книги / Электропривод, электрооборудование и основы управления

Л . С . Ц ЕЙ ТЛ И Н

ЭЛЕКТРОПРИВОД,

ЭЛЕКТРО­

ОБОРУДОВАНИЕ И ОСНОВЫ УПРАВЛЕНИЯ

Допущено Управлением кадров и учебных заведений Мосгорисполкома

в качестве учебника для' учащихся электромеханических техникумов

МОСКВА «ВЫСШАЯ ШКОЛА» 1985

ББК 31.291 Ц32 УДК 621.313.8

Ре ц е н з е н т ы :

Г.X. Штремель — инж., ст. преподаватель

Московского электромеханического техникума; А. В. Костенко — зам. директора

по учебно-производственной работе Ленинградского электромеханического техникума

Цейтлин Л. С.

Ц32 Электропривод, электрооборудование и основы управления: Учебник для уч-ся электромеханич. техн. — М.: Высш. шк., 1985.— 192 с., ил.

45к.

Вкниге изложены основные вопросы электропривода: механические характеристики электро* двигателей в различных режимах, регулирование скорости, расчет резисторов, переходные про­ цессы, выбор электродвигателей. Рассмотрены основные методы управления электродвигателями,

приведены сведения по электрооборудованию жилых зданий и предприятий коммунального обслуживания.

Лев Симонович Цейтлин

ЭЛЕКТРОПРИВОД, ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ И ОСНОВЫ УПРАВЛЕНИЯ

Зав. редакцией Н. И. Хрусталева. Редактор И. Е. Якушина. Мл. редактор Т. Ф. Аргюшна. Художник Н. Ю. Бабикова. Художественный редактор В. И. Мешалкин. Техни­ ческий редактор Э. М. Чижевский. Корректор В. В. Кожуткина.

ИВ № 4341

4эд. N4 СТД-390. Сдано в набор 16.07.84. Подп. в печать 25.01.85. Т-05020. Формат 60 х,90/,в. Бум. тип. № 1. 'арнитура литературная. Печать офсетная. Объем 12 уел. печ. л. Уел. кр.-отг. 24,25.- Уч.-изд. л. 13,47.

Тираж 40 000 экэ. Зак. Ns 615. Цена 45 коп.

Издательство «Высшая школа», 101430, Москва, ГСП-4, Истинная ул., д. 29/14.

1рослдвский полиграфкомбинат Союэполнграфпрома при Государственном комитете СССР по делам издательств, полиграфии и книжной торговли. 150014, Ярославль, ул. Свободы, 97.

© Издательство «Высшая школа», 1985

ВВ Е Д ЕН И Е

Снезапамятных времен человек пытался заменить тяжелый фи­ зический труд работой механизмов и машин. Для этого он использо­ вал силу животных на сельскохозяйственных работах, энергию ветра

иводы на мельницах и оросительных системах, а позже — химичес­ кую энергию топлива. Так появился привод — совокупность преобра­ зователя энергии — двигателя, устройства передачи движения к ме­ ханизму в виде редуктора, ременной, цепной или зубчатой передачи

иустройств управления механической энергией.

Известны различные виды привода: ручной, ножной, когда маши­ на-орудие приводится в действие человеком; ручная дрель, велосипед, гидровелосипед, ручное точило. Использование в XIX в. паровых ма­ шин для текстильного, металлообрабатывающего, металлургического, печатного производства, транспорта привело к дальнейшему развитию промышленности. В XX в. широко стали применять привод от дви­ гателей внутреннего сгорания, особенно на транспорте: в автомоби­ лях, тепловозах, теплоходах, самолетах.

Датой рождения электропривода считается 1838 г., когда русский ученый, акад. Петербургской академии наук Б. С. Якоби установил на лодку изобретенный им электродвигатель постоянного тока. Она вмещала 12—14 человек и передвигалась по реке со скоростью 2 км/ч. Электрическая цепь состояла из гальванических элементов, предо­ хранителей, рубильника. На лодке были установлены механизмы (два гребных колеса), расположенные по бортам лодки, и редуктор. С появлением электромеханических генераторов постепенно электро­ привод начал вытеснять паровой, особенно после того, как М. О. До- ливо-Добровольский сконструировал трехфазный асинхронный дви­ гатель и трехфазный трансформатор (1889— 1891).

Электропривод — это система, состоящая из электродвигательного, преобразовательного,^Передаточного и управляющего устройств, предназначенная для приведения в движение вспомогательных ор­ ганов рабочей машины и управления этим движением.

Электропривод способствует повышению качества продукции, снижению себестоимости, высвобождению рабочих, избавлению лю­ дей от тяжелого и утомительного труда. В зависимости от применя­ емого электродвигателя он может быть постоянного или переменного тока. По используемой аппаратуре электропривод делят на контакт­ ный и бесконтактный. В контактном электроприводе используют реле, контакторы и другие аппараты, где разрыв электрической цепи происходит за счет размыкания контактов. В бесконтактном исполь­ зуют полупроводниковые приборы, изменяющие внутреннее сопро­ тивление от 0 дб оо.

Электровооруженность труда в социалистическом производстве приобретает особое. значение, так как она в значительной степени

4

ЧАСТЬ ПЕРВАЯ

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА

Г Л А В А 1

ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ ПО МЕХАНИКЕ ЭЛЕКТРОПРИВОДА

§ 1.1. Статические нагрузки

Во время работы любого механизма в нем возникает некоторое противодействующее усилие. Например, при фрезеровании, сверле­ нии, точении в месте соприкосновения инструмента и обрабатывае­ мой детали появляется сила трения, всегда направленная против движения и стремящаяся затормозить движение. Если изменить на­ правление вращения фрезы, сверла или детали на токарном станке, то и сила трения изменит свое направление. Значение ее будет зави­ сеть от твердости материала, подачи и глубины резания. Такую силу называют статической силой сопротивления FCT, а момент, ею вызван­ ный, — статическим моментом сопротивления Мех. Электродвигатель должен постоянно преодолевать этот момент, поэтому он и потребля­ ет от сети электроэнергию.

Статический момент сопротивления возникает и в других метал­ лообрабатывающих станках: шлифовальных, строгальных, долбеж­ ных, разрез цых. В них появляется момент трения, который всегда направлен против движения инструмента. Статический момент со­ противления, возникающий только при движении и всегда направлен­ ный против движения, называют реактивным. Большинство меха­

момент сопротивления, направленный в какую-либо одну сторону, независимо от направления движения называют активным. Например, подъемное устройсто, схема которого показана на рис. 1.1, подни­ мает груз. Вес груза G направлен вниз и создает статический момент сопротивления (Н • м)

хода часовой стрелки) и при спуске (вращение барабана по ходу часовой стрелки) момент сопротивления М Ствсегда направлен в одну сторону — по ходу часовой стрелки.

К механизмам с активным статическим моментом сопротивления относятся подъемные краны, лифты, шахтные подъемники, т. е. ме­ ханизмы, в которых преодолеваются силы тяжести. Существуют ме­ ханизмы, в которых преодолеваются силы упругости. Например, если электродвигателем сжимать пружину, то момент сопротивления будет

6

U)

направлен против движения; если же двигатель вращать в обратную сторону, то момент, созданный пружиной, будет направлен в ту же сторону и будет помогать вращению электродвигателя. Силы упру­ гости возникают в часах с- электрическим подзаводом, автоматичес­ ких выключателях с пружинным разъединением контактов, поршне­ вых насосах и др.

Существуют механизмы, в которых одновременно возникают оба статических момента сопротивления: активный и реактивный. Напри­ мер, эскалатор метро, поднимающий пассажиров и одновременно пе­ ремещающий их по горизонтали, конвейер и канатная дорога, уста­ новленные наклонно, роторный экскаватор преодолевают силы тя­ жести и силы трения.

Следует отметить, что механизмов только с активным моментом статического сопротивления не бывает. В любом подъемном меха­ низме имеется трение и, следовательно, реактивный момент, но он часто настолько мал, что им пренебрегают.

На рис. 1.2 показаны механические характеристики, т. е. зависи­ мость угловой скорости от статического момента сопротивления для активного (кривая 1) и реактивного (кривая 2) моментов.

§ 1.2. Основное уравнение движения электропривода

Согласно первому закону Ньютона, прямолинейное равномерное движение происходит при F = FCT, а равномерное вращение — при М = Мег. Если М > Мст, то получаем ускорение электродвигателя и механизма, а если М <М СТ, то — замедление. Таким образом, при неравномерном вращении всегда имеется некоторая разность между этими моментами:

где М дин — динамический момент, Н • м.

Очевидно, что при равномерном вращении М лт1 = 0, при ускорении

7

Мди„>0, а при замедлении МДИ1,< 0 . Уравнение (1.2) называется

основным уравнением электропривода для вращательного движения.

«—». Если эти моменты направлены в ту же сторону, что и вращение, то они считаются положительными, а если в обратную, то — отри­ цательными. Электромагнитный момент М двигателя со знаком «+ » означает, что двигатель работает в двигательном режиме и вращение происходит под действием электродвигателя. Момент М со знаком «—» означает, что двигатель работает в тормозном (генераторном) режиме, т. е. его электромагнитный момент препятствует движению.

Реактивный статический момент сопротивления всегда отрицате­ лен, так как силы трения всегда направлены против движения. Ак­ тивный момент может быть и положительным, и отрицательным (см. рис. 1.2).

Примеры основного уравнения электропривода:

—Л/Д11Н= М—Мст. Уравнение соответствует работе двигателя в двигательном режиме ( + М) с замедлением (—МД1|Н); при этом мо­ мент сопротивления может быть активным или реактивным и на­ правлен против вращения ( —Мст). В таком режиме работают: то­ карный станок в момент увеличения глубины резания или подачи, транспортерная лента при увеличении количества грузов на ней и т. д.

Мдин = М — Мст. Уравнение соответствует работе электропривода с

нием ( + Мд„н). Это может быть только под действием статического момента сопротивления, направленного в сторону вращения ( + Л/СТ). Например, при спуске груза, когда во время работы двигателя на подъем трос все же разматывается под действием очень тяжелого груза (см. (1.1)].

—Манн = — М—М ст. Уравнение соответствует замедлению(—Мд,,,) при тормозном режиме двигателя (—М) и статическом моменте, пре­ пятствующем движению (—М„). Так движется по инерции электро­ поезд при подходе к станции. Он останавливается и за счет трения,

иза счет торможения двигателем.

§1.3. Механические характеристики электродвигателей

имеханизмов

Механической характеристикой называют зависимость между двумя механическими величинами (см. рис. 1.2): моментом и угло­ вой скоростью © = /(М ). Вместо угловой скорости можно записать л = /(М ), так как эти величины прямо пропорциональны:

8

стоянного тока независимого и параллельного возбуждения в рабочей части характеристики скорость незначительно уменьшается с ростом момента (соответственно кривые 2, 3);

удвигателя постоянного тока смешанного возбуждения при встречном включении полюсных обмоток в рабочей части механи­ ческой характеристики с ростом момента угловая скорость сначала растет, а затем уменьшается (кривая 4);

удвигателя постоянного тока последовательного возбуждения с

ростом .нагрузки на двигатель скорость резко падает (кривая 5); у двигателя постоянного тока смешанного возбуждения при со­ гласном включении полюсных обмоток с увеличением нагрузки ско­ рость резко уменьшается (кривая 6). Эта характеристика отличается от характеристики, показанной на кривой 5, тем, что угловая ско­ рость холостого хода со0^=оо, т. е. электродвигатель не идет в разнос

при малых нагрузках.

В механических характеристиках / —6 независимой переменной является вращающий электромагнитный момент, а угловая ско­ рость — функцией. В свою очередь, вращающий момент двигателя определяется статическим моментом сопротивления, так как он стре­ мится к равенству с моментом сопротивления М = М Ст>что соответ­ ствует равномерному вращению.

Механические характеристики производственных механизмов (рис. 1.3, б). Они имеют различную форму, так как принцип действия механизмов различен. Механическая характеристика подъемного устройства (лебедки) изображается вертикальной прямой линией 7, так как при постоянном весе груза момент Мст всегда постоянен и не зависит от скорости вращения [см. (1.1)].

Вентиляторы, центробежные насосы, гребные винты создают ста­ тический момент сопротивления в результате трения о воздух или жидкость. При этом сила трения пропорциональна квадрату ско­ рости вращения; следовательно, механическая характеристика имеет форму параболы (кривая 8).

Генератор постоянного тока также является механизмом. Его якорь вращается от электродвигателя. Генератор потребляет механичесую энергию и в нем возникает статический момент сопротив­

9