Электрические силовые передачи

Электрическая силовая передача со­стоит из генератора, который преобра­зует механическую энергию в электриче­скую, питающую электродвигатель (элек­тродвигатель может получать питание и непосредственно от внешней сети), раз­личных устройств для передачи электро­энергии от генератора или внешней сети электродвигателям (силовые шкафы, то­косъемники, кабели и провода, соедини­тельная арматура) и электродвигателя, преобразующего электрическую энергию в механическую, которая приводит в дей­ствие тот или иной исполнительный ме­ханизм крана.

Электрические силовые передачи у ав­томобильных кранов переменного тока напряжением 380 В. Предусмотрена воз­можность питания двигателей от внеш­ней электрической сети общего назначе­ния. На автомобильных кранах приме­няют два типа электрических машин переменного тока: асинхронные двигате­ли и синхронные генераторы.

Асинхронный двигатель (рис. 17) со­стоит из подвижной части — ротора 2 и неподвижной — статора 4, крышек 3 и вентилятора 1. При включении двигате­ля в сеть трехфазная симметричная об­мотка статора создает в воздушном зазо­ре двигателя магнитное поле (вращаю­щееся поле), которое наводит электродви­жущую силу (ЭДС) и ток в замкнутой обмотке ротора. В результате взаимодей­ствия вращающегося поля и тока ротора создается крутящий момент и ротор на­чинает вращаться в направлении враще­ния поля.

Частота вращения ротора не равна ча­стоте вращения магнитного поля стато­ра — асинхронна, отсюда и название дви­гателя.

Различие частот вращения ротора и магнитного поля статора характери­зуется скольжением — величиной, равной отношению разности частот вращения магнитного поля и ротора к частоте вра­щения магнитного поля, выраженному в абсолютных значениях, или в про­центах. При холостом ходе двигателя скольжение почти равно нулю и частота вращения ротора почти равна синхрон­ной. С увеличением нагрузки скольжение двигателя увеличивается, а частота вра­щения ротора падает.

Ротор — стальной вал, на который напрессован сердечник, собранный из изолированных друг от друга тонких ли­стов электротехнической стали. На по­верхности сердечника сделаны пазы для укладки обмотки. Вал опирается на под­шипники качения. Роторы асинхронных двигателей изготовляют двух видов: короткозамкнутые и с контактными кольца­ми (фазный ротор).

Обмотка короткозамкнутого ротора представляет собой цилиндри­ческую клетку, так называемое «беличье колесо», состоящее из медных шин и алюминиевых стержней. Стержни этой обмотки вставляют без изоляции в пазы ротора и замыкают накоротко по торцам кольцами.

Обмотка фазного ротора выполнена изолированным проводом. Свободные концы обмотки подведены к контактным кольцам, расположенным на валу ротора. По кольцам скользят щетки, через которые обмотка соединена с пусковым реостатом, включенным в цепь для уменьшения пусковых токов. Щетки прижимаются щеткодержателя­ми с пружинами к кольцам. Для охлаждения обмоток двигателя на валу роторов устанавливают вентиляторы, а в статорах и крышках есть вентиля­ционные отверстия.

Статор — лигой чугунный корпус цилиндрической формы, на наружной поверхности которого имеются спе­циальные приливы (лапы) для крепления двигателя. Внутри корпуса запрессован цилиндрический сердечник из тонких ли­стов электротехнической стали, которые изолированы друг от друга слоем лака для уменьшения потерь на вихревые то­ки. На внутренней поверхности сердечника сделаны пазы для укладки трехфазной обмотки. Концы обмотки выве­дены к контактным зажимам на щитке, расположенном на поверхности статора, и соединены между собой звездой (при напряжении сети 380 В) или треугольни­ком (при напряжении сети 220 В). Таким образом, один и тот же двигатель может быть включен в сеть с напряжением либо 380, либо 220 В.

К корпусу каждою электродвигателя прикреплен заводской щиток, на котором дана характеристика двигателя: номи­нальная мощность (кВт) при номиналь­ной (полной) нагрузке, частота вращения вала ротора (Гц или об/мин), коэффи­циент использования двигателя по мощ­ности (cos ф), напряжение гока, на кото­рое рассчитан двигатель при соединении обмоток статора звездой или треугольни­ком, и сила тока ротора при номиналь­ном напряжении. В виде дроби указы­ваются рабочее напряжение двигателя (в числителе) и потребляемый ток (в знаме­нателе). Электрические двигатели харак­теризуются, кроме того, максимальным моментом и перегрузочной способ­ностью.

Максимальным моментом называется наибольший момент, который может быть развит двигателем при плавном увеличении нагрузки на его валу.

Перегрузочная способность — отноше­ние максимального момента к номиналь­ному.

Допускаемая загрузка двигателей оп­ределяется относительной продолжитель­ностью включения (ПВ): отношением суммы времени работы двигателя в тече­ние цикла к общей продолжительности цикла работы крана. При расчетах и про­ектировании электропроводов ПВ для двигателей принимается равной 15; 25; 40; 60 или 100%.

Установленные на автомобильных кранах двигатели работают в повторно- кратковременном режиме, при котором короткие периоды работы двигателя че­редуются с продолжительными периода­ми, в течение которых он отключен. ПВ такого режима работы не превышает 25%.

На автомобильных кранах обычно применяют электродвигатели серий MTF, MTKF закрытого исполнения, что предо­храняет обмотку от воздействия влаги, пыли и колебаний температуры окружаю­щей среды. Детали двигателей повышен­ной механической прочности, а примене­ние нагревостойкой изоляции обеспечивает повышение надежности двигателей при их малых габаритах. Двигатели се­рии MTF выпускают с фазным ротором, a MTKF — с короткозамкнутым. Буква F обозначает, что обмотка имеет нагревостойкую изоляцию, позволяющую экс­плуатировать двигатель в условиях высо­кой (выше 35 °С) температуры окружаю­щего воздуха.

Марка двигателя состоит из названия серии и ряда цифр. Первая цифра обозна­чает размер двигателя (по диаметру статорных листов), вторая — модернизацию, третья — длину сердечника статора, по­следняя — число полюсов. Например, марка двигателя MTKF-311-8 расшиф­ровывается так: двигатель короткозамкнутый с нагревостойкой изоляцией, третьей величины, модернизирован, пер­вой длины, имеет восемь полюсов.

На автомобильных кранах в основном применяют двигатели с фазным ротором, так как в них можно регулировать пу­сковые токи и пусковые моменты с по­мощью резистора, вводимого в цепь ро­тора. Перегрузочная способность этих двигателей при ПВ = 25% равна 2,5 — 3,4.

Двшатели серии MTKF с коротко- замкнутым ротором характеризуются большим начальным пусковым момен­том, превышающим номинальный в 2,6 — 3,1 раза, и небольшой мощностью (до 16 кВт). Начальные пусковые токи у них значительно превышают номи­нальные (до 5 раз). Перегрузочная спо­собность этих двигателей небольшая (1,8 — 2,5), а частоту их вращения нельзя регулировать. Поэтому двигатели с ко­роткозамкнутым ротором устанавливают на автомобильных кранах редко и толь­ко для привода стреловой лебедки (КС-4561А) или лебедки для подтягива­ния груза (СМК-10). Для привода стрело­вой лебедки на некоторых кранах могут устанавливаться также асинхронные дви­гатели с короткозамкнутым ротором и повышенным скольжением серии АОС.

Короткозамкнутые асинхронные дви­гатели на автомобильных кранах запу­скаются непосредственно от генератора или внешней сети на полное напряжение с помощью магнитных пускателей. Такой пуск самый простой, но вызывает в сети большие пусковые токи при относитель­но малом пусковом моменте двигателя.

При пуске асинхронных двигателей с фазным ротором в цепь ротора вводят пусковой реостат, которым управляют с помощью контроллеров (грузовая ле­бедка) или универсальных переключате­лей (механизм поворота). Вводя реостат в цепь ротора, увеличивают ее сопроти­вление и, следовательно, уменьшают пу­сковой ток и увеличивают начальный пу­сковой момент. Частоту вращения асинх­ронных двигателей с фазными роторами регулируют изменением сопротивления цепи ротора, для чего с помощью кон­троллера вводят или выводят из цепи часть резисторов пускового реостата. При вводе или шунтировании резисторов соответственно уменьшается или увели­чивается частота вращения двигателя.

При переводе рукоятки контроллера или универсального переключателя в пер­вое положение в цепь ротора включено наибольшее число резисторов и ротор на­чинает вращаться с наименьшей часто­той. При переводе рукоятки в последую­щее положение резисторы в цепи ротора шунтируются по ступеням и частота вра­щения двигателей возрастает. В послед­нем положении рукоятки обмотка ротора двигателя грузовой лебедки замыкается накоротко и двигатель работает как с короткозамкнутым ротором, а в цепи рото­ра двигателя механизма поворота остает­ся часть резисторов, необходимая для обеспечения заданной пониженной ча­стоты вращения поворотной части крана.

Описанный способ регулирования наиболее простой, но неэкономичный, так как связан со значительными потерями энергии в резисторах. Кроме того, этим способом нельзя регулировать частоту вращения двигателя на холостом ходу, так как она при небольших нагрузках практически не зависит от числа резисто­ров в цепи ротора.

Напряжение и частота тока, выра­батываемого синхронным генератором, пропорциональны частоте вращения его ротора. Это свойство синхронного гене­ратора используется для регулирования частоты вращения асинхронных двигате­лей с короткозамкнутым ротором и для расширения диапазона регулирования ча­стоты вращения асинхронных двигателей с фазным ротором. Изменением подачи топлива изменяют частоту вращения дви­гателя базового автомобиля и, следова­тельно, генератора. При изменении ча­стоты вращения генератора в диапазоне 750—1000 об/мин напряжение и частота тока изменяются соответственно в преде­лах 300-400 В и 37,5-50 Гц. Для изме­нения направления вращения ротора (ре­версирование) асинхронного двигателя изменяют направление вращения магнит­ного поля в обмотке ротора, для чего применяют реверсивные магнитные пу­скатели или контроллеры, с помощью ко­торых меняют схему соединения обмоток статора.

Синхронный генератор — электрическая синхронная машина, частота вращения которой не зависит от нагрузки и нахо­дится в строгом постоянном отношении к частоте сети переменного тока, обратно пропорциональному числу пар полюсов генератора.

Синхронный генератор, как и двига­тель, состоит из неподвижной (статора) и вращающейся (ротора) частей. Цилин­дрическая станина статора чугунная ли­тая. В верхней части станины сделан про­ем прямоугольной формы для установки блока регулирования напряжения. На внутренней поверхности станины равно­мерно по окружности расположены про­дольные ребра для запрессовки сердечни­ка статора. Сердечник запрессован таким образом, что между его наружной по­верхностью и продольными ребрами образуются каналы, по которым прохо­дит через генератор охлаждающий воз­дух. Сердечник набирают из штампо­ванных изолированных листов электро­технической стали. После опрессовки па­кет сердечника крепят продольными ско­бами, которые на торцах приваривают к нажимным кольцам.

Обмотка статора состоит из мягких секций, намотанных медным круглым проводом. Схема соединения обмотки «звезда с нулем». Между продольными ребрами вложена дополнительная трех­фазная обмотка для питания цепи воз­буждения генератора. Начала фаз этой обмотки подводятся к стабилизатору, а концы — к щеткам выпрямителя.

Ротор генератора выполнен явнополюсным. Сердечник ротора прессуют на стальном валу, набирая его из штампо­ванных листов электротехнической стали, имеющих форму четырехконечной звезды (креста). На лучах звезды устанавливают катушки, намотанные медным проводом прямоугольного поперечного сечения.

Обмотка ротора выполняется по­следовательным соединением этих кату­шек. Концы обмотки выведены по внут­ренней полости вала к изолированным контактным кольцам, установленным в стальной втулке, которая напрессована на вал ротора.

Контактные кольца изготовляют из латуни (обычное исполнение) или меди (тропическое исполнение) и закрывают штампованным кожухом, имеющим за­щелки для крепления его к подшипнико­вому щиту. К щиту крепится и чугунное кольцо с двумя траверсами, на каждой из которых установлено по два щеткодержа­теля со щетками. Щетки каждой из тра­верс соединены между собой перемычка­ми, а щетки одной траверсы попарно соединены со щетками другой траверсы гибкими кабелями.

Над проемом прямоугольной формы, выполненным в верхней части станины генератора, устанавливают блок регули­рования напряжения. Блок состоит из вы­прямителя, цепи возбуждения, трансфор­маторов тока, дросселя цепи компаунди­рования и конденсаторов самовозбужде­ния. Блок закрыт кожухом, который запрещается снимать без крайней необхо­димости, так как при работе генератора со снятым кожухом из-за нарушения ох­лаждения могут перегреться и выйти из строя элементы блока.

Самовозбуждение генератора проис­ходит следующим образом. При враще­нии ротора с номинальной частотой в ре­жиме холостого хода остаточный маг­нитный поток ротора индуцирует неболь­шую остаточную ЭДС в основной обмотке статора. Еще меньшая ЭДС индуцируется в дополнительной обмотке статора, причем ее недостаточно для открывания кремниевых выпрямите­лей и самовозбуждения генератора. ЭДС дополнительной обмотки вызывает соответствующий небольшой ток в замк­нутой цепи, состоящей из реостата уста­новки, компаундирующего резистора, дополнительной обмотки, кремниевого выпрямителя и обмотки ротора.

Протекание небольшого тока в об­мотке ротора несколько увеличивает маг­нитный поток машины, что вызывает со­ответствующее возрастание ЭДС допол­нительной обмотки. В свою очередь, это увеличение ЭДС приводит к росту тока в обмотке ротора и, следовательно, к еще большему росту ЭДС дополнительной обмотки. Этот процесс происходит до тех пор, пока не установится определенный магнитный поток и напряжение генерато­ра приблизится к номинальному (400 В). Реостатом устанавливают напряжение генератора в пределах 380—400 В.

При подключении к зажимам генера­тора нагрузки по основной обмотке статора протекает ток, создающий в гене­раторе соответствующий магнитный по­ток статора. Этот поток направлен про­тив магнитного потока, образованного обмоткой ротора. Для компенсации размагничивания потока статора и сохране­ния напряжения генератора на уровне номинального значения ток обмотки ро­тора при нагрузке должен быть увеличен тем больше, чем больше нагрузка.

Ток обмотки ротора при увеличении нагрузки увеличивается автоматически с помощью стабилизирующего устрой­ства. В стабилизирующем устройстве предусмотрены компаундирующие транс­форматоры и резистор. При Прохо­ждении нагрузки по первичной обмотке трансформатора во вторичной его обмот­ке протекает соответствующий ток, замы­кающийся через компаундирующий рези­стор. В результате на компаундирую­щем резисторе напряжение падает (про­порционально току нагрузки) и возникает ЭДС компаундирования.

Значение этой ЭДС обратно пропор­ционально падению напряжения и, следо­вательно, зависит от нагрузки. Так как ЭДС компаундирования суммируется с ЭДС дополнительной обмотки, то в цепи, последовательно соединенной с обмоткой ротора, действует суммарная ЭДС, зависящая от нагрузки. Схема при­соединения фаз обмоток компаундирую­щих трансформаторов к цепи вспомога­тельной обмотки, а также маркировка обмоток выполнены так, чтобы обеспе­чить изменение тока обмотки ротора с целью поддержания постоянства напря­жения при изменении нагрузки.

На автомобильных кранах применяют четырех- или шестиполюсные генераторы серии ЕСС5 (единая система синхронных генераторов с самовозбуждением). Пер­вая цифра индекса, следующая за обозна­чением системы, обозначает габарит гене­ратора, вторая — условную длину сердеч­ника, а последняя — число полюсов. По­сле цифр указывают шифр формы ис­полнения генератора. На автомобиль­ных кранах применяют форму исполне­ния М101. Например, обозначение ЕСС5-83-6М101 читается следующим об­разом: генератор синхронный единой се­рии, восьмого габарита, третьей длины, шестиполюсный, выполнен в защищен­ном исполнении, горизонтальным на ла­пах, с двумя подшипниковыми щитами; вентиляция аксиальная вытяжная.

Устройства для подвода тока. Ток, вы­работанный генератором, подается в си­ловой шкаф, установленный на ходовой раме крана или в кабине базового авто­мобиля (под сиденьем). В силовом шкафу размещены автоматический выключатель (выключатели), предназначенный для за­щиты генератора и внешней сети от пере­грузок, аппараты стабилизирующего уст­ройства, штепсельный разъем для под­ключения кабеля, подводящего ток, и штепсельное гнездо для подключения внешней нагрузки. Электрические двига­тели переключаются на питание от гене­ратора или внешней сети пакетным пере­ключателем.

При питании двигателей от внешней сети электрический ток подводится к си­ловому шкафу по кабелю от силового распределительного ящика, установлен­ного на распределительном пункте рабо­чей площадки. Силовой распредели­тельный ящик — металлический шкаф, в котором смонтированы рубильник и плавкие предохранители. Включают и выключают рубильник рукояткой, вы­веденной через стенку шкафа наружу.

Основным типом кабеля является четырех жильный кабель КРПТ. Три жилы кабеля — фазные рабочие, а четвертая 7 — нулевая служит для зазем­ления или зануления корпуса крана. Каж­дая из жил свита из отдельных тонких медных проволочек, что придает кабелю необходимую гибкость. Жилы изолиро­ваны резиновым покрытием и обмот­кой из прорезиненной тканевой ленты.

Сечение гибкого кабеля выбирают в зависимости от мощности, потребляе­мой электродвигателями крана. Фазные жилы бывают сечением 25; 35; 50 и 70 мм2. Сечение нулевой жилы соответ­ственно в 2 раза меньше. Кабель рассчи­тан на напряжение до 500 В и может вы­держивать значительные механические нагрузки, возникающие при его переме­щении по грунтовой площадке. Подклю­чают его к крану через штепсельный разъем силового шкафа: нулевой про­вод кабеля соединяют с зажимом зануления, предусмотренным на штепсельном разъеме.

От силового шкафа электроэнергия подается к кольцевому токосъемнику — устройству, передающему электроэнер­гию с неповоротной части крана на пово­ротную. На кранах применяют обычно кольцевой токосъемник серии К-3000 с девятью контактными кольцами. Он состоит из контактных колец, смонтированных вместе с изоля­ционными кольцами и фланцами на полой стойке и закрепленных двумя гай­ками и шайбой. Жилы кабелей неповоротной части крепят винтами к кон­тактным кольцам внутренней стороны.

Стойка с кольцами установлена на нижней раме крана. Фланцы скользят во время поворота платформы по фланцам. Последние стянуты траверса­ми на которых закреплены щеткодер­жатели. Фланцы неподвижны относи­тельно поворотной платформы. Токоведущие и изолирующие части защищены от пыли и влаги щитком, изоляционны­ми резиновыми втулками и кожухом.

Электрические соединения в приводе выполнены кабелем марок КРПТ и IIIРПС сечением 2,5; 6 и 10 мм2.