2. Общие вопросы электропривода и аппаратуры управления металлургических установок.

2.1. Электродвигатели.

Современные металлургические заводы оснащены почти исключительно электрическими приводами, приводящими в движение исполнительные органы рабочих машин. В качестве исполнительных органов могут служить валки прокатных станов, барабан подъемного крана, механизм поворота конвертора и т.п. Движение на исполнительные органы передается от двигателя через передаточное устройство, которое согласует вид движения и скорость. В качестве передаточного устройства используют редукторы, муфты, реечные передачи и т.д. Основным элементом электропривода является электродвигатель, преобразующий электрическую энергию в механическую. В большинстве случаев привод получает электроэнергию от трехфазной сети переменного тока частотой 50 Гц и напряжением от 380 до 10000 В. Выбор рода тока и типа электродвигателей производят на основании технико-экономических расчетов.

Электропривод постоянного тока, обладающий хорошими регулировочными свойствами, находит применение в установках, где требуется широкое и плавное регулирование скорости. Однако использование двигателей постоянного тока связано с необходимостью установки сравнительно дорогих и сложных преобразователей (выпрямителей). Кроме того, сам двигатель постоянного тока сложен в конструктивном отношении и в уходе, что объясняется в основном наличием коллектора. Поэтому электродвигатели постоянного тока допускается применять в тех случаях, когда условия работы электропривода не позволяют применить электродвигатели переменного тока из-за обеспечения требуемой работы механизма, либо из соображений экономичности.

Асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором имеют большие пусковые токи; к тому же в обмотках двигателя выделяются все пусковые потери. Такие двигатели допускают не более 150-200 включений в час. Асинхронные двигатели с фазным ротором допускают порядка 500-700 включений в час, а двигатели постоянного тока 1000 включений в час и выше. Поэтому для привода механизмов, работающих с большой частотой включений, возможно применение двигателей постоянного тока, даже при отсутствии регулирования скорости.

Электродвигатели механизмов металлургических цехов часто работают в тяжелых условиях по температуре, влаге и запыленности. В соответствии с этим они выпускаются в различном исполнении с точки зрения защиты от воздействий вредных факторов среды и с точки зрения охлаждения.

2.1.1. Асинхронные двигатели.

Асинхронные двигатели нашли очень широкое применение благодаря простоте конструкции, надежности, минимальной стоимости, возможности питания непосредственно от сети переменного тока.

Скорость вращающегося магнитного поля, создаваемого обмоткой статора, называется синхронной. Она зависит от частоты сети f₁ и числа пар полюсов р обмотки статора:

,

соответственно синхронная частота вращения:

.

Особенностью асинхронного двигателя является наличие скольжения S, отображающего отставание ротора от магнитного поля статора:

При неподвижном двигателе =0, S=1; при идеальном холостом ходе =₀; S=0.

Обычно номинальное скольжение находится в пределах от 1,5 % для мощных двигателей до 7 % для маломощных.

Асинхронные двигатели характеризуются величиной критического момента на валу:

,

где U₁ – напряжение сети; х_К.З. – индуктивное сопротивление цепи короткого замыкания.

Критический момент определяет максимальную кратковременную перегрузочную способность двигателя . Для короткозамкнутых асинхронных двигателей нормального исполнения перегрузочная способность  = , у двигателей краново-металлургической серии =2,03,5.

Напряжение в сети металлургического завода может сильно колебаться, например, снижаться при пуске мощного двигателя, поэтому для учета возможного снижения М_КР, допустимая перегрузка принимается не более

Введение сопротивлений в цепь ротора приводит к снижению жесткости механической характеристики =f(M).

Асинхронный двигатель может работать во всех трех известных тормозных режимах.

В режиме торможения противовключением ротор вращается под действием нагрузки (например, спуск груза в тормозном режиме) в сторону, противоположную вращению поля статора. Скольжение становится больше единицы , а ток ротора превышает ток короткого замыкания. Для ограничения тока в цепь ротора вводят ступень реостата. Такой режим широко используется в металлургических кранах при спуске грузов в тормозном режиме.

В режиме динамического торможения двигатель отключается от сети переменного тока и две фазы обмотки статора подключают к источнику постоянного напряжения. При этом обмотка статора создает постоянное магнитное поле, которое индуктирует во вращающемся роторе ток. Взаимодействие этого тока с постоянным полем статора создает тормозной момент. С уменьшением скорости тормозной момент снижается до нуля.

Плавный спуск груза осуществляется в режиме динамического торможения с самовозбуждением, когда для возбуждения используется выпрямленное напряжение обмотки ротора – рис. 2.1. в этом режиме энергия не потребляется.

Рекуперативное торможение с отдачей энергии в сеть возможно при скорости вращения ротора выше синхронной; при этом скольжение будет отрицательным. Двигатель станет работать генератором, превращая кинетическую энергию опускающегося груза в электрическую и отдавая ее в сеть.

Часто такие механизмы, как дробилки, мельницы, вентиляторы, насосы, компрессоры, конвейеры и т.п., в настоящее время оборудованы асинхронным нерегулируемым приводом. В некоторых случаях это приводит к низкому КПД механизма. Наиболее экономичным является регулирование производительности изменением частоты вращения двигателя. К тому же такой способ регулирования наилучшим образом поддается автоматизации.

Рис. 1.1. Схема динамического торможения Рис. 2.2. Схемы пуска при пониженном

асинхронного двигателя с самовозбуждением. напряжении.

Регулирование скорости асинхронного двигателя можно осуществить введением в цепь ротора реостата (увеличением скольжения), изменением числа пар полюсов и изменением частоты питающей сети.

Реостатное регулирование неэкономично и сильно смягчает механические характеристики, но благодаря своей простоте оно применяется чаще всего, особенно в приводе металлургических кранов.

Регулирование изменением числа пар полюсов производится ступенями. Промышленностью выпускаются двигатели двух-, трех – и четырехскоростные, например, на 500/750/1000/1500 об/мин. Обмотки каждой фазы статора таких двигателей состоят из нескольких частей, которые могут соединяться последовательно или параллельно.

Этот метод применяется там, где не требуется плавность регулирования – в приводах методических печей, элеваторов, волочильных станов, барабанных смесителей.

Наиболее перспективно регулирование скорости изменением частоты. При этом обеспечивается плавность регулирования и жесткость механических характеристик. Но при этом следует выдерживать условие постоянства магнитного потока:

Таким образом, необходимо одновременно регулировать частоту и величину питающего напряжения. В настоящее время создана единая серия преобразователей частоты мощностью до 1000 кВт частотой 2180 Гц.

Кроме того, для регулирования скорости асинхронного двигателя с фазным ротором можно использовать схему асинхронного вентильного каскада. Здесь регулирование скорости осуществляется введением в цепь ротора добавочной ЭДС. Таким образом можно изменять момент от 0 до Ммакс, а скорость в двигательном режиме – от 0 до 95 % максимальной. Вентильные каскады характеризуются наиболее высоким КПД из всех систем регулируемого привода. Это объясняется тем, что преобразованию подлежит только часть энергии, потребляемой приводом (энергия скольжения).

Пуск асинхронных двигателей имеет свои особенности. Для ограничения бросков тока и связанных с ними перегрева двигателя, искрения щеток, перегрузок исполнительного механизма пуск асинхронных двигателей, особенно средней и большой мощности, осуществляется через специальные пусковые устройства. Простейшим из них является пусковой реостат. По мере разбега двигателя реостат выводится ступенями путем замыкания соответствующих контактов.

В случае, если питающая сеть недостаточно мощна и прямой пуск мощных асинхронных (и синхронных) электродвигателей может вызвать сильные колебания напряжения в сети, применяется пуск при пониженном напряжении. Снижение напряжения при пуске достигается с помощью реактора L или автотрансформатора – рис. 2.2.

При реакторном пуске в начале замыкается линейный контактор КМ1 при разомкнутом КМ2. После разгона двигателя на пониженном напряжении контакторы КМ1, КМ3 отключаются, а контактор КМ2 включает статор на полное напряжение сети.