Специальные электродвигатели

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ

СПЕЦИАЛЬНОСТИ 7.092203 «ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗАЦИИ И ЭЛЕКТРОПРИВОД»

ВСЕХ ФОРМ ОБУЧЕНИЯ

Содержание

1. Введение. 5

2. Общие вопросы электропривода и аппаратуры управления металлургических установок. 6

2.1. Электродвигатели. 6

2.1.1. Асинхронные двигатели. 6

2.1.2. Синхронные двигатели. 9

2.1.3. Двигатели постоянного тока. 10

2.1.4. Специальные электродвигатели. 12

2.2. Аппаратура управления и защиты. 12

2.3. Построение и чтение релейно-контакторных схем управления. 15

2.4. Построение и чтение бесконтактных схем управления. Использование микропроцессоров. 17

3. Электрооборудование металлургических кранов. 20

3.1. Общие сведения. 20

3.2. Электроснабжение кранов. 21

3.3. Защита электроприводов кранов. 21

3.4. Схема непосредственного управления с использованием кулачкового контроллера. 22

3.5. Применение тиристорных преобразователей в крановых электроприводах. 24

3.7. Тормозные электромагниты. 26

4. Электрооборудование аглофабрик и. 27

фабрик окомкования. 27

4.1. Агломашина. 27

4.2. Вспомогательные механизмы аглофабрики. 30

4.3. Эксгаустеры, дымососы, воздуходувки, компрессоры. 31

4.4. Конвейеры. 32

5. Электрооборудование доменных печей. 35

5.1. Общие сведения. 35

5.2. Механизмы шихтоподачи. 35

5.3. Механизмы загрузки при скиповой подаче шихты. 36

5.4. Механизмы загрузки при конвейерной подаче шихты. 39

5.5. Другие механизмы доменной печи. Электрофильтры. 40

6. Электрооборудование сталелитейных цехов. 41

6.1. Общие сведения. 41

6.2. Миксеры. 42

6.3. Сталевозы и шлаковозы. 43

6.4. Конверторы.. 45

6.5. Кислородная фурма. 47

6.6. Машины непрерывного литья заготовок. 48

7. Электрооборудование прокатных станов. 50

7.1. Общие сведения. 50

7.2. Реверсивные станы горячей прокатки. 53

7.3. Широкополосные станы горячей прокатки. 56

7.4. Непрерывные заготовочные станы. 60

7.5. Непрерывные сортовые станы. 61

7.6. Станы холодной прокатки. 62

7.7. Моталки реверсивных станов холодной прокатки. 65

7.8. Нажимные устройства. 66

8. Электрооборудование электротермических цехов. 67

8.1. Общие сведения. 67

8.2. Дуговые сталеплавильные печи. 69

8.3. Дуговые вакуумные печи. 73

8.4. Печи электрошлакового переплава. 75

8.5. Электронные плавильные печи. 75

8.6. Индукционные плавильные печи. 77

Рекомендуемая литература. 81

Введение

Металлургическое предприятие производит чугун, сталь, прокат. Чугун выплавляют в доменных печах, сталь варят из чугуна в сталеплавильных печах, а прокатные изделия получают при прокатке стальных заготовок в прокатных станах. В соответствии с этим весь металлургический цикл можно разбить на несколько этапов: производство агломерата или окатышей, производство чугуна, сталеплавильное производство и производство проката.

Для производства чугуна требуется руда, уголь и другие дополнительные материалы. Руда добывается в рудниках. Предварительно обработанная на рудообогатительной фабрике (РОФ), она засыпается в доменную печь в виде агломерата. Каменный уголь добывается в угольных шахтах; после обработки его в коксовых печах получают кокс, который и используется в доменных печах в качестве топлива.

Чугун, выплавленный в доменных печах, доставляется в сталеплавильный цех для получения стали. Сталь слитками транспортируется в прокатные цехи для производства прокатных изделий. Часть чугуна и стали идет на склад в виде готовой продукции.

Обычно стальные слитки имеют большую массу, при которой прокатка слитка до малого, конечного сечения в одном стане невозможна. По этой причине предусматривается предварительное обжатие слитка, полученного из сталеплавильного цеха, в специальных обжимных станах.

Рис. 1.1. Технологическая цепь металлургического производства.

На рис. 1.1 представлена технологическая схема металлургического завода.

Металлургия является крупнейшим потребителем электрической энергии. Максимум мощности металлургического завода достигает 800 МВт, а годовое электропотребление – 2000 ГВт×ч. Электровооруженность труда в черной металлургии составляет в среднем

1,4 ГВт×ч/чел, а в некоторых цехах (ферросплавных) – 7 ГВт×ч/чел. Электрооборудование цехов непосредственно участвует в технологических процессах и от технического уровня, режима работы и условий эксплуатации электрооборудования зависит производительность, качество и себестоимость продукции.

Для металлургической промышленности 70 % стоимости оборудования цехов приходится на электрооборудование и примерно 40 % себестоимости продукции приходится на электроэнергию. В этих условиях актуально совершенствование технических средств электропривода, автоматизации и электроснабжения. В последнее время на передний план выходят задачи охраны среды, что также влечет за собой повышение уровня электрификации производства, например, замену пламенных печей электропечами, внедрение электрофильтров и т.д. Таким образом, знание всего комплекса электрооборудования основных переделов металлургического производства является совершенно необходимыми для инженера-электромеханика.

Настоящее пособие составлено на базе классического учебника М.М. Фотиева «Электропривод и электрооборудование металлургических цехов» и содержит минимально-достаточный объем материала в соответствии с рабочей программой по данной дисциплине.

Общие вопросы электропривода и аппаратуры управления металлургических установок.

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.

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 w=0, S=1; при идеальном холостом ходе w=w₀; 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 l. Для короткозамкнутых асинхронных двигателей нормального исполнения перегрузочная способность l = , у двигателей краново-металлургической серии l=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 w=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.

Синхронные двигатели.

Особенностью синхронных двигателей является то, что скоростью его вращения постоянна и не зависит от нагрузки. Она определяется частотой сети и числом пар полюсов магнитной системы:

.

Синхронные электродвигатели применяют в приводах средней и большой мощности в тех случаях, когда режим работы длительный и регулирование скорости не требуется: мощные насосы и вентиляторы, компрессоры, воздуходувки, эксгаустеры, дробилки, мельницы, приводы черновых клетей прокатных станов. Достоинство этих двигателей – надежность, высокие значения КПД и cosj, большая мощность в заданных габаритах и массе.

Вращающий момент двигателя зависит от угла сдвига фаз q между напряжением сети и ЭДС в обмотке статора:

,

где U_C – фазное напряжение сети; Е – фазная ЭДС, наводимая в обмотке статора полем обмотки возбуждения ротора; х – синхронное индуктивное сопротивление статора; Ммакс – максимальный момент.

При q=p/2 момент максимален. Работа при q>p/2 не допускается, т.к. с ростом нагрузки момент двигателя уменьшается, что приведет к выпадению двигателя из синхронизации. Обычно номинальной нагрузке на валу двигателя соответствует угол q=20¸30 °, что соответствует перегрузочной способности ¸3. В специальных случаях применяются синхронные двигатели с перегрузочной способностью 3,5¸4.

Пуск синхронного двигателя осуществляется в асинхронном режиме под воздействием пусковой короткозамкнутой обмотки ротора. При достижении скорости, близкой к синхронной, автоматически подключается обмотка возбуждения постоянного тока. При этом двигатель входит в синхронизм.

Достоинством синхронных двигателей является их надежность и высокий КПД, равный 0,98. За счет того, что потребляемый из сети ток имеет опережающий характер, синхронные двигатели повышают общезаводской cosj, что благоприятно сказывается на устойчивости электрических цепей.

Основным режимом торможения являются динамическое торможение. При этом возбуждение ротора сохраняется, а обмотка статора отключается от сети и подключается к тормозному сопротивлению. Машина при этом работает в генераторном режиме, развивая тормозной момент.

Особенностью синхронного двигателя является то, что путем изменения тока возбуждения можно регулировать потребляемую из сети реактивную мощность. Это свойство используют для компенсации реактивных нагрузок металлургических предприятий.

В последнее время наблюдаются попытки использовать синхронные двигатели с частотным управлением в регулируемых электроприводах.

Двигатели постоянного тока.

Двигатели постоянного тока используются на средних и больших мощностях при необходимости регулирования скорости. Они значительно дороже двигателей переменного тока, требуют наличия выпрямительных установок, но обеспечивают более высокое качество регулирования. Двигатели имеют независимое, параллельное, последовательное или смешанное возбуждение.

Электродвигатели постоянного тока с независимым и параллельным возбуждением имеют сходные механические характеристики, имеющие линейный характер:

где U – напряжение, приложенное к якорю; С_д – конструктивный коэффициент; Ф – магнитный поток возбуждения; М – вращающий момент; R_Я - сопротивление обмотки якоря; R_Р – сопротивление реостата в цепи якоря.

Скорость холостого хода можно изменять путем регулирования параметров U и Ф. Увеличение сопротивления цепи якоря уменьшает жесткость механической характеристики.

Для двигателей этого типа возможны все три известных режима торможения: рекуперативное с отдачей энергии в сеть, динамическое торможение и торможение противовключением.

Рекуперативное торможение возможно, когда скорость двигателя, вращающегося в том же направлении, что и в двигательном режиме, станет больше скорости холостого хода под влиянием нагрузки, например, при спуске груза. ЭДС якоря становится выше напряжения сети, момент меняет знак. Такое торможение применяется в приводе прокатных станов, скиповых подъемников, механизма поворота конвертора. Рекуперативное торможение наиболее экономичнее из всех тормозных режимов.

Динамическое торможение осуществляется включением якоря на специальный резистор, а обмотки возбуждения – в сеть. Двигатель работает генератором, преобразуя запасенную ранее механическую энергию в электрическую и далее – в тепловую на нагрузочном резисторе. С уменьшением скорости тормозной момент уменьшается, поэтому для полной остановки необходимо наложение механического тормоза. Динамическое торможение отличается плавностью и точностью дозирования тормозного момента.

Торможение противовключением происходит если с помощью реостата момент двигателя станет меньше момента сопротивления. В этом случае двигатель остановится и далее под действием нагрузки начнет вращаться в противоположную сторону. При этом изменится знак ЭДС и может станет тормозным; ток резко возрастет и для его ограничения пусковой реостат снабжается дополнительной ступенью, называемой ступенью противовключения.

На практике торможение противовключением часто осуществляют изменением полярности якоря на ходу. При остановке двигателя его следует отключить, иначе он может разогнаться в обратном направлении.

Электродвигатели с последовательным и смешанным возбуждением имеют нелинейные и весьма мягкие механические характеристики. Они еще более смягчаются при введении реостата в цепь якоря. При малых нагрузках (15¸20 % от номинальной) магнитный поток сериесных двигателей резко снижается и скорость недопустимо возрастает (разнос двигателя). Поэтому двигатель последовательного возбуждения нельзя пускать в холостую. В двигателях смешанного возбуждения скорость холостого хода имеет конечное значение и опасность разноса отсутствует.

Двигатели последовательного возбуждения легко и плавно преодолевают нагрузки, имеют высокий пусковой момент, относительно мало перегружают сеть при пуске. Они широко используются в приводе транспортных механизмов, а также механизмов, производящих слив жидкого металла: конверторов, миксеров, кранов.

У двигателей с последовательным возбуждением отсутствует режим рекуперационного торможения, поскольку скорость холостого хода не имеет конечной величины. Динамическое торможение из-за больших толчков тока используется редко. Его используют при исчезновении напряжения сети. Динамическое торможение двигателей со смешанным возбуждением происходит аналогично двигателям с параллельным возбуждением и широко используется на практике.

Двигатели со смешанным возбуждением имеют механические характеристики, приближающиеся по форме к характеристикам сериесных двигателей или двигателей с параллельным возбуждением.

Регулирование скорости электродвигателей постоянного тока возможно тремя способами: введением реостата в цепь якоря, изменением величины магнитного потока и изменением величины якорного напряжения.

Реостатное регулирование в цепи якоря имеет много недостатков: ступенчатость регулирования, снижение жесткости механической характеристики, что ухудшает стабильность скорости, малый диапазон регулирования, большие потери мощности на реостате (пропорциональны степени снижения скорости), однонаправленность регулирования – только уменьшение скорости.

Регулирование изменением потока возбуждения осуществляется введением резистора в обмотку возбуждения. При этом скорость можно только увеличить. Диапазон регулирования от 1¸2 до 1¸5. Данный способ используется при двухзонном регулировании в приводе прокатных станов. В сериесных двигателях изменение потока можно осуществить шунтированием резистором обмотки возбуждения (поток уменьшается и скорость возрастает) или шунтированием обмотки якоря (поток увеличивается и скорость падает). И хотя шунтирование якоря снижает экономичность привода, этот метод используется для получения устойчивых малых скоростей, необходимых при сливе жидкого металла из емкостей.

Регулирование изменением величины якорного напряжения наиболее перспективно. Оно обеспечивает высокий диапазон регулирования, плавность регулирования, не вызывает больших потерь энергии. При этом требуется наличие регулируемого источника постоянного напряжения. В зависимости от конструкции источника могут быть несколько систем регулируемого привода: система Г-Д, ТП-Д. В последние годы в основном используются комплектные тиристорные электроприводы (КТП). В состав КТП входят: электродвигатель; тахогенератор; тиристорный преобразователь якорной цепи с аппаратурой управления, защиты, контроля и сигнализации; силовой трансформатор; тиристорный преобразователь цепи возбуждения; сглаживающий реактор; коммутационная и защитная аппаратура; система управления.

Специальные электродвигатели.

К специальным электродвигателям можно отнести линейные двигатели, у которых подвижная часть совершает не вращательное, а линейное движение. Применение таких двигателей позволяет упростить или вообще исключить механическую передачу к исполнительному механизму. Наибольшее распространение получили асинхронные линейные двигатели. Они состоят из статора и движущегося вторичного элемента. Обмотка статора подключается к сети переменного тока и образует магнитное поле, ось которого будет перемещаться вдоль воздушного зазора. Поле статора наводит вихревые токи в проводниках вторичного элемента и тем самым увлекает за собой последний. В качестве вторичного элемента может использоваться металлические лист, рельс или даже жидкий металл.

Линейные двигатели используются в транспортных устройствах и для перекачки жидкого металла. Мощность их достигает тысяч киловатт, скорость 150 км/ч, а в рельсовом транспорте – 500 км/ч. реверсирование осуществляется изменением чередования фаз статорной обмотки. Регулирование скорости производится изменением частоты питающего напряжения или переключением числа пар полюсов статорной обмотки. Линейный двигатель может работать в обращенном режиме, когда вторичный элемент неподвижен, а передвигается статор.

К специальным двигателям можно отнести также шаговые двигатели. Они применяются там, где исполнительный орган должен совершать строго дозированное перемещение с фиксацией своего положения в конце движения. Движение шагового двигателя состоит из последовательных элементарных поворотов – шагов.

Шаговые двигатели представляют собой разновидность синхронных двигателей, у которых дискретность движения достигается путем импульсного возбуждения обмоток статора от специального электронного коммутатора. Реверс осуществляется изменением порядка коммутации обмоток статора. Шаговые двигатели могут быть с активным или пассивным ротором. Активный ротор содержит обмотку возбуждения или постоянные магниты. Пассивный ротор выполняется из ферромагнитного материала и не имеет обмоток.

В металлургии шаговые двигатели применяются там, где требуется высокая точность движения – перемещение электродов печей, например, или выращивание монокристаллов.