Асинхронный электродвигатель с фазным ротором при простейшей схеме регулирования – включением сопротивления в цепь ротора имеет крайне низкие регулировочные свойства. Именно поэтому, до появления на рынке доступных преобразователей частоты разрабатывались различные схемы для получения пониженной скорости в режиме опускания груза.
Их собственно не так много. За рубежом широкое распространение получило применение дополнительной электрической машины – вихревого тормоза, установленной на одном валу с основным двигателем. Схема позволяет получить достаточно жесткие механические характеристик при спуске груза, однако, такой электропривод имеет крайне низкие энергетические характеристики (энергия торможения выделяется в вихревом тормозе). Кроме того, вихревой тормоз имеет достаточно высокую стоимость и значительно усложняет компоновку механической части.
Поэтому, для получения посадочной скорости в механизмах подъема на базе асинхронного двигателя с фазным ротором на заводе «Динамо» в конце 70-х годов прошлого века конструкторским коллективом под руководством Е.М. Певзнера был внедрено динамическое торможение самовозбуждением.
Такой электропривод получил большое распространение на отечественных кранах (панели типа ТСД, ТСДИ, КСДБ для мостовых, козловых и портальных кранов, панели управления для башенных кранов КБ-309, КБ-403, КБ-404, КБ-405, КБ-406, КБ-408, КБ-415, КБ-415-07, КБ-473, КБМ-401П.). Таким образом, речь идет о десятках тысяч кранов находящейся в эксплуатации.
Рис. 1. Схема включения асинхронного двигателя в режим динамического торможения самовозбуждением
Принцип динамического торможения самовозбуждением заключается в следующем:
В цепь ротора включается трехфазный выпрямитель UZ (рис.1). Электродвигатель отключается от сети контактором КМ1. Выпрямленное напряжение подключается к обмотке статора контактором КМ2. Контакты контактора КМ3 замкнуты. При растормаживании тормоза (на схеме не показан. вал электродвигателя начинает вращаться под действием опускающегося груза.
В обмотке ротора наводится ЭДС под действием которой, в цепи ротор-статор начинает протекать ток. Двигатель развивает тормозной момент, груз опускается с установившейся скоростью. Значение скорости определяется величиной сопротивления цепи ротора. Чем больше сопротивление, тем выше скорость опускания. Для увеличения скорости отключают контактор КМ3.
В режиме динамического торможения самовозбуждением электропривод потребляет энергию из сети только для питания гидротолкателя тормоза и релейно-контакторной аппаратуры. В качестве примера на рис.7 представлены механические характеристики электропривода с панелью ТСД.
Рис. 2. Механические характеристики электропривода механизма подъема с панелью ТСД
Характеристики динамического торможения обозначены как 1С, 2С, 3С. Видно, что характеристики имеют достаточную жесткость. Регулирование скорости производится в диапазоне 1:8, что в большинстве случаев достаточно для массовых кранов.
Условием самовозбуждения электродвигателя является:
Где x'2– индуктивное сопротивление обмотки ротора, Ом; xo– индуктивное сопротивление цепи намагничивания. Ом
Где kс – коэффициент схемы
kд – коэффициент приведения тока ротора к току статора; kсх – коэффициент схемы выпрямления, для трехфазной мостовой схемы kсх = 0,85; kт – коэффициент трансформации двигателя от статора к ротору
Коэффициент kд зависит от схемы соединения обмоток статора, которые в отечественных крановых двигателях при линейном напряжении 380 В соединяются в звезду.
Коэффициент kт зависит от коэффициента трансформации, т.е. от отношения напряжения статора и напряжения ротора, которое зависит от типа двигателя. Например, для нескольких электродвигателей серии МТ и 4МТ значение и связанных с ним параметров представлены в табл. 1.
Таблица 1.
| Тип электродвигателя | Мощность, кВт | Напряжение ротора, В | kт | kс | x'2 | xo | √(1 + 2x'2/xo) |
| МТН412-6 | 30 | 255 | 1,5 | 1,3 | 0,173 | 3,74 | 1,04 |
| 4МТН225L6 | 55 | 290 | 1,31 | 1,31 | 0,197 | 3,73 | 1,05 |
| МТН512-6 | 55 | 340 | 1,11 | 0,98 | 0,197 | 3,8 | 1,05 |
| 4МТН280L10 | 75 | 308 | 1,23 | 1,06 | 0,146 | 2,33 | 1,06 |
| 4МТН280М6 | 110 | 420 | 0,9 | 0,7 | 0,083 | 2,98 | 1,02 |
Условие kс ≥ √(1 + 2x'2/xo) выполняется для двигателей типа МТН412-6, 4МТН225L6, которые можно назвать «возбуждаемыми». Такие электродвигатели входят в режим самовозбуждения без принятия дополнительных схемных решений. Несмотря на это в низковольтных комплектных устройствах (НКУ или панелях управления) предназначенных для совместной работы с такими двигателями, для надежности работы предусматривается небольшое начальное возбуждение.
Начальное возбуждение производится путем пропускания постоянного, т.н. «тока подпитки» небольшого значения (как правило, не выше 10% номинального тока электродвигателя) от однополупериодного выпрямителя. Для возбуждаемых двигателей во всех случаях этого достаточно для надежного перехода в режим динамического торможения самовозбуждением.
Электродвигатели МТН512-6, 4МТН280М6, для которых условие kс ≥ √(1 + 2x'2/xo) не выполняется, являются «невозбуждаемыми». Это не означает, что такие двигатели не могут работать в режиме динамического торможения самовозбуждением, однако, значение обязательного для них тока подпитки доходит до 50% номинального тока статора. Это требует применения специальных НКУ (панелей управления) для невозбуждаемых электродвигателей. .
Электродвигатель типа 4МТН280L10 имеющий kс = √(1 + 2x'2/xo) находится на границе самовозбуждения, причем любое случайное изменение параметров, может нарушить условие самовозбуждения. Поэтому, такой двигатель также можно отнести к категории невозбуждаемых.
Основными параметрами, влияющими на способность электродвигателя к самовозбуждению, является номинальное напряжение ротора Е2ном. Критическим значением Е2ном при котором самовозбуждение не наступает без большого тока подпитки следует принять 300 В.
Данная особенность режима динамического торможения самовозбуждением учитывалась заводом «Динамо» и ПО «Сибэлектромотор» при разработке в начале 80-х годов прошлого века серии крановых электродвигателей 4МТ.
В частности, значение Е2ном для некоторых электродвигателей было снижено по сравнению с предыдущей серией МТ для того, чтобы сделать двигатели возбуждаемыми.
Например, для электродвигателя 4МТН225L6, широко используемого в электроприводе башенных кранов Е2ном было снижено в сравнении с двигателем предыдущей серии МТН512-6 с 340 до 290 В, что сделало двигатель самовозбуждаемым. Позднее ОАО «Сибэлектромотор» начал выпускать электродвигатель 4МТМ225L6 с теми же параметрами.
Со временем, электродвигатели аналогичного назначения стали выпускать и другие производители.
Ржевский краностроительный завод выпускает электродвигатель серии МКАФ225L6, Сибирская электротехническая кампания – электродвигатель 4МТМ225L6 ПНД. Несмотря на отличный от прототипа внешний вид, связанный с технологическими возможностями каждого из производителей, все эти электродвигатели имеют одинаковые электрические параметры и установочные размеры, и, являются полностью взаимозаменяемыми.
Различие в наименованиях двигателей позволяет потребителю делать осознанный выбор того или иного изготовителя, руководствуясь собственными предпочтениями, ценой, сроком поставки и т.д. И при этом быть полностью уверенным, что замена на кране электродвигателя одного производителя электродвигателем другого производителя не приведет к нарушению работы крана или аварии.
Однако за последнее десятилетие на отечественном рынке появились электродвигатели разных производителей, марка которых точно воспроизводит марку «исконного» электродвигателя производства ОАО «Сибэлектромотор». Можно предположить, что происхождение электродвигателей имеет отношению к великому восточному соседу нашей страны. Цена их несколько ниже чем у традиционных производителей, поэтому интерес к ним у служб снабжения предприятий объясним.
Таким образом, заказывая электродвигатель для установки на изготовленный кран, или заменяя вышедший из строя электродвигатель на кране действующем, вы можете получить электродвигатель неизвестного производителя, с Е2ном отличным от электродвигателя-прототипа.
Ситуация чем-то напоминает начало 90-х, когда по стране одновременно гастролировали несколько эстрадных коллективов под одним названием.
Еще раз напомним, что отношение Е2ном/I2ном является важнейшим параметром двигателя с фазным ротором, влияющим на выбор пускорегулирующих резисторов, релейно-контакторной аппаратуры, и, как говорилось выше – на условие самовозбуждение электродвигателя.
Тем не менее, на фирменных табличках электродвигателей-клонов зачастую вообще отсутствуют данные о параметрах ротора. Вот пример:
Рис. 3. Фирменная табличка кранового асинхронного двигателя с фазным ротором
К слову сказать, данный электродвигатель имел «правильное» значение Е2ном, только вот определять его пришлось опытным путем.
В каталогах других производителей для электродвигателя 4МТМ225L6 указано значение Е2ном=340 В, т.е. возбуждаемый двигатель превратился в невозбуждаемый. Последствием применения такого электродвигателя в составе электропривода с динамическим торможением самовозбуждением является падение груза и разнос электродвигателя с механическим разрушение обмотки ротора и статора.
Именно такую картину автор наблюдал недавно на одном из старейших российских машиностроительных предприятий, куда был поставлен новый мостовой кран с электродвигателем-клоном типа 4МТМ225L6 с Е2ном=340 В. Только по счастливой случайности не пострадали люди. Причем владелец крана три(!) раза восстанавливал двигатель после разноса.
Другой производитель электродвигателей-клонов, видимо уже неоднократно столкнувшись с аналогичными авариями, выпускает теперь под одной и той же маркой (!) два электродвигателя. Один с Е2ном=340 В, другой с Е2ном=264 В в каталоге приведен с примечанием: «для кранов типа КБ», т.е башенных.
Такой двигатель действительно наиболее широко применяется на башенных кранах, однако устанавливается и на кранах мостового типа. Так и слышишь диалог Поставщика с Заказчиком: «Вам двигатель для какого крана нужен? Для мостового. Тогда берите вот этот (Е2ном=340 В)». А в электроприводе подъема установлена панель управления с динамическим торможением самовозбуждением. Результат описан выше.
При этом никто не говорит, что эти электродвигатели дефектные или ненадежные, и, их нельзя применять на кранах. Чем больше будет выбор на рынке, тем лучше. Как говорится больше двигателей хороших и разных. Просто их марка вводит потребителя в заблуждение, которое может быть чревато опасными последствиями.
Для того, чтобы использовать электродвигатель, с отличными от прототипа параметрами ротора нужно:
-
Измерить Е2ном при разомкнутой цепи ротора и включенной в сеть обмотки статора;
-
На основании измеренного Е2ном произвести расчет, выбор и заказ пускорегулирующих резисторов;
-
Выбрать из каталога панель управления для невозбуждаемых электродвигателей и заказать ее.
А можно просто перед заказом двигателя, привлекающего своей ценой, поинтересоваться значением Е2ном и специально согласовать его в договоре. Что не исключает впрочем, измерение Е2ном при входном контроле заказанного двигателя.
Резюмируя изложенное, можно сделать следующие выводы:
-
В электроприводе отечественных кранов на базе электродвигателей с фазным ротором широко используется динамическое торможение самовозбуждением. В эксплуатации находятся десятки тысяч таких электроприводов. Их выпуск продолжается и в настоящее время.
-
Для работы в режиме динамического торможения самовозбуждением электродвигатель должен иметь определенное соотношение Е2ном/I2ном.
-
Главным условием самовозбуждения электродвигателя с фазным ротором является значение Е2ном ≤ 300 В.
-
Использование электродвигателей с Е2ном > 300 В с панелями управления, предназначенными для возбуждаемых электродвигателей может привести к падению груза и разрушению электродвигателя.
Е.В. Попов, канд. техн. наук, Генеральный директор ООО «Кранэлектропривод» Г. Москва (495) 686-31-60 kranpribor@mail.ru