Тема 2.2. Электрооборудование
2.2.1. Основные сведения из электротехники
Электрическим током называют упорядоченное движение электрических зарядов q в проводящей среде под воздействием электрического поля.
Если скорость движения электрических зарядов во времени неизменна, то ток называют постоянным. Ток, мгновенные значения которого изменяются во времени, называют переменным, электрический ток, мгновенные значения которого повторяются через равные промежутки времени, называется периодическим переменным. Ток, изменяющийся по синусоидальному закону, называют синусоидальным. Ток выражают в амперах (А) и обозначают I, i.
Электрический ток в цепи возникает в том случае, если на ее зажимах (полюсах) создана разность потенциалов (существует электрическое поле вдоль участка цепи). Разность потенциалов между двумя точками цепи называют напряжением или падением напряжения. Напряжение обозначают U, u и выражают в вольтах (В).
Электрическое напряжение численно равно работе А, совершаемой источником электрической энергии при перемещении заряда q в один кулон из одной точки в другую.
Способность проводника оказывать препятствие, проходящему по нему электрическому току называют сопротивлением. Сопротивление обозначают R, r. и выражают в омах (Ом).
Закон Ома для полной цепи: I = E/(R+r)
Закон Ома для участка цепи: I = U/R
Последовательным соединением потребителей тока называют соединение, при котором конец первого соединяется с началом второго, конец второго – с началом третьего и т.д.
Параллельным соединением потребителей тока называют такое соединение, когда начала всех токоприемников соединены в одну точку, а концы в другую точку.
Тепловое действие электрического тока.
Все проводники при прохождении по ним электрического тока нагреваются и отдают тепло окружающей среде. Температура нагрева проводника зависит от величины тока, сечения и материала проводника, условий его охлаждения.
Закон Джоуля – Ленца: Q = I2*R*t (джоуль)
Мощность постоянного тока
Мощность – работа, совершаемая в единицу времени t, развиваемая на этом участке.
P = A/t = U*q/t = U*I
Единица мощности – ватт (Вт).
Понятие о магнитном поле.
Вокруг проводника, по которому течет ток образуется магнитное поле.
Магнитные индукционные линии вокруг проводника с током обладают следующими свойствами:
- магнитные индукционные линии прямолинейного проводника имеют форму концентрических окружностей;
- чем ближе к проводнику, тем гуще располагаются магнитные индукционные линии;
- магнитная индукция (интенсивность поля) зависит от величины тока в проводнике;
- направление магнитных индукционных линий зависит от направления тока в проводнике (правило буравчика).
Переменный ток.
Oпределение: Переменными называют токи и напряжения, изменяющиеся во времени, по величине и направлению. Их величина в любой момент времени называется мгновенным значением. Обозначаются мгновенные значения малыми буквами: i, u, e, p.
Токи, значения которых повторяются через равные промежутки времени, называются периодическими. Наименьший промежуток времени, через который наблюдаются их повторения, называется периодом и обозначается буквой Т. Величина, обратная периоду (число периодов в секунду), называется частотой, т.е. f = 1/T и измеряется в герцах (Гц). Величина = 2f называется угловой частотой переменного тока, она показывает изменение фазы тока в единицу времени и измеряется в радианах, деленных на секунду.
Максимальное значение переменного тока или напряжения называется амплитудой.
Мощность переменного тока.
Активная, то есть полезная мощность однофазного переменного тока определяется по формуле: P = U*I*cos
Коэффициентом мощности называется отношение активной мощности к полной:
cos = P / S
Коэффициент мощности практически является косинусом угла сдвига фаз между током и напряжением.
Чем меньше cos имеет потребитель, тем меньше будет коэффициент полезного действия (кпд) машины, тем меньшую активную мощность будет отдавать генератор.
Причины низкого коэффициента мощности:
1. Недогрузка электродвигателей переменного тока, трансформаторов и т.д.;
2. Неправильный выбор типа электродвигателя;
3. Повышенный зазор между ротором и статором;
4. Работа электродвигателей на холостом ходу.
Трехфазный переменный ток.
Определение: Трехфазные электрические цепи представляют собой совокупность трех однофазных цепей переменного тока, сдвинутых по фазе относительно друг друга на 1/3 периода (120).
Графически ЭДС можно изобразить тремя синусоидами, сдвинутыми на 1/3 периода, или тремя векторами, находящимися под углом 120° друг к другу.
Схема трехфазной системы изображена на рисунке.
Трехфазная шестипроводная система является неэкономичной из-за значительного числа проводов. Поэтому чаще всего применяют четырех - или трехпроводные системы (рис. 2.1.3).
Провод 00 называется нулевым или нейтральным, остальные - линейными.
Введем следующие понятия: Iл - линейный ток - это ток протекающий по линейному проводу; Uл - линейное напряжение - это напряжение между линейными проводами; Iф - фазный ток - это ток, протекающий от начала к концу фазной обмотки или приемника энергии (или наоборот: от конца - к началу). Uф - фазное напряжение - это напряжение между началом и концом фазной обмотки или приемника энергии. Другими словами можно сказать: фазное напряжение - это напряжение между линейным и нулевым проводами.
Соединение источников и приемников энергии звездой
Соединение обмоток электрической машины звездой
Соединение звездой – концы обмоток соединены вместе, а начала обмоток подключаются к линейным проводам.
Точка, в которой соединяются концы обмоток, называется нулевой или нейтральной. Провод, подключенный к ней, также называется нейтральным или нулевым.
Разность потенциалов между линейным и нулевым проводом называется фазным напряжением (Uф).
Разность потенциалов между двумя линейными проводами называется линейным напряжением (Uл).
Для симметричной системы, когда 
и  
Если линейное напряжение, например, равно 380 В, то фазное будет:
Если же фазное напряжение Uф = 127В, то линейное будет:
В промышленности пользуются напряжением 127, 220 и 380 В.
В высоковольтных линиях электропередачи применяют напряжение 6 кВ, 10 кВ, 35 кВ, 110 кВ, 220 кВ, 400 кВ, 500 кВ и более.
В низковольтных установках применяются, как правило, четырехпроводные линии электропередачи, а в высоковольтных - трехпроводные. Четырехпроводные линии удобны при совместном электропитании силовых и осветительных потребителей.
Электродвигатели, например, подключаются к трем линейным проводам, а осветительные приборы - к одному линейному и нулевому проводам.
Соединение обмоток треугольником.
Соединение треугольником называется соединение, когда конец первой обмотки соединяется с началом второй обмотки, конец второй обмотки с началом третьей, конец третьей с началом первой обмотки.
При соединении треугольником: Uл = Uф; Iл = 3 Iф
Трансформатором называется статический электромагнитный аппарат, предназначенный для преобразования системы переменного тока одних параметров в систему переменного тока с другими параметрами.
В зависимости от назначения трансформаторы разделяются на силовые и специальные.
Силовые трансформаторы используются в линиях электропередачи и распределения электроэнергии.
К специальным трансформаторам относятся: печные, выпрямительные, сварочные, автотрансформаторы, измерительные, трансформаторы для преобразования частоты и т.д.
Трансформаторы разделяются на однофазные и многофазные, из которых наибольшее применение имеют трехфазные.
Кроме того, трансформаторы могут быть двухобмоточными (если они имеют по две обмотки) или многообмоточными (если они имеют более двух обмоток). В зависимости от способа охлаждения трансформаторы разделяются на масляные и сухие.
Принцип действия и конструкции трансформаторов
Простейший трансформатор состоит из магнитопровода и двух расположенных на нем обмоток. Обмотки электрически не связаны друг с другом. Одна из обмоток - первичная, подключена к источнику переменного тока. К другой обмотке - вторичной подключают потребитель.
Действие трансформатора основано на явлении электромагнитной индукции. При подключении первичной обмотки к источнику переменного тока в витках этой обмотки протекает переменный ток I1, который создает в магнитопроводе переменный магнито-поток Ф. Замыкаясь в магнитопроводе, этот поток пронизывает обе обмотки, индуктируя в них ЭДС.
ЭДС е1 и е2 могут отличаться друг от друга числами витков в обмотках. Применяя обмотки с различным соотношением витков, можно изготовить трансформатор на любое отношение напряжений.
При подключении ко вторичной обмотке нагрузки zн в цепи потечет ток I2 и на выводах вторичной обмотки установится напряжение U2.
Обмотка трансформатора, подключенная к сети c более высоким напряжением, называется обмоткой высшего напряжения (ВН); обмотка, присоединенная к сети меньшего напряжения, называется обмоткой низшего напряжения (НН).
Трансформаторы - обратимые аппараты, т.е. могут работать как повышающими, так и понижающими.
Основными частями трансформатора являются его магнитопровод и обмотки. Магнитопровод выполняется из тонких листов электротехнической стали. Перед cборкой листы изолируются друг от друга лаком или окалиной. Это дает возможность в значительной мере ослабить в нем вихревые токи и уменьшить потери на перемагничивание.
По взаимному расположению обмоток ВН и НН и по способу их размещения на стержнях различают обмотки концентрические и дисковые.
В масляных трансформаторах магнитопровод с обмотками помещается в бак, заполненный маслом, которое отбирает от них тепло, передавая его стенкам бака. Кроме того, электрическая прочность масла выше, чем у воздуха, что обеспечивает более надежную работу высоковольтных трансформаторов.
Для увеличения охлаждающей поверхности применяются трубчатые баки.
При нагревании масло расширяется. Излишек его попадает из общего бака в бак-расширитель, установленный на крышке трансформатора.
Для предотвращения аварии у трансформаторов напряжением 1000 кВ и выше на расширителе устраивают выхлопную трубу, закрытую мембраной - стеклянной пластиной. При образовании в баке большого количества газов мембрана выдавливается, и газы выходят наружу.
Отношение числа витков первичной обмотки к числу витков вторичной обмотки или отношение напряжения первичной обмотки к напряжению вторичной обмотки называется коэффициентом трансформации.
Контрольные вопросы
1. Что называется электрическим током?
2. Что называется электрическим напряжением?
3. Что называется электрическим сопротивлением?
4. Тепловое действие электрического тока.
5. Работа и мощность тока. Единицы работы и мощности тока.
6. Параллельное и последовательное соединение сопротивлений.
7. Закон Ома для переменного тока.
8. Что такое постоянный ток. Закон Ома для постоянного тока.
9. Что такое переменный ток. Период и частота тока.
2.2.2. Электродвигатели
Общие сведения. Электрооборудование грузоподъемных кранов по назначению подразделяется на основное — оборудование электропривода и вспомогательное — оборудование рабочего и ремонтного освещения, сигнализации и отопления.
К основному электрооборудованию относятся: электрические двигатели, магнитные пускатели, контакторы, реле управления, аппараты регулирования частоты вращения электродвигателей; аппараты управления тормозами; аппараты электрической и механической защиты; полупроводниковые выпрямители — преобразователи переменного тока в постоянный для питания обмотки возбуждения вихревого тормозного генератора или других целей; понижающие трансформаторы, используемые для питания цепей управления; аппараты и приборы, используемые для включения цепей управления.
К вспомогательному электрооборудованию относятся осветительные приборы, приборы обогрева, сигнализации, связи.
Грузоподъемные машины, находящиеся в эксплуатации подвергаются воздействию атмосферных осадков, прямых солнечных лучей, больших перепадов температуры и повышенной запыленности воздуха. Электрооборудование должно иметь влаго- и пылезащищенное исполнение, а также соответствовать климатическим условиям.
Электродвигатели. Типы и устройство. Механизмы грузоподъемных машин приводятся в действие асинхронными электродвигателями трехфазного переменного тока. Применяют двигатели следующих разновидностей: с фазным и с короткозамкнутым ротором. Двигатели с короткозамкнутым ротором бывают одно- и многоскоростные. Односкоростные двигатели подразделяются на самотормозящие — со встроенным тормозом и без встроенного тормоза. На грузоподъемных машинах в большинстве случаев применяются односкоростные двигатели с короткозамкнутым ротором несамотормозящие, т. е. без встроенного тормоза.
Асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором (а) и фазный ротор (б).
Асинхронный электродвигатель состоит из двух основных частей: неподвижной — статора 2 и вращающейся — ротора 5.
Статор имеет чугунную или алюминиевую станину 1 с запрессованной в нее активной частью, которая представляет собой пакет, набранный из пластинок тонкой листовой электротехнической стали. Каждая пластинка изолирована от соседней слоем лака. На внутренней цилиндрической поверхности пакета сделаны продольные пазы, в которых расположена обмотка статора.
Обмотка состоит из трех катушек (или групп катушек) с медным изолированным проводом, сдвинутых по окружности статора на равный угол относительно друг друга. Выводы от начала и конца каждой из трех групп катушек статора соединяются между собой в коробке 3 выводов, расположенной на внешней стороне станины двигателя. Обмотка статора этих двигателей чаще рассчитана на работу при напряжении в сети 220 и 380 В. При напряжении 220 В обмотка соединяется треугольником (Δ), 380 В — звездой (Υ). Для удобства соединения все шесть выводов от обмотки промаркированы: начала катушек обозначены С1, С2 С3, концы — С4, C5, Сб.
Станина с обеих сторон закрывается крышками 4, которые крепятся к ней болтами или стяжными шпильками. В крышках находятся подшипники, в которых вращается вал ротора.
Схемы соединения обмоток статора асинхронных электродвигателей:
а — треугольником, б — звездой, в— двойной звездой
Ротор 5, так же как и статор, собран из изолированных листов электротехнической стали. На наружной части ротора есть пазы, в которых укладывается обмотка.
По типу обмотки ротора электродвигатели разделяются на двигатели с короткозамкнутым и с фазным ротором. В короткозамкнутом роторе обмотка состоит из стержней, заложенных в пазы и соединенных с торцовых сторон токопроводящими кольцами. Такая обмотка называется беличьим колесом. Фазный ротор отличается тем, что в пазах пакета 8 уложена обмотка 7 из изолированного привода. Как и обмотка статора, она состоит из трех катушек или трех групп катушек. Начала катушек соединены звездой на роторе, а концы подведены к трем контактным кольцам 6, изолированным друг от друга и от вала ротора. На кольца наложены угольные (графитовые) щетки, находящиеся в щеткодержателях, которые укреплены на одной из крышек станины электродвигателя. Когда щетки прижимаются к контактным кольцам, происходит скользящий токосъем, т. е. вращающаяся обмотка ротора может быть электрически соединена с неподвижными резисторами, находящимися вне двигателя. Дополнительное сопротивление резисторов, включаемое в цепь ротора, уменьшает пусковой ток двигателя, что снижает его пусковой момент и обеспечивает плавный пуск.
Работа электродвигателя основана на взаимодействии вращающегося магнитного поля обмотки статора и токов, индуцируемых в обмотке ротора. Если взять, например, стальное кольцо, намотать на него три проволочные обмотки (спирали) на одинаковом расстоянии по кольцу одна от другой и пропустить через них трехфазный ток, то у каждой обмотки образуется магнитное поле. Взаимодействуя между собой, эти три поля образуют общее магнитное поле; оно по величине останется неизменным и будет вращаться вокруг оси кольца, поэтому оно и называется вращающимся. В двигателе вращающееся поле статора пересекает магнитными силовыми линиями обмотку ротора, при этом в ней возникает (индуцируется) электрический ток, который взаимодействует с магнитным полем статора. Сила взаимодействия тока в обмотке ротора с вращающимся магнитным полем статора создает момент на оси ротора, под действием которого ротор вращается вслед за полем статора, преодолевая при этом приложенный к валу двигателя момент внешней нагрузки.
Частота вращения магнитного поля статора зависит от частоты тока и числа пар полюсов. Частота вращения ротора асинхронного двигателя всегда немного меньше, чем частота вращения магнитного поля статора. Поэтому этот тип двигателя и называют асинхронным (не совпадающим по времени). Во время разгона двигателя по мере приближения частоты вращения ротора к частоте вращения магнитного поля статора уменьшается относительная скорость пересечения обмотки ротора вращающимся магнитным полем статора, соответственно уменьшается и ток в роторе, а также вращающий момент. Когда момент сопротивления становится равным вращающему моменту двигателя, наступает состояние равновесия, при котором частота вращения ротора не изменяется.
Если приложить к валу двигателя вращающий момент нагрузки, направленный в ту же сторону, что и момент двигателя, то частота вращения вала двигателя возрастет, достигнет частоты вращения магнитного поля и несколько превзойдет ее. С этого момента двигатель начнет работать в режиме сверх синхронного торможения, называемом также генераторным, так как двигатель, работая в этом режиме, отдает энергию в сеть. Такой переход от двигательного режима к генераторному происходит у двигателей привода грузоподъемного механизма подъемников. Подъем груза происходит в двигательном режиме, а опускание его — в генераторном.
Чтобы изменить направление вращения асинхронного двигателя, достаточно поменять местами любые две фазы, питающие обмотку статора. При этом изменится направление тока в обмотках двигателя, следовательно, направление вращения магнитного поля статора и ротора.
Частота вращения магнитного поля статора п1 (об/мин) прямо пропорциональна частоте f переменного тока и обратно пропорциональна числу р пар полюсов в обмотке статора
n1 = (f * 60) /р.
Три группы катушек статора, сдвинутые по окружности статора на равный угол друг относительно друга, образуют одну пару полюсов, шесть групп образуют две пары полюсов, девять — три пары и т. д. Таким образом, изменяя число групп катушек в статоре двигателя, можно менять частоту вращения его магнитного поля, а следовательно, и вала двигателя. В многоскоростных двигателях, имеющих шесть групп катушек и более, изменяя порядок соединения их между собой и подключения к проводам внешней сети, изменяют частоту вращения ротора. Например, в двухскоростном двигателе, имеющем шесть групп катушек статора, для медленного вращения ротора их соединяют попарно последовательно треугольником, а для быстрого вращения — двойной звездой. Двигатели имеют от двух до четырех скоростей вращения вала. Сейчас выпускают асинхронные двигатели, рассчитанные на работу только при одном напряжении (127, 220 или 380 В); напряжение указано на табличке, закрепленной на внешней стороне станины двигателя.
С амотормозящий асинхронный электродвигатель со встроенными тормозами. Ротор этого двигателя имеет не цилиндрическую, а конусную форму, соответствующую форме расточки статора 3. Когда двигатель выключен, ротор силой пружины 6 выталкивается по направлению его оси из расточки статора, образуя увеличенный зазор. При этом тормозящий конус 5, жестко соединенный с валом ротора, прижимается к конической поверхности, находящейся внутри крышки 4 электродвигателя. Поэтому выключенный двигатель находится в заторможенном состоянии. Сила торможения регулируется предварительным затягиванием пружины 5 с помощью гаек 7.
При включении электродвигателя ротор втягивается в расточку статора до упора утолщения вала в подшипник 8. Зазор между ротором и статором при этом сокращается до нормальной величины, пружина 6 сжимается, тормозной конус отходит от конической поверхности крышки электродвигателя и торможение прекращается — электродвигатель работает.
Режимы работы двигателей подразделяются на кратковременные и повторно-кратковременные.
Кратковременным называется такой режим, при котором электродвигатель включается на короткое время (10 ... 20 мин), и при этом не успевает нагреться до установившейся температуры. Затем наступает длительный перерыв в работе до полного остывания двигателя.
Повторно-кратковременный режим представляет собой длительно повторяющиеся циклы. В каждом цикле последовательно чередуются включение — работа, выключение — пауза. Этот режим характеризуется продолжительностью включения (ПВ), выражаемой в процентах: ПВ-(время работы/время цикла)- 100 %.
Время цикла при этом режиме не должно превышать 10 мин. Таким образом, если двигатель работает непрерывно 10 мин, то ПВ — 100 %. Стандартные значения ПВ 15, 25, 40 и 60 %. Например, время цикла электродвигателя механизма подъема подъемника складывается из в ремени работы двигателя при подъеме груза на заданный этаж, времени перерыва в работе, необходимого для разгрузки груза на заданном этаже, времени опускания грузонесущего органа в исходное положение для взятия новой порции груза, времени загрузки грузонесущего органа подъемника и подготовительно-заключительного времени, состоящего из сравнительно коротких перерывов между перечисленными операциями. Превышение ПВ при эксплуатации двигателя ведет к его перегреву, что может нарушить изоляцию обмоточной проволоки его катушек.
Крановые двигатели. Крановые двигатели предназначены для работы как в помещении, так и на открытом воздухе, поэтому их выполняют закрытыми, с самовентиляцией (асинхронные двигатели) или с независимой вентиляцией (двигатели постоянного тока) и с влагостойкой изоляцией. Так как двигатели рассчитаны на тяжелые условия работы, их изготовляют повышенной прочности. Двигатели допускают большие кратковременные перегрузки и имеют большие пусковые и максимальные моменты, которые превышают номинальные в 2,3...3,0 раза; имеют относительно небольшие пусковые токи и малое время разгона; рассчитаны на кратковременные и повторно-кратковременные режимы работы.
Асинхронные двигатели имеют обозначение, состоящее из букв и цифр. Буквы показывают исполнение двигателя: МТ — с фазным ротором; МТК — с коротко-замкнутым ротором; первая цифра (0...7) трехзначного числа характеризует возрастающий наружный диаметр статорных листов, третья цифра (1...3)—длину сердечника статора данного габарита; вторая цифра в трехзначном числе (1) указывает, что двигатель относится к модернизированной серии; цифра, стоящая после дефиса, обозначает число полюсов машины. У двигателей с индексом F (MTF, MTKF) применены изоляционные материалы класса нагревостойкости F; с индексом Н (МТН, МТКН) - нагревостойкости Н. Например, марка MTF-411-8 расшифровывается так: крановый электродвигатель с фазным ротором, 4-й величины, 1-й длины, восьмиполюсный с изоляционными материалами класса F. Двигатели переменного и постоянного тока выпускаются в закрытом исполнении. При температуре охлаждающего воздуха 40 °С допускаемое превышение температуры равно 100 °С для изоляции класса F и 125 °С для изоляции класса Н.
Тормозные генераторы, электромагниты, толкатели
Вихревой генератор. Вихревой тормозной генератор применяется для регулирования частоты вращения электродвигателя грузоподъемной лебедки грузопассажирских подъемников. Он предназначен для совместной работы с электродвигателем мощностью 16...30 кВт.
Генератор состоит из трех основных частей: стального статора 3 с внутренними полюсами в виде зубцов, обмотки возбуждения 4, расположенной на статоре между зубцами, и короткозамкнутого ротора 2. Статор генератора крепится на фланце к корпусу электродвигателя или редуктора. Короткозамкнутый ротор насаживается на вал двигателя или на первичный вал редуктора. Ротор с торца закрыт крышкой 1 с жалюзи для вентиляции.
Обмотка возбуждения питается постоянным током. Когда в обмотке проходит ток, в воздушном зазоре между полюсами статора образуется неподвижное многополюсное магнитное поле. При вращении ротора стержни его короткозамкнутой обмотки пересекают неподвижное магнитное поле, вследствие чего в них возникают электродвижущая сила и вихревые токи, замыкающиеся через торцовые кольца ротора. Взаимодействие токов в стержнях ротора с неподвижным магнитным полем статора создает тормозной момент, величина которого зависит от частоты вращения ротора и тока в обмотке возбуждения, а направление момента всегда противоположно направлению вращения ротора генератора. При соответствующем токе в обмотке возбуждения тормозной момент генератора дополнительно нагружает двигатель лебедки подъемника и позволяет осуществить плавное торможение и остановку кабины как при ее подъеме, так и при опускании.
Тормозные электромагниты и электрогидравлические толкатели
Тормозные электромагниты и электрогидравлические толкатели служат для растормаживания колодочных тормозов
Электромагниты разделяются по роду питания на электромагниты переменного и постоянного тока, а по величине хода якоря — на длинно- и короткоходовые.
На подъемниках обычно применяют короткоходовые электромагниты однофазного переменного тока МО (рис.). Магнитопровод у этих электромагнитов выполнен из собранных в пакет изолированных листов электротехнической стали. Он состоит из неподвижного ярма 1 и поворачивающегося якоря 6. Пакет ярма склепан с двумя угольниками 3 и двумя опорными стойками 10. Катушка 5 электромагнита крепится на ярме с помощью крышки 4.
На ярме укреплен короткозамкнутый виток 2, который устраняет вибрацию и гудение электромагнита. Пакет якоря склепан с двумя щеками 8, которые через ось 9 шарнирно соединены со стойками 10. В прорези щек установлена поперечная планка 7. При повороте якоря она упирается в шток колодочного тормоза и перемещает его, обеспечивая отход тормозных колодок от шкива тормоза.
Р ис. Однофазный электромагнит МО:
1 - ярмо, 2 - короткозамкнутый виток, 3 - угольник, 4 - крышка, 5 - катушка, 6 - якорь, 7 –поперечная планка, 8 - щека якоря, 9 — ось, 10 –стойка.
Рис.
|
