, снабженные специальными кожухами, которые выдержи­вают давление при взрыве газов или паров в корпусе двигателя и не пропускают пламя наружу во взрывоопасную среду.

Естественно, что чем больше степень закрытия двигателя, тем хуже условия охлаждения его обмоток. Чтобы при тех же габаритах двигателя сохранить его номинальную мощность, необходимо искусственно усилить теплоотдачу двигателя. С этой целью закрытые обдуваемые двигатели снабжают вентилятором, насаженным на вал двигателя под защитным кожухом.

Продуваемые двигатели, т. е. двигатели с независимой вентиляцией, охлаждаются при помощи постороннего вентилятора. Они снабжены специальными патрубками, к которым крепится трубопровод.

Следует иметь в виду, что необоснованное использование двигателя специального исполнения удорожает установку. Поэтому во всех сухих непыльных помещениях с нормальной средой следует устанавливать открытые двигатели, а в производственных помещениях — защищенные двигатели. Двигатели переменного и постоянного тока выпускаются в различных модификациях также по способу монтажа: двигатели с горизонтальным расположением вала, имеющие для крепления лапы; фланцевые двигатели с левым или правым расположением вводного устройства (клеммная панель) и т. д. Эти данные приводятся в каталогах и позволяют выбрать двигатель по способу монтажа с таким расчетом, чтобы исключить применение специальных устройств.

Выбор двигателя по номинальному напряжению в каждом конкретном случае обусловлен тем или иным напряжением сети. Номинальные напряжения двигателей, как правило, совпадают со стандартным напряжением сети.

Для проектируемых предприятий этот вопрос решается сравнением вариантов технико-экономических расчетов.

При выборе двигателя по номинальной скорости следует исходить из того, что применение передаточных устройств снижает к. п. д. и удорожает установку. При этом необходимо иметь в виду, что чем ниже скорость двигателя, тем больше его габариты, вес и стоимость при одной и той же мощности. Таким образом, приемлемое решение в этом случае может быть принято также на основе сравнения вари­антов технико-экономических расчетов.

 

 

9.11. Аппаратура и схемы управления

 

В процессе работы электропривода необходимо включать и выключать двигатель, изменять скорость вращения и ее направление и т. п., т. е. осуществлять управление электроприводом.

Управление электроприводом производится с помощью аппаратов ручного и автоматического управления.

Аппараты ручного управления служат для нечастого оперативного включения и отключения электрических цепей сравнительно небольшой мощности. К ним относятся ключи, пакетные выключатели, командоаппараты, универсальные переключатели, командоконтроллеры, конечные и путевые выключатели различных модификаций, кнопки, кнопочные станции (блоки из двух и более кнопок) и т.д.

Включение и отключение таких аппаратов осуществляется ручным или механическим способом путем воздействия на рычаги с укрепленными на них подвижными контактами. Все перечисленные аппараты весьма просты по устройству и принципу работы.

Для нечастого включения и отключения электрической цепи используют также автоматический воздушный выключатель (рис.9.19)

Особенностью автоматического воздушного выключателя является то, что он, помимо контактной системы, снабжен устройством, выполняющим функцию защиты коммутируемой цепи. Таким устройством служит расцепитель — элемент, контролирующий заданный параметр цепи и воздействующий на контактную систему автомата.

Расцепитель представляет собой механизм с подвижной системой, работа которой обусловливается тепловымилимагнитнымдействием тока.

В зависимости от того, какую защиту должен осуществлять автомат, его расцепитель может быть выполнен как:

1) расцепитель максимального тока (для защиты от токов короткого замыкания) — электромагнит, якорь которого втягивается при токе, превышающем определенное значение (ток установки);

2) тепловой расцепитель (для защиты от токов перегрузки); действие такого расцепителя можно рассмотреть на устройстве теплового реле (рис. 9.20). Основным элементом теплового реле является биметаллическая пластинка 1, представляющая собой спай двух металлов, с различными коэффициентами удлинения. Биметаллическая пластинка охвачена спиралью 2, которая является участком защищаемой цепи, т. е. по ней проходит ток. Благодаря тепловому действию тока спираль нагревается, а вместе с ней нагревается и биметаллическая пластинка.

Биметаллическая пластинка охвачена спиралью 2, которая является участком защищаемой цепи, т. е. по ней проходит ток. Благодаря тепловому действию тока спираль нагревается, а вместе с ней нагревается и биметаллическая пластинка.

При нормальном режиме работы приемника (I = Iн) нагрев пластинки недостаточен для ее заметной деформации. Если же ток длительно превышает номинальное значение, пластинка от нагревания значительно деформируется и, изгибаясь, поднимается вверх, освобождая рычаг 7. Последний под действием пружины 4 поворачивается вокруг оси 8 по часовой стрелке и тягой 5 размыкает контакты 6, разрывая тем самым вспомогательную цепь катушки включающего устройства. Кнопка 3 предназначена для возврата системы реле в исходное положение, после того как охладится спираль и биметаллическая пластинка.

Тепловой расцепитель, выполненный по принципу теплового реле, отключает автомат только при длительных перегрузках: (при I = 1,5 Iн он срабатывает примерно через 2 мин., при I = 31н — через 35 с; расцепитель не реагирует на значительные, но кратковременные превышения тока в защищаемой цепи.

В том случае, когда цепь необходимо защищать и от кратковременных, но значительных перегрузок, применяют автомат скомбинированным расцепителем (электромагнитный и тепловой).

Существуют также расцепители минимального напряжения (для предотвращения работы электротехнического устройства при пониженном напряжении). Такой расцепитель представляет собой электромагнит, якорь которого, втягиваясь при заданном значении напряжения, способен преодолеть сопротивление пружины; при понижении или исчезновении напряжения пружина оттягивает якорь, отключая автомат.

Дуга, возникающая при размыкании контактов в защищаемой цепи, гасится в окружающей среде, поэтому эти автоматы называют воздушными. В настоящее время широкое распространение получили одно-, двух- и трехполюсные воздушные выключатели.

Большую группу аппаратов дистанционного или автоматического управления составляют электромагнитные аппараты, подвижные контакты которых замыкаются под действием силы тяги электромагнита.

Электромагниты весьма разнообразны по назначению и конструктивному исполнению.

При всем разнообразии встречающихся в аппаратах электромагнитов они состоят из следующих частей одинакового назначения (рис. 9.21): 1 — катушки с расположенной на ней намагничивающей обмоткой; 2 — неподвижной части магнитопровода, выполненного из ферромагнитного материала (основание и сердечник); 3 — подвижной части магнитопровода (якорь).

Якорь, воспринимая электромагнитное усилие, передает его на подвижные контакты аппарата.

Электромагниты, применяемые в аппаратах, можно разделить на две группы: электромагниты постоянного тока и электромагниты переменного тока.

В первом случае величина магнитного потока определяется величиной постоянного тока и не зависит от направления последнего. Магнитопровод электромагнита постоянного тока изготовляют из сплошной электротехнической стали.

Во втором случае, т. е. при питании обмотки переменным током, создается пульсирующий магнитный поток. Сила электромагнитного притяжения электромагнита тоже пульсирует, изменяясь от нуля до максимума, который определяется приложенным напряжением. Это приводит к вибрации якоря.

Для уменьшения магнитных потерь, возникающих вследствие пульсирующего потока, магнитопровод изготовляют из штампованных пластин листовой электротехнической стали, т. е. шихтованным.

Кроме того, для уменьшения вибраций, вызванных пульсацией силы электромагнитного притяжения, в торцевой части якоря или сердечника устанавливают короткозамкнутый виток (риc. 9.22) В нем наводится э.д.с, сдвинутая во времени относительно основного потока. Магнитный поток, создаваемый током в короткозамкнутой витке, не совпадает по фазе с основным потоком. Это способствует тому, что в магнитной системе всегда имеется поток, благодаря которому сохраняется усилие, удерживающее якорь в притянутом, а контакты — в замкнутом состоянии.

В зависимости от того, как располагается якорь относительно сердечника, различают электромагниты с притягивающимся (рис.9.23, а) и втягивающимся (рис.9.23, б) якорем.

По характеру движения якоря электромагниты делятся на две группы: с вращательным (рис. 9,24, а) и поступательным (рис. 9,24, б) движением подвижной части.

Наряду с магнитопроводом одной из основных частей электромагнита является его обмотка (катушка). Ее параметры определяют такую величину магнитного потока, которая является оптимальной для срабатывания электромагнита при заданном значении тока или напряжения. Различают обмотки последовательного включения (рис. 9,25) и параллельного включения. Обмотками последователь ного включения обычно снабжают электромагнитные устройства защиты — электромагнитные максимальные или токовые реле.

Обмотки таких устройств включают последовательно в защищаемую цепь (обмотку двигателя или другого элек­тротехнического устройства) и рассчитывают на значительные токи. Поэтому их изготовляют с небольшим числом витков из проводника большого сечения.

Если ток в обмотке такого реле превысит заданное значение, его якорь притянется, а контакты, укрепленные на нем, разорвут цепь катушки включающего устройства.

Обмотки параллельного включения наматывают тонким проводом, но с большим количеством витков и рассчитывают на стандартные напряжения. Устройства с подобными обмотками называют реле напряжения.

Реле напряжения в схемах автоматического управления нашли применение в качестве аппаратов, управляющих торможением двигателей, ускорением при пуске, а также защищающих электроустановки от

 

работы при пониженном напряжении или от обрыва контролируемой цепи.

Рис 9.26. Устройство

электромагнита

с замедлением:

 

Особую группу составляют так называемые электромагниты с замедлением (рис. 9.27), которые используют в таких широко распространенных аппаратах, как реле времени постоянного тока. В указанных аппаратах искусственным путем увеличивают время отпускания якоря, размещая на магнито-проводе короткозамкнутые катушки или массивные гильзы из материала с хорошей электропроводностью (медь, латунь, алюминий). Это позволяет уменьшить скорость нарастания или затухания магнитного потока при включении или отключения намагничивающей катушки. При подключении такого реле к источнику питания оно срабатывает мгновенно. Если отключить катушку, то якорь отпадет только по истечении какого-то времени, т. е. с выдержкой времени. Это происходит вследствие замедленного убывания магнитного потока. Причиной замедления является то, что основной магнитный поток, убывая, наводит э.д.с. в медной гильзе как в накоротко замкнутом витке. По правилу Ленца, ток, возникающий в результате наведенной э.д.с, создает поток, который стремится сохранить основной поток неизменным. Однако вследствие потерь в медной гильзе поток все же будет уменьшаться, и через некоторое время с момента отключения катушки якорь отпадет под действием пружины. Изменяя натяжение пружины или устанавливая немагнитные прокладки различной толщи­ны между якорем и сердечником, получают выдержки времени большей или меньшей длительности.

В электромагнитных аппаратах переменного тока данный принцип создания выдержек времени неприемлем. Для получения выдержек времени в них используют механическое маятниковое реле времени, якорь которого приводится в действие механическим путем, или оно пристраивается к подвижной части аппарата переменного или постоянного тока и тем самым получает команду на срабатывание.

Исполнительный орган электромагнитного аппарата — контактная система — выполняется в зависимости от его назначения. Аппараты, предназначенные для включения статорных обмоток двигателей или силовых цепей электроустановок, снабжены силовыми контактами, рассчитанными на большие токи, и имеют дугогасительные устройства (контакторы, магнитные пускатели). Кроме силовых контактов, подвижная система таких аппаратов несет на себе так называемые блокировочные контакты, предназначенные для переключений в цепях управления (вспомогательных цепях).

И те и другие контакты могут быть выполнены замыкающими (3) (нормально-открытыми — н. о.) и размыкающими (Р) (нормально-закрытыми — н. з.). Контактная система аппаратов, как правило, состоит из неподвижных и подвижных контактов, которые могут иметь самую различную форму (рис. 9.27). Подвижные контакты, соединяясь или разъединяясь с неподвижными, создают или разры­вают цепь тока. От надежности этого соединения зависит нормальная работа как самого аппарата, так и управляемой им цепи. Надежность работы контактного соединения в сильной степени зависит от так на­зываемого переходного сопротивления — относительно большого электрического сопротивления в зоне перехода тока из одного тела в другое.

 

Переходное сопротивление зависит от силы нажатия на контакты, площади и состояния контактных поверхностей, а также от температуры контактного соединения. Необходимую силу нажатия создают пружины, которыми, как правило, снабжены подвижные контакты. Пружины выбирают с таким расчетом, чтобы они создавали лишь требуемую силу нажатия, так как чрезмерные усилия не приводят к уменьшению переходного сопротивления.

Переходное сопротивление зависит в значительной степени от чистоты поверхности контактных элементов, причем установлено, что шлифовка поверхностей увеличивает переходное сопротивление по сравнению с обработкой напильником. Особенно неблагоприятно сказывается на величине переходного сопротивления наличие окислов на контактных поверхностях.

Для уменьшения переходного сопротивления контактные поверхности покрывают оловом или изготовляют из серебра. На работу контактного соединения очень неблагоприятно влияет дуга — электрический разряд между расходящимися контактами цепи при сколько-нибудь значительных токе и напряжении.

Под действием высокой температуры возникает термическая ионизация воздуха, благодаря которой поддерживается возникший дуговой разряд. При этом температура дуги достигает такой величины, что контакты аппаратов обгорают, а нередко и расплавляются так, что могут оказаться сваренными после застывания расплавленного ме­талла.

Во избежание нежелательных явлений, связанных с возникнове­нием дуги, в аппаратах низкого напряжения применяют различные устройства для гашения дуги. Принцип действия таких устройств подробно рассматривается в специальной литературе по электрическим аппаратам.

Выбор аппаратов производят на основании учета их технических характеристик и условий работы в каждом конкретном случае, ко­торые указаны в соответствующих каталогах.

Однако для аппарата любой конструкции необходимо соблюдать следующие условия: а) допустимая плотность тока и разрывная способность контактов должны быть не менее заданных; б) катушка аппарата (если аппарат приводится в действие электромагнитом) по своему номинальному напряжению (току) должна соответствовать заданному; в) магнитная система аппарата (катушка и магнитопровод) должна соответствовать роду тока.

При эксплуатации аппарата необходимо следить за чистотой кон­тактных поверхностей и надежностью контактных соединений.

 

 

9.12. Релейно-контакторное управление

 

Различают неавтоматическое (ручное) и автоматическое управле­ние.

При ручном управлении переключения в цепях электродвигателей производят вручную, непосредственно воздействуя на рукоятки аппаратов управления. Подобное управление возможно в нерегулируемых приводах незначительной мощности (электропривод центробежного насоса, вентилятора или других простейших механизмов). В мощных электроприводах ручное управление затруднено, а в некоторых случаях вообще невозможно (объекты управления могут находиться в местах, недоступных для оператора, или на значительном расстоянии).

При автоматическом управлении переключения в цепях электродвигателей производят аппаратами, контакты которых приводятся в действие силой тяги электромагнитов, вспомогательных двигателей гидравлических или других устройств. Роль оператора сводится к воздействию на кнопки управления, что, кроме того, позволяет осуществлять управление на значительном расстоянии от управляемого объекта, т. е. дистанционно.

Двигатели, аппараты управления, вспомогательные электротехнические устройства, соединенные в определенной функциональной связи и последовательности, составляют электроустановку.

Для каждой электроустановки, в том числе и для автоматизиро­ванного электропривода, основными схемами являются принципиальная и монтажная.

Принципиальная (или элементная) схема (рис. 9.28) содержит полный состав элементов устройств, входящих в электроустановку (электропривод), и отражает их взаимосвязь. Такая схема дает, как правило, детальное представление о принципе работы электроустановки.

Аппараты управления и защиты, а также электрические машины состоят в основном из однотипных элементов: контактов, катушек, устройств, позволяющих получить выдержки времени, обмоток машин и т. д. Все эти элементы имеют стандартные условные графические обозначения, некоторые из которых приведены

Особенностью принципиальной схемы является то, что элементы отдельных устройств (изделий) разнесены так, как это представляется удобным для отражения принципа действия электроустановки в целом. При этом может оказаться, что условные графические обозначения элементов разных устройств (изделий) расположены рядом и составляют одну цепь (ветвь) схемы. Так, например, на схеме рис.9.29 силовые контакты, включающие статорную обмотку двигателя, обозначены буквой Л. Катушка этого контактора и блокировочный контакт (включенный на зажимы кнопки «Пуск»), входящие в цепь управления, обозначены той же буквой как элементы одного и того же контактора.

Монтажная схема (рис. 9.29) — схема, на которой показаны соединения составных частей установки, разводка проводов и кабелей, их сечения, марки и способ прокладки, а также места присое­динения к разъемам, клеммникам и т. п. Элементы аппаратов на такой схеме вычерчивают в соответствии с их действительным размещением на панели или в шкафу управления.

Чтение схем представляет определенную трудность. Для того чтобы шаг за шагом проследить срабатывание аппаратов, составляющих звенья схемы, их взаимодействия между собой и произведенные ими

 

переключения, прежде всего необходимо хорошо знать условные графические обозначения. Как видно из табл., условные обозначения приняты не для аппаратов (или машин) в целом, а для отдельных их элементов. При этом обозначение элементов одного и того же аппарата обязательно должно быть одинаковым и таким же, каким обозначен этот аппарат в схеме главной цепи, или его катушка в цепи управления.

Например, если катушка контактора, предназначенного для подключения статорной обмотки асинхронного двигателя, обозначена буквой Л, то и силовые и блокировочные контакты его должны быть обозначены этой же буквой.

Обозначение аппаратов на схемах чаще всего делают по функциональным признаком. Например, Л — линейный контактор, т. е. аппарат, соединяющий линии сети с обмоткой машины; Т — контактор торможения; В — контактор «Вперед»; РВ — реле времени; РУ — реле ускорения и т. п. Таким образом, прежде чем приступить к рассмотрению работы той или иной схемы, необходимо уяснить назначение каждого из аппаратов, входящих в схему, и «расшифровать» его обозначение, т. е. разобраться в спецификации машин и аппаратов, составляющих схему.

При этом следует отметить для себя, какие аппараты включаются вручную или механическим путем (от упоров, рычагов или кулачков, не показанных на схеме, т. е. различного рода блокировки, контакты с ручным возвратом и т. д.).

Кроме того, следует помнить, что на принципиальной схеме всегда все контакты реле, контакторов, кнопок управления, путевых выключателей и других аппаратов изображают в отключенном состоянии, т. е. при отсутствии электромагнитного или механического воздействия на кнопки и рычаги этих аппаратов.

После такой обработки схемы можно мысленно осуществить подачу напряжения на цепи управления. В одних случаях этого достаточно для того, чтобы схема считалась подготовленной к принятию команды, после которой в схеме автоматически производится ряд переключений, в других — катушки некоторых аппаратов, например реле напряжения, сразу получают питание, срабатывают и тем самым подготавливают схему к пуску.

В качестве примера рассмотрим простейшую принципиальную схему управления реверсивным асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором определив предварительно назначение и обозначения аппаратов.

Следует заметить при этом, что элементы главных (силовых) цепей, по которым электроэнергия поступает из сети к обмоткам двигателя, вычерчивают, как правило, более жирными линиями по сравнению с элементами цепей управления — контактами реле, блокировочными контактами, катушками аппаратов и т. д.

В нашем примере для схемы приняты обозначения:

А - автоматический выключатель, с помощью которого установка вручную подключается к трехфазной сети переменного тока. Он же защищает установку от больших перегрузок, автоматически отключая ее.

В - контактор переменного тока, предназначенный для включения обмотки двигателя в трехфазную цепь переменного тока в условном направлении «Вперед».

Н - такой же контактор для включения двигателя в условном направлении «Назад».

В обоих контакторах, кроме главных контактов, обозначенных так же, как и катушки (В и Н), использованы по два блокировочных контакта — один замыкающий и один размыкающий. Замыкающий контакт блокирует соответствующую кнопку, а размыкающий включается последовательно в цепь катушки «чужого» контактора, например контакт В в цепь катушки контактора Н. Такое включение называют электрической блокировкой, исключающей од­новременное включение обоих контакторов во избежание короткого замыкания.

«Вперед», «Назад» — кнопки, предназначенные для ручного замыкания цепи катушки контактора соответственно вперед и назад.

Т1 и Т2 — размыкающие контакты теплового реле. Нагревательные элементы с теми же обозначениями включены в фазы С1 и С3 обмотки двигателя. При длительной перегрузке двигателя нагревательные элементы нагревают биметаллические пластинки и контакты T1 и Т2 разомкнут цепь питания катушек контакторов.

После того как назначение аппаратов и их роль в схеме определе­ны, прочитать схему не представляет труда.

Включением автомата А подготавливают схему к пуску. Далее, если будет нажата кнопка «Вперед», цепь катушки контактора В получит питание через следующие элементы этой цепи: размыкаю­щий контакт «Стоп», размыкающий контакт Н и два размыкающих контакта Т1 и Т2 (цепь управления защищена предохранителями П).

Якорь контактора В втянется, замыкающие силовые контакты В замкнутся и фазы статорной обмотки двигателя С1 С2, С3 будут соединены соответственно с линейными проводами сети Ли Л2, Л3. Ротор двигателя начнет вращаться в условном направлении «Вперед».

Для изменения направления вращения сначала отключают двигатель от сети путем нажатия на кнопку «Стоп», а затем включают кнопку «Назад». При этом получит питание катушка контактора Н и подвиж­ная система контактов подключит обмотку двигателя к линейным проводам в следующем порядке: C1 — Л3, С2 — Л2, С3 — Л1. Ротор двигателя изменит направление вращения на противоположное.

 

Контрольные вопросы к теме 9.

1. Поясните устройство трехфазных асинхронных машин.

2. Назовите и поясните сущность режимов работы трехфазной машины.

3. Перечислите элементы электропривода.

4. Заземления и зануления в трехфазных сетях.

5. Как рассчитать мощность и подобрать двигатель для электропривода?

6. Перечислите элементы релейно-контактных схем управления электроприводом.

 

 




Поиск по сайту:

©2015-2020 studopedya.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.