Крановые электродвигатели —
Впервые электрические двигатели постоянного тока с последовательным возбуждением в приводах подъемно-транспортных машин (ПТМ) были применены на кранах Гамбургского морского порта (1891 г.) в механизмах подъема и поворота. Такие системы электропривода применялись в течение ряда десятилетий, что определялось преимущественным использованием в то время постоянного рода тока. С распространением переменного тока в речных и морских портах стали использовать более простые и надежные трехфазные асинхронные двигатели, которые у нас в стране получили преимущественное распространение и составляют около 90% общего числа электродвигателей подъемных кранов. Вытеснение двигателей постоянного тока обусловлено главным образом наличием у них щеточно-коллекторного устройства, снижающего надежность работы и требующего более тщательного обслуживания. Кроме того, при использовании двигателей с последовательным возбуждением невозможно осуществить рекуперативное торможение.
Однако в странах Западной Европы и Америке еще используют электроприводы постоянного тока, что связано не только с традицией, но и объясняется некоторыми преимуществами двигателей последовательного возбуждения по сравнению с асинхронными трехфазными, а именно:
мягкая естественная механическая характеристика двигателя обеспечивает большую скорость механизма подъема на холостых операциях и при обработке легких штучных грузов;
вращающий момент двигателя последовательного возбуждения пропорционален квадрату тока якоря (при некоторых допущениях) и, следовательно, колебания тока меньше, чем колебания момента.
Больший интерес к двигателям постоянного тока начал сейчас проявляться в связи с бурным развитием полупроводниковых преобразователей.
Электродвигатели крановых приводов обычно работают в более тяжелых условиях по сравнению с электродвигателями других общепромышленных механизмов. Поэтому на кранах применяются электродвигатели специальной серии, называемые крановыми и краново-металлургическими.
Электродвигатели главных механизмов кранов работают в повторно-кратковременном режиме, характерной особенностью которого являются частые пуски и отключения. В зависимости от назначения, грузоподъемности крана и вида механизма продолжительность их включения изменяется в широких пределах (от нескольких процентов до 80—90%), а частота достигает 1200 включений в час. Согласно существующим требованиям двигатели по механической прочности должны выдерживать 1600 включений в час. Электродвигатели механизмов передвижения порталов или мостов работают в кратковременном режиме с небольшой частотой включений.
По условиям нагревания допустимая нагрузка двигателя при повторно-кратковременном режиме выше, чем при длительном. При пуске с повышенной статической нагрузкой двигатель должен развивать и повышенный пусковой момент, превышающий статический на значение требуемого динамического момента. Поэтому в повторно-кратковременном режиме работы требуется более высокая перегрузочная способность двигателя, чем при длительном. В табл. 1.1 приведены кратности максимального ктях и пускового моментов kaycv крановых двигателей по отношению к номинальному моменту при ПВ = 40% и двигателей общепромышленного исполнения при ПВ = 100%.
Если значение ктах крановых двигателей подсчитать по отношению к номинальному моменту при ПВ = 100%, то оно составит 4— 5,5.
Условия нагревания и охлаждения двигателей при повторно-кратковременном режиме отличаются от аналогичных условий при длительном режиме. Особенно резко это отличие проявляется при охлаждении с самовентиляцией, так как количество охлаждающего воздуха, поступающего в двигатель, зависит от его частоты вращения. Во время переходных процессов и пауз теплоотдача двигателя ухудшается, что оказывает существенное влияние на допустимую нагрузку двигателя. Поэтому номинальным режимом крановых двигателей является повторно-кратковременный режим, характеризующийся определенной номинальной продолжительностью включения. В повторно-кратко- временном режиме при работе с номинальной нагрузкой температура двигателя колеблется около допустимого значения, увеличиваясь во время работы /р и снижаясь во время паузы /0.
Очевидно, отклонения температуры от допустимой тем выше, чем больше при данной ПВ продолжительность цикла tn = tv -f- и чем меньше постоянная нагревания двигателя Тн. Чтобы ограничить возможную максимальную температуру, ограничивают допустимую длительность цикла. Для серий отечественных двигателей повторно-кратковременного режима допустимое время цикла установлено равным 10 мин, а стандартные продолжительности включения ПВ = = 15, 25, 40 и 60%. У продуваемых двигателей с независимой вентиляцией ПВ = 100%. С увеличением ПВ номинальная мощность двигателей уменьшается.
Из курса теории электропривода известно, что потери энергии в переходных процессах тем больше,чем больше момент инерции электропривода J. В таком механизме, как механизм подъема, основная доля значения J определяется моментом инерции электродвигателя Удв. Следовательно, для снижения потерь электроэнергии роторы крановых двигателей должны по возможности иметь минимальный момент инерции. Это будет способствовать также увеличению производительности в связи с сокращением времени разгона и торможения. Минимальный момент инерции Удв обеспечивается применением роторов удлиненной формы, но относительно небольшого диаметра, что отражается на соотношении габаритных размеров крановых двигателей по сравнению с двигателями общепромышленными.
Одним из способов снижения потерь в крановых электроприводах является использование двигателей с небольшой номинальной частотой вращения. Так, асинхронные двигатели в зависимости от мощности имеют синхронную частоту вращения от 1000 до 600 об/мин (меньшая частота вращения при большей мощности). Для крановых двигателей постоянного тока среднее значение номинальной частоты вращения составляет 700 об/мин (тихоходное исполнение) или 1200 об/мин (быстроходное исполнение).
Для обеспечения надежной работы в условиях сильной тряски и механических толчков крановые двигатели имеют увеличенный воздушный зазор между ротором и статором. К сожалению, это приводит к возрастанию тока холостого хода, составляющего в некоторых случаях 60—70% номинального тока статора.
Крановые двигатели эксплуатируют в условиях частых перегрузок, больших по значению и продолжительности, а также при неблагоприятном климате. Поэтому изоляция должна быть рассчитана на работу в интервале температур от —60 °С (в начале работы на открытом воздухе) до —180 °С (при перегрузках, в условиях высокой температуры окружающей среды). Таким условиям эксплуатации в наибольшей степени отвечают изоляционные материалы классов F и Н.
При неисправностях в системе управления электроприводом подъема частота вращения двигателя в процессе опускания груза может достичь весьма больших значений. Для предотвращения поломок в таких ситуациях крановые двигатели должны допускать максимальную скорость, в 2,5—3,5 раза превышающую синхронную или номинальную (для двигателей постоянного тока).
В настоящее время промышленность выпускает ряд серий двигателей повтор но-кратковременного режима: асинхронные крановые с короткозамкнутым ротором серии MTKF (К — означает коротко- замкнутый ротор, F — класс изоляции) и с фазным ротором MTF; аналогичные металлургические (для температуры окружающей среды до +50 °С) серий МТКН и МТН; постоянного тока серии Д. Принята к исполнению новая серия асинхронных двигателей типа 4МТ с улучшенными показателями и некоторыми отличиями: расширена шкала мощности до 200 кВт; введено четырехполюсное исполнение (п — 1500 об/мин); применены новые материалы — холоднокатаная сталь, изоляционные материалы на основе синтетических пленок и фениловой бумаги и др.; снижен шум и вибрация; увеличена прочность валов; напряжение на кольцах ротора не превышает 300 В, что обеспечивает самовозбуждение при динамическом торможении; в обозначении двигателей введена высота оси вращения.
Параметры двигателей этой серии можно определить по цифрам и индексам, входящим в их обозначения, используя следующую схему:
