Rostov-on-Don, Rostov-on-Don, Russian Federation
Rostov-on-Don, Rostov-on-Don, Russian Federation
UDK 62 Инженерное дело. Техника в целом. Транспорт
GRNTI 55.51 Подъемно-транспортное машиностроение
GRNTI 73.01 Общие вопросы транспорта
The purpose of the work is to create an engineering procedure for the synthesis of starting rheostats on semiconductor thermo-resistors (STR) ensuring a simple and reliable start of electric motors. The developed procedure for the synthesis of starting rheostats based on STSs allows designing simple-formed, small cheap and reliable in operation starting devices of all kinds. There is developed a universal method of the synthesis of STR-based starting rheostats based on two installed invariants of the similarity of starting processes connecting specified starting indices with the parameters of STR-based rheostats. The method applies to different types of electric motors taking into account: - changing temperature conditions of environment; - quantitative indices of semiconductor material; - different types of thermo-resistors. A corresponding algorithm of for the computation of STR-based starting rheostats is developed. It is proved that a field of thermo-resistor rheostat application is dc and ac electric motors. In the paper there are shown design peculiarities of semiconductor thermo-resistor creation and a number of limitations on which a character of starting electric installations depends are formulated.
semiconductor resistor, thermo-sensitive filling, starting characteristics
Введение
Традиционные токоограничивающие пусковые и пускорегулирующие устройства громоздки, сравнительно дороги, неэкономичны в работе и неудобны как в эксплуатации, так и в ремонте. Пуск электродвигателей как постоянного тока, так и асинхронных двигателей с фазным ротором связан с применением набора пусковых сопротивлений, что приводит к повышенным динамическим нагрузкам на них. Помимо этого, применение пусковых сопротивлений обусловливает значительные тепловые потери. Из автоматических способов пуска наибольшее распространение получили релейно-контакторная автоматика и тиристорное управление.
Тиристорные схемы оперативны, производят запуск по наперед заданной программе и регулируют работу электрических устройств в довольно широком диапазоне. Однако, их применение не всегда оправдано из-за сложности, дороговизны, наличия промежуточных звеньев и необходимости высококвалифицированного обслуживания во время эксплуатации, так как по целому ряду потребителей, например, электродвигателей подъемно-транспортных машин, не требуется повышенная оперативность. Их запуск не ограничивается какими-то другими параметрами, кроме необходимости запуска по экспоненциальному закону.
В связи с этим применение пусковых устройств на основе сильноточных полупроводниковых поликристаллических терморезисторов (ПТР) позволит избавиться от большинства недостатков существующих способов пуска [1, 2].
Следует отметить, что применение ПТР представляется особо выгодным с точки зрения экономичности, компактности и надежности, а это особенно актуально в электротехнических устройствах подъемно-транспортных машин ограниченной мощности. Кроме того, пусковые устройства (ПУ), построенные на основе терморезисторов, достаточно просты, компактны и удобны с точки зрения монтажа и ремонта.
К этому можно добавить, что ПУ, построенные на сильноточных ПТР, повышают эксплуатационную надежность подъемно-транспортных машин благодаря вибро- и тряско-устойчивости ПТР.
Таким образом терморезисторный пуск электродвигателей сочетает в себе преимущества известных способов.
Однако, при разработке пусковых схем, к примеру, для крановых двигателей, необходим правильный расчет основных параметров ПУ, так как неудачный выбор может привести к слишком быстрому разогреву тела ПТР, что эквивалентно включению двигателя накоротко [3, 14].
Теоретические положения основ синтеза терморезисторных реостатов
Сопротивление терморезистора определяется по результатам исследования распределения температур в теле ПТР [4, 12]. Расчет производится по схеме поперечного сечения терморезистора, в теле которого выделено элементарное кольцо (рис. 1).
Рис. 1. Схема поперечного сечения
терморезистора
Сопротивление элементарного кольца в установившемся режиме при нагрузке
(1)
Полное сопротивление
(2)
Согласно [3, 14] температура материала терморезистора
(3)
или
(4)
где
Здесь в (3) и (4): ρ – удельное сопротивление полупроводника; λ – коэффициент теплопроводности; α – коэффициент теплоотдачи; 
– температура охлаждающей среды; B – константа полупроводникового материала; r – радиус внутреннего электрода;
r1, r2 – соответственно внутренний и внешний радиус наружного электрода; l – длина электрода (рабочей части ПТР).
Тогда, подставляя (4) в (2), получаем
. (5)
Целью синтеза является обеспечение пуска и разгона двигателя до 90% от номинальных оборотов, после чего пусковой реостат закорачивается.
В качестве примера рассмотрим синтез пускового реостата для асинхронного короткозам-кнутого двигателя с фазным ротором.
Целью введения терморезистора в цепь статора короткозамкнутого двигателя и в цепь ротора двигателя с фазным ротором является снижение максимальной величины тока до предельно-допустимой (кривые 2 на рис. 2 а, б).
а) б)
Рис. 2. Кривые пускового тока
Необходимо отметить, что этот эффект сопровождается их противоположной реакцией в отношении развиваемого пускового момента. Если для короткозамкнутого двигателя вместе с уменьшением начального пускового тока уменьшается и пусковой момент согласно формуле
(6)
где S – скольжение; ν – величина пускового момента в относительных единицах, то для двигателя с фазным ротором такой момент растет.
Это иллюстрируется на рис. 3 а, б, где показано изменение вращающего момента двигателей при прямом запуске (кривые 1) и введении терморезисторов (кривые 2) для короткозамкнутого двигателя (рис. 2, а) и для двигателя с фазным ротором (рис. 3, б). Известная зависимость сопротивления терморезистора, носящая экспоненциальный характер, не приводится.
а) б)
Рис. 3. Изменение вращающих моментов двигателей
Методика расчета пусковых реостатов на ПТР
В случае использования схемы с параллельным соединением терморезисторов и резисторов расчет ведут следующим образом:
1. В основу синтеза реостатов положена либо уже известная Ом-секундная харак-теристика Rp(t) пускового реостата, либо она строится по заданной кривой набора оборотов ω(t). В первом случае характеристика Rp(t) строится с помощью известных в теории электро-привода методов. Во втором случае, первоначально по заданной кривой ω(t) определяются, в зависимости от типа двигателя, кривые пускового тока I [9], а затем строится соответствующая Ом-секундная характеристика Rp(t).
2. Начальное сопротивление реостата выражается следующим образом через элементы компоновки реостата
(7)
где Rp и R∞ 
– относятся к элементу ПТР; m – число последовательных элементов реостата; n – количество цепочек, состоящих из последовательных элементов; K – компоновочный оэффициент.
- Зная Ом-секундную характеристику Rp(t) и найденные в п.2. параметры реостата, можно построить зависимость температуры терморезисторов от времени T = f(t).
- По заданной Ом-секундной характеристике Rp(t) и построенной кривой T = f(t). расчитывается требуемая температурная характеристика реостата Rp = f(T).
- По приведенной в [1] формуле рассчитывается температурная характеристика реального реостата и сравнивается с требуемой. В случае их существенного несовпадения соответствующим образом варьируются величины шунтового сопротивления – RШ и добавочных линейных сопротивлений ветвей – RЛ.
Сформулированные в п.п. 1-5 положения представляют собой своего рода улучшенный алгоритм синтеза реостатов.
Весьма важным моментом рассматриваемого вопроса является констатация того факта, что для многих машин и производственных механизмов вовсе не нужна точная реализация кривой разгона ω(t), равно как и характеристик I(t) и R(t), а необходимо лишь обеспечение следующих ограничений на пусковые параметры
Im ≤ Img, Δtпуск ≤ Δt мдоп. (8)
Во втором случае терморезистор представляет собой два соосных цилиндрических электрода с полупроводниковым термочувствительным наполнителем (рис. 4). В качестве полупроводниковой композиции использованы поликристаллические мелкодисперсные системы тройных окислов (на основе CO, Mn, Ni, Cu) в различных соотношениях [8].
Рис. 4. Конструкция сильноточного терморезистора
коаксиального типа: 1 – внутренний электрод;
2 – полупроводниковая термочувствительная композиция;
3 – внешний электрод
Принципиальные основы расчета параметров терморезисторной схемы пускового устройства для соответствующего двигателя, в частности приводов подъемно-транспортных машин, включают следующие этапы:
1. Задаются моделью пускового тока, прогнозирующей ход пускового процесса [9];
2. Исходя из достижения максимального критического момента, выбирают начальное сопротивление реостата rp0;
3. Определяют величину критического скольжения S;
4. Совместное решение системы уравнений
(9)
(10)
позволяет определить параметры пускового устройства.
В формулах (9) и (10) приняты следующие обозначения: V – объём терморезисторного реостата; rя
– сопротивление якоря; l – длина рабочей части тела ПТР.
В пусковой схеме терморезистроные сопротивления включаются в цепь ротора [10, 13].
Заключение
Запуск крановых двигателей с помощью устройств, построенных на терморезисторах, позволяет получить плавный монотонный характер кривых тока и напряжения, причём скорость нарастания тока увеличивается настолько плавно, что не вызывает заметных динамических воздействий на механизм привода.
1. Sheftel', I.T. Termorezistory / I.T. Sheftel'. - M.: Nauka, 1973. - 416 s.
2. Terehov, V.M. Osipov O.I. Sistemy upravleniya elektroprivodov / V.M. Terehov, O.I Osipov. - M.: Izdatel'skiy centr «Akademiya», 2006.
3. Popivnenko, V.V. Sintez termorezistornyh reostatov po zadannym perehodnym rezhimam / V.V. Popivnenko // Izv. VUZov SSSR. Energetika. - 1970. - № 11.
4. Geraschenko, O.A. Temperaturnye izmereniya: spravochnik / O.A. Geraschenko. - Kiev: Naukova dumka, 1984. - 494 s.
5. Vorob'ev, N.N. Teoriya ryadov / N.N. Vorob'ev. - SPb.: Lan'; 6 izd., 2002. - 408 s.
6. Pupko, V.V Avtomatizaciya upravleniya elektrodvigatelyami s pomosch'yu moschnyh termorezistorov / V.V. Pupko. - M.: GOSINTI, 1970. - № 9-70-1216.127.
7. Pupko, V.V. Beskontaktnye puskoreguliruyuschie ustroystva na moschnyh termorezistorah / V.V. Pupko. - M.: GOSINTI, 1970. - № 9-70-1216/127.
8. Damrina, V.M. Issledovanie vliyaniya metalla - aktivatora na svoystva termorezistorov na osnove troynyh sistem okislov / V.M. Damrina, G.E. Solov'ev: tr. RIIZhTa elektricheskie elementy avtomaticheskih i informacionnyh sistem zh/d transporta. - 1975. - Vyp. 117.
9. Voronova, N.P. Formirovanie optimal'nyh modeley puskovyh tokov pri ispol'zovanii puskovyh ustroystv, postroennyh na termorezistorah / N.P. Voronova, V.N. Noskov // Inzhenernyy vestnik Dona. - 2017. - № 4. - URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/N4y2017/4402.
10. Chilikin, M.G. Obschiy kurs elektroprivoda: uchebnik dlya vuzov / M.G. Chilkin, A.S. Sandler. - M.: Energoizdat, 1981.
11. Solov'ev, G.E. Sil'notochnye poluprovodnikovye termorezistory koaksial'nogo tipa i puskovye ustroystva elektrodvigateley na ih osnove. / N.P. Voronova, E.K.Glazunova, T.A. Skorik // Izvestiya Rostovskogo gosudarstvennogo stroitel'nogo universiteta. - 2014. - T. 1. - № 18 (18). - S. 57-63.
12. Voronova, N.P. Elektrofizicheskie i teplovye harakteristiki poluprovodnikovyh termosoprotivleniy koaksial'nogo tipa. / Trubicin M.A // Inzhenernyy vestnik Dona. - 2018. - № 2 (49).
13. Voronova, N.P. Polikristallicheskie termozavisimye poluprovodnikovye soprotivleniya koaksial'nogo tipa i puskovye ustroystva na ih osnove. / M.A. Trubicin, E.Yu. Mikael'yan // Inzhenernyy vestnik Dona. -2015. - № 3 (37).
14. Voronova, N.P. Teoreticheskie obosnovaniya raboty i konstruktivnye osobennosti sil'notochnyh termorezistorov koaksial'nogo tipa. / M.A. Trubicin, A.V. Bezuglyy // Inzhenernyy vestnik Dona. - 2016. - № 2 (41).
