ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТЕРМОЗАВИСИМЫХ ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ СОПРОТИВЛЕНИЙ В ПУСКОВЫХ УСТРОЙСТВАХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ДВИГАТЕЛЕЙ ПОДЪЕМНО-ТРАНСПОРТНЫХ МАШИН
Рубрики: ТРАНСПОРТ
Аннотация и ключевые слова
Аннотация (русский):
Проведен краткий анализ пусковых процессов электротехнических устройств. Предложена методика расчета пусковых реостатов на полупроводниковых терморезисторах. Рассмотрен и сформулирован ряд ограничений, от которых зависит характер процессов пуска электроустановок с помощью терморезисторных реостатов. Даны рекомендации по компоновке пусковых реостатов на полупроводниковых терморезисторах.

Ключевые слова:
полупроводниковое сопротивление, термочувствительное заполнение, пусковые характеристики
Текст
Текст произведения (PDF): Читать Скачать

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

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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

 


R= ρ2πlr1r2expBTdTT-B   .        (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.

  1. Зная Ом-секундную характеристику Rp(t) и найденные в п.2. параметры реостата, можно построить зависимость температуры терморезисторов от времени T = f(t).
  2. По заданной Ом-секундной характеристике Rp(t) и построенной кривой T = f(t). расчитывается требуемая температурная характеристика реостата Rp = f(T).
  3. 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, ΔtпускΔt 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.

Список литературы

1. Шефтель, И.Т. Терморезисторы / И.Т. Шефтель. - М.: Наука, 1973. - 416 с.

2. Терехов, В.М. Осипов О.И. Системы управления электроприводов / В.М. Терехов, О.И Осипов. - М.: Издательский центр «Академия», 2006.

3. Попивненко, В.В. Синтез терморезисторных реостатов по заданным переходным режимам / В.В. Попивненко // Изв. ВУЗов СССР. Энергетика. - 1970. - № 11.

4. Геращенко, О.А. Температурные измерения: справочник / О.А. Геращенко. - Киев: Наукова думка, 1984. - 494 с.

5. Воробьев, Н.Н. Теория рядов / Н.Н. Воробьев. - СПб.: Лань; 6 изд., 2002. - 408 с.

6. Пупко, В.В Автоматизация управления электродвигателями с помощью мощных терморезисторов / В.В. Пупко. - М.: ГОСИНТИ, 1970. - № 9-70-1216.127.

7. Пупко, В.В. Бесконтактные пускорегулирующие устройства на мощных терморезисторах / В.В. Пупко. - М.: ГОСИНТИ, 1970. - № 9-70-1216/127.

8. Дамрина, В.М. Исследование влияния металла - активатора на свойства терморезисторов на основе тройных систем окислов / В.М. Дамрина, Г.Е. Соловьев: тр. РИИЖТа электрические элементы автоматических и информационных систем ж/д транспорта. - 1975. - Вып. 117.

9. Воронова, Н.П. Формирование оптимальных моделей пусковых токов при использовании пусковых устройств, построенных на терморезисторах / Н.П. Воронова, В.Н. Носков // Инженерный вестник Дона. - 2017. - № 4. - URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/N4y2017/4402.

10. Чиликин, М.Г. Общий курс электропривода: учебник для вузов / М.Г. Чилкин, А.С. Сандлер. - М.: Энергоиздат, 1981.

11. Соловьев, Г.Е. Сильноточные полупроводниковые терморезисторы коаксиального типа и пусковые устройства электродвигателей на их основе. / Н.П. Воронова, Е.К.Глазунова, Т.А. Скорик // Известия Ростовского государственного строительного университета. - 2014. - Т. 1. - № 18 (18). - С. 57-63.

12. Воронова, Н.П. Электрофизические и тепловые характеристики полупроводниковых термосопротивлений коаксиального типа. / Трубицин М.А // Инженерный вестник Дона. - 2018. - № 2 (49).

13. Воронова, Н.П. Поликристаллические термозависимые полупроводниковые сопротивления коаксиального типа и пусковые устройства на их основе. / М.А. Трубицин, Е.Ю. Микаэльян // Инженерный вестник Дона. -2015. - № 3 (37).

14. Воронова, Н.П. Теоретические обоснования работы и конструктивные особенности сильноточных терморезисторов коаксиального типа. / М.А. Трубицин, А.В. Безуглый // Инженерный вестник Дона. - 2016. - № 2 (41).

Войти или Создать
* Забыли пароль?