Электрооборудование цехов ОМД. Часть 1. Основы электропривода

ОГЛАВЛЕНИЕ 

Введение 
4 

1. Механика электропривода 
6 

1.1. Механические характеристики электропривода. Устойчивость 
6 

1.2. Уравнение движения электропривода 
9 

1.3. Приведение статических и маховых моментов к валу двигателя 
11 

1.4. Время ускорения и замедления электропривода 
12 

Задачи 
14 

2. Электромеханические характеристики электродвигателей 
18 

2.1. Двигатели постоянного тока независимого и параллельного 
возбуждения 
18 

2.2. Двигатель постоянного тока последовательного возбуждения 
25 

2.3. Двигатель постоянного тока смешанного возбуждения 
25 

2.4. Асинхронные двигатели 
26 

2.5. Синхронные двигатели 
31 

Задачи 
35 

3. Регулирование скорости электропривода 
41 

3.1. Показатели регулирования скорости 
41 

3.2. Регулирование скорости электропривода с двигателями 
постоянного тока 
42 

3.3. Регулирование скорости асинхронного двигателя 
58 

3.4. Регулирование скорости синхронного двигателя 
68 

Задачи 
70 

4. Режимы работы и выбор мощности электродвигателя 
75 

4.1. Нагрев и охлаждение двигателей 
75 

4.2. Режимы работы электродвигателей и нагрузочные диаграммы 
77 

4.3. Выбор типа электродвигателя 
79 

4.4. Выбор мощности двигателя для продолжительного режима 
82 

4.5. Выбор мощности электродвигателя для повторнократковременного режима 
84 

Задачи 
86 

5. Автоматическое управление электроприводом 
93 

5.1. Основные понятия об управлении 
93 

5.2. Основные положения описания статических и динамических режимов 
электропривода 
93 

5.3. Системы автоматического управления 
95 

5.4. Аппаратура управления электроприводом 
98 

5.5. Системы стабилизации скорости 
114 

5.6. Регулятор скорости с подчиненным регулированием параметров 
(с последовательной коррекцией) 
121 

5.7. Система управления возбуждением 
126 

5.8. Микропроцессорная система управления тиристорным электроприводом 
постоянного тока 
127 

5.9. Способы и системы управления регулируемым асинхронным 
электроприводом 
130 

Библиографический список 
135 

Приложение 
136 

3 

ВВЕДЕНИЕ 

Современные цеха по обработке металлов давлением (ОМД) 
представляют собой сложный комплекс механического и электрического оборудования. Электрооборудование предназначено для выполнения как простейших операций по перемещению металла, так и 
сложнейших функций по оптимальному управлению технологическим процессом. В основном электрооборудование прокатных, трубных, волочильных и других цехов состоит из электродвигателей и 
элементов управления ими. Электродвигатели и элементы управления предназначены для приведения в движение различных механизмов, и их принято называть электроприводом. 

Электропривод является основным средством механизации и автоматизации производства, определяющим уровень электровооруженности труда. Его широкое внедрение способствует снижению 
себестоимости продукции, увеличению производительности труда, 
повышению качества продукции и улучшению условий труда. 

Он состоит из трех основных частей: 
1) электродвигателя и системы питания; 
2) системы управления, контроля, защиты и сигнализации; 
3) передаточного механизма. 
Электроприводом называется устройство, преобразующее электрическую энергию в механическую и обеспечивающее электрическое управление преобразованной механической энергией. 

Первый в мире электропривод сконструирован русским инженером В.Н. Чиколовым в 1872 г. для швейной машинки. В металлургической промышленности электродвигатели начали применять с 
1893 г. для привода вспомогательных механизмов прокатных станов. 
В настоящее время электродвигатели стали основным видом привода 
во всех отраслях промышленности. В металлургической промышленности в основном используются электродвигатели. 

Электропривод классифицируют по целому ряду признаков: 
- технологическому - главный электропривод, обеспечивающий 
основную технологическую операцию, например привод валков прокатных клетей, и вспомогательный, приводящий в действие вспомогательные механизмы; 

- направлению вращения двигателя - реверсивный и нереверсивный (не изменяющий направления вращения); 

- соотношению числа электродвигателей и исполнительных механизмов производственных агрегатов - групповой, индивидуальный 
и многодвигательный; 

4 

- роду тока - электроприводы постоянного или переменного тока; 
- виду преобразователя - электромашинный или статический (тиристорный или транзисторный) электропривод; 

- способу управления частотой вращения - нерегулируемый и регулируемый электропривод. 

В приводе цехов ОМД в основном используется автоматизированный электропривод, обеспечивающий стабилизацию скорости, 
оптимальное управление переходными процессами, программное 
или позиционное управление. 

К электроприводу металлургических цехов предъявляются высокие требования, основными из которых являются: высокая надежность, экономичность, большая перегрузочная способность, высокие 
быстродействие и точность задания и регулирования частоты вращения. Общепризнана целесообразность применения в большинстве 
производственных машин регулируемого электропривода для обеспечения оптимальных технологических процессов. Кроме того, переход к регулируемому электроприводу обеспечивает большую экономию электроэнергии, что весьма актуально в связи с резким подорожанием топливно-энергетических ресурсов. 

Основным регулируемым электроприводом прокатных цехов попрежнему остается тиристорный электропривод постоянного тока. 
Дальнейшее повышение степени автоматизации этого электропривода идет по пути внедрения мощных микропроцессорных управляющих устройств, универсальных контроллеров и дешевых одноплатных программируемых контроллеров. 

Интенсивно развивается тиристорный электропривод переменного тока, чему способствует и применение новых полупроводниковых 
приборов (транзисторы IGBT, тиристоры 
ОТО и др.). Некоторые 
российские фирмы создали преобразователи частоты и комплектные 
электроприводы малой и средней мощности (до 25 кВт) на базе отечественных IGBT - транзисторов. В более мощных приводах (до 
250 кВт) используются импортные модули. Для всех этих приводов 
характерно использование микропроцессорных контроллеров как для 
управления преобразователями, так и для регулирования параметров 
электропривода, контроля и диагностики. 

Следует отметить замену приводов постоянного тока в некоторых 
традиционных областях его применения на электропривод переменного тока. Так, например, в приводах реверсивных прокатных станов 
фирма «Сименс» применяет синхронные двигатели с тиристорными 
преобразователями частоты. 

5 

1. МЕХАНИКА ЭЛЕКТРОПРИВОДА 

1.1. Механические характеристики 
электропривода. Устойчивость 

к механической системе, совершающей вращательное движение 
относительно оси вращения, прикладываются два момента: вращающий момент двигателя М и момент сопротивления вращению (движению) Мс. 

Зависимость частоты вращения от момента 
сопротивления 
и = f (Мс) называется механической характеристикой производственного механизма (технологической машины) (рис. 1.1). 

Рис. 1.1. Механическая 

характеристика 

производственного 
механизма п = f{Mc) 

Механические характеристики всех производственных механизмов можно разделить на три вида (см. рис. 1.1): 

1) не зависящая от скорости механическая характеристика - прямая 1; 

2) линейно-изменяющаяся характеристика - прямая 2; 
3) нелинейные характеристики: кривая За - вентиляторная характеристика; кривая 36 - момент изменяется обратно пропорционально 
скорости, а мощность, потребляемая механизмом, остается постоянной (моталки прокатных станов). 

Электромеханические свойства электродвигателей в установившемся режиме характеризует механическая характеристика п = f(M), 
которая отражает зависимость частоты вращения п от вращающего 
момента М (рис. 1.2). Механические характеристики различаются по 
степени изменения скорости двигателя при изменении момента нагрузки. 

По' 

! 
^ 
Рис. 1.2. Механическая 

М 
характеристика п = f(M) 

Критерием оценки жесткости механических характеристик служит их крутизна: 

где Ин, Мн - номинальные частота вращения и момент двигателя; 
An, AM - приращение частоты вращения и момента. 

Все механические характеристики двигателей по величине крутизны можно разбить на три группы: 

1) абсолютно-жесткие характеристики, р, = О (синхронные двигатели); 

2) жесткие характеристики, 1 < р, < 10 % (асинхронные двигатели, 
двигатели постоянного тока (ДПТ) параллельного и независимого 
возбуждения); 

3) мягкие характеристики, Рк>10% (ДПТ последовательного 
возбуждения). 

В установившемся режиме работы (п = const) моменту сопротивления механизма соответствует вращающий момент двигателя. 

Предположим, что при моменте Mj двигатель работал со скоростью щ (рис. 1.3). При увеличении момента нагрузки до величины 
М,2 ток, потребляемый двигателем из сети, уменьшается, а вращающий момент увеличивается до величины Мг = М,г. Таким образом, 
двигатель обладает саморегулированием, но это относится только к 
устойчивой части характеристики от точки 1 до точки 2. При моменте нагрузки М,з двигатель перейдет на неустойчивую часть характеристики (2-5)и остановится. 

7 

My 
Мг 
М„>ах 
М е з м 

Рис. 1.3. Устойчивая (1-2) и неустойчивая (2-3) части 
механической характеристики 

При анализе работы двигателя и механизма обычно используется 
совместная характеристика. На рис. 1.4 приведена механическая характеристика вентилятора - I, двшшсш - 2 и их совместная характеристика - 3. При п - const двигатель развивает момент М = М,. Работа привода устойчива, так как при увеличении скорости приращение момента становится отрицательным, а при уменьшении скорости - положительным. Характеристика 4 отличается неустойчивой 
работой привода. 

п 

l \ l 

к 

/ 
/ 
1 
i 
i 

4.^
у' 

i\v 

-Мс 
Мс 
М 

Рис. 1.4. Совместная механическая характеристика 

Условием устойчивости совместной механической характеристики является отрицательное значение производной: 

d«/dM<0. 

Кроме того, пусковой момент двигателя М^ должен быть больше 
момента нагрузки: Мп>М,. 

8 

и 

1.2. Уравнение движения электропривода 

в установившемся режиме работы привода с постоянной скоростью момент двигателя равен моменту сопротивления производственного механизма: М-М,. 
Такой режим принято называть статическим и момент М, статическим. 

При увеличении или уменьшении скорости двигателя происходит 
изменение запаса кинетической энергии во всех вращающихся частях привода и механизма. Поэтому в двигателе устанавливается переходный или динамический режим. Увеличение скорости привода 
ведет к возрастанию кинетической энергии, на это двигатель должен 
расходовать дополнительную энергию и создавать дополнительный 
(динамический) момент М,. При уменьшении скорости привода кинетическая энергия расходуется на преодоление статического момента: 

а ток двигателя 

М^М^±М^, 

I-h±I, 

тт1,1.Я1,- 
суммарный, статический и динамический токи двигателя. 

Для вращательного движения относительно фиксированной оси в 
соответствии со вторым законом Ньютона импульс момента равен 
изменению количества движения: 

где J - момент инерщи вращающихся частей привода и механизма, кг • м^; 
ш-угловая скорость, с-\ 

Момент инерции характеризует меру инерции вращающихся частей относительно оси вращения, который для материальной точки с 
массой т равен произведению массы на квадрат расстояния от точки 
до оси вращения: J - тр\ при постоянном моменте инерции 

- 
т^ 

"' 
dt' 

В справочниках и паспорте двигателя обычно приводятся частота 
вращения «и маховой момент mD^: 

9 

ш = ^ « , 

mD^ 
j^rnp^^'^^^, 
(1.1) 

поэтому 
м ^ = ^ ^ ^ , 
38,2 At 

тт D 
- диаметр инерции вращающихся частей, м; 

mD' -приведенный к валу двигателя маховой момент, кг • м^; 
d«/d?-изменение частоты вращения во времени, об/мин/с. 

Приняв вращение двигателя по часовой стрелке положительным, 
момент двигателя, совпадающий с направлением вращения, - положительным, а направленный встречно момент сопротивления - отрицательным, получим уравнение движения привода: 

Анализ уравнения (1.2) позволяет установить режим работы машины. При М>М, и AnlAt>Q происходит ускорение привода (двигательный режим); при М<М„ d«/d?<0 - замедление привода (тормозной режим). 

Уравнение движения привода используется при построении нагрузочных диаграмм М^Щ, 
используемых для расчета мощности 
двигателя: 

Р = М ш - 1 0 ^ = ^ ^ , 

где Р - расчетная механическая мощность двигателя, кВт; 
М-момент, П-м. 

В паспортных данных двигателя приводятся номинальная мощность Рн (кВт) и номинальная частота вращения п^ (об/мин), по этим 
значениям рассчитывается его номинальный момент М, (П • м): 

M.J^^. 
(1.3) 

10 

1.3. Приведение статических и маховых 
моментов к валу двигателя 

Электродвигатель соединяется с рабочей машиной через передаточный механизм, к которому относятся редукторы, муфты, шестеренные клети, шпинделя и др. (рис. 1.5). В такой системе необходимо 
приводить момент сопротивления к валу двигателя. 

Приведение моментов проводится на основании закона сохранения энергии, поэтому мощность на валу двигателя (Р) складывается 
из мощности на валу рабочей машины (Р^) и потерь мощности в передаточном механизме: 

где Лпер - к п д передаточного механизма. 

Д 

и,Я 

—и
М.„,п„ 

РМ 

mDl 

пер 

Рис. 1.5. Кинематическая схема привода: 
Д - электродвигатель; Р - редуктор; РМ - рабочая машина 

В прокатном и трубном производстве рассчитываются момент 
прокатки на валках М,., и частота вращения валков п^, и по ним определяется мощность: 

9550 
9550л„,р 

откуда статический момент 

М^М 
п. 
1 
М 
(1.4) 

« 
Лпер 
"Лпер 

где и - передаточное число редуктора, и - п1п^. 

При наличии вращающихся частей, обладающих моментами 
инерции Л, Jb Ji, Л и угловыми скоростями ш, щ, ш«, ш„, можно за
11 

менить их суммарную кинетическую энергию энергией одного момента инерции, приведенного к скорости вращения вала двигателя: 

2 
2 
2 
2 

(О 
^ (О 
г 
(^ 
г 
«>м 
J 
— = J — + J 
— + J 
^ , 

ПрИВ 
rs 
^ 
0 
" ^ 
0 
M 
^ 
' 

тогда 
Л.„, = Л + Л е . + ^ , 

прив 
д 
пер 
^ 2 

где Л, Лер, л - моменты инерции двигателя, передаточного механизма и рабочей машины. 
Кроме вращающихся частей в рабочей машине могут быть поступательно движущиеся части массой т^,^ и по закону кинетической 
энергии: 

-^прив 2 
°2 

или 
^™,„. =w„ J ^ 

прив 
п.д у(^ 

где Шпд и V -масса и линейная скорость поступательно движущихся 
частей. 

На основании выражения (1.1) определяется приведенный маховой момент: 

mD' = mD^^ + mD\^^ +^^ 
+ 
f ^ • 

и 
n 

1.4. Время ускорения и замедления 
электропривода 

Длительность динамического режима (время ускорения или замедления двигателя, переход от одной скорости к другой) оказывает 
большое влияние на производительность реверсивных прокатных 
станов и других аппаратов. 

Эти величины можно определить количественно, путем решения 
уравнения движения электропривода при разгоне двигателя: 

^ тР' dn 

'~3S,2dt 

12 

; 

разделяем переменные: d. = ^ ^ ^ ^ ^ d . ; 

"^тГ^ 
^ miy 
I 
^ 
интегрируя, получим время ускорения привода: ?^= J 
— — ( к . 

Интегрирование проводится от начального «,,, до конечного значения Ик частоты вращения. 

Для решения этого интеграла необходимо знать зависимость моментов двигателя и механизма от скорости. 

Для приближенного расчета сделаем допущение, что тО' - const 
и М, = const, момент двигателя при пуске заменим средним его значением: М,р = const, тогда 

Ч 

при пуске двигателя («,,, = 0) 

t .
^ 
"- 
. 
(1.5) 

^ 
38,2 М,р-М, 

Анализируя эту формулу, можно сказать, что для уменьшения 
времени разгона двигателя при пуске до установившейся скорости 
необходимо уменьшать маховой момент и увеличивать пусковой 
момент. 

В тех случаях, когда динамический момент имеет отрицательное 
значение, привод замедляется. Тогда уравнение движения записывается в виде 

_М -М 
^"ИР^^, 
(1.6) 

' 
' 
38,2 ё Г 

где Мт- тормозной момент двигателя. 

Разделив переменные и проинтегрировав выражение (1.6), определяем время замедления: 

«к 
2 
Ин 
2 

f mD 
1 
. 
f mD 
1 
. 

J 38,2 M + M ^ 
I 38,2 M + M ^ 

13