Рис. 5.1. Механические характеристики электродвигателей переменного тока:
1 — с фазовым ротором; 2 — с короткозамкнутым ротором; п0 — частота вращения ротора без нагрузки; Мтах — опрокидывающий момент

В мостовых кранах общего назначения применяют, как правило, специальные, с повышенной прочностью асинхронные электродвигатели, предназначенные для частых пусков и перегрузок, серий МТ (МТБ) и МТК, трехфазного тока. Двигатели серии МТ с фазовым ротором имеют наибольшее распространение, двигатели серии МТК с короткозамкнутым ротором используются только при ненапряженной работе. Механические характеристики этих двигателей (рис. 5.1) в своей рабочей части жесткие, поэтому их скорость движения изменяется весьма мало при значительном изменении нагрузки. Поэтому во многих случаях с достаточной для практических расчетов точностью можно считать, что скорость двигателя переменного тока не зависит.от нагрузки.

Используемые в крановом приводе электродвигатели в основном имеют три режима работы: кратковременный, с длительностью периода неизменной постоянной нагрузки 10, 30, 60 и 90 мин; повторно-кратковременный с относительной продолжительностью включения ПВ 15, 25, 40 и 60% при продолжительности цикла не более 10 мин; повторно-кратковременный при тех же значениях ПВ и частых пусках и торможениях (30, 60, 120 и 240 в час).

Двигатели с короткозамкнутым ротором включаются непосредственно в сеть, в связи с чем сила тока при пуске превышает в 4—6 раз силу номинального тока при установившемся движении. Максимальный пусковой момент короткозамкнутого двигателя ограничен величиной его критического (опрокидывающего) момента Мтах- Средний пусковой момент /Сср за период пуска для этих двигателей подсчитывают по приведенным в каталогах на двигатели кратностям пускового {Кп) и максимального {Кш) моментов. Кратность среднего момента за период пуска.

Поскольку крановое оборудование рассчитывают на обеспечение надежной работы при падении напряжения в сети до 85% от номинального, средний пусковой момент короткозамкнутого двигателя определяют по зависимости.

Рис. 5.2. Кривые разгона механизма с приводом от электродвигателя переменного тока с фазовым ротором

Возможность применения короткозамкнутых двигателей должна быть проверена расчетом, при котором необходимо определить получаемые ускорения при пуске, что имеет особое значение для механизмов передвижения, где при резком приложении пускового момента возможно пробуксовывание ходовых колес по рельсам. Для ограничения пускового или максимального момента этих двигателей применяют включение статора через активное или реактивное сопротивление. Регулирование их скорости производится ступенчато, переключением полюсов в диапазоне 1 : 4. Число пусков ограничивается значительными потерями в двигателе, а перегрузки — его нагревом и максимальным моментом.

Электродвигатели с короткозамкнутым ротором имеют мощность от 1,4 до 37 кВт, частоту вращения 1000 и 750 об/мин и массу — от 70 до 530 кг. При средних и больших мощностях они выполняются в двухскоростном исполнении.

Электродвигатели с фазным ротором включают в сеть с помощью активных регулируемых сопротивлений (реостатов), вводимых в цепь ротора, что позволяет довести начальный пусковой момент до МтаХ. В зависимости от величины сопротивления, включенного в цепь двигателя, разгон его ротора происходит по соответствующей искусственной характеристике (рис. 5.2). В начальный момент ток ограничен максимальным сопротивлением, при этом характеристика 1 двигателя наиболее крутая. Разгон двигателя и механизма происходит по линии а — б, и частота вращения возрастает от 0 до nv Затем производится уменьшение сопротивления, включенного в цепь ротора, и двигатель переходит на характеристику 2, по которой разгон осуществляется до частоты вращения я2. После этого снова выключается часть сопротивления, ток возрастает, и разгон ротора двигателя по характеристике 3 происходит до скорости п3. Наконец, при полностью выключенном сопротивлении двигатель переходит на свою естественную характеристику 4, на которой он работает при скорости я4, соответствующей моменту внешнего (статического) сопротивления Мс.

Без применения дополнительных устройств, при значительных загрузках двигателя возможно регулирование скорости в сторону уменьшения до 50% от номинальной. Для регулирования скорости в диапазоне 1 : 5 используются схемы динамического торможения, дроссели насыщения или автоматически управляемые электрогидравлические толкатели.

Максимальный пусковой момент двигателя с фазовым ротором ограничен реостатными характеристиками; величину момента принимают по каталогу электродвигателей в зависимости от типа двигателя в пределах 1,8—2,5 номинального момента.

Основным номинальным режимом для двигателей является повторно-кратковременный режим с относительной продолжительностью включения ПВ 25 . В технических данных электродвигателей приводятся такие данные для режимов с ПВ 15; 40 и 60. Продолжительность рабочего цикла (продолжительность включения плюс пауза) при этом равна 10 мин.

При включении электродвигателя в сеть в обмотке статора возникает вращающееся магнитное поле, которое наводит в замкнутой обмотке ротора электродвижущую силу, создающую в цепи ротора ток. При разгоне до скорости установившегося движения в двигателе протекает пусковой ток; затем ток ротора становится пропорциональным механической нагрузке двигателя.

Величина s = (я0 — п)/п0 называется скольжением. При отсутствии нагрузки частота вращения п мало отличается от синхронной скорости я0, и скольжение весьма мало. При увеличении нагрузки на валу двигателя скольжение увеличивается и частота вращения п уменьшается. При переходе скольжения через некоторое значение двигатель останавливается. Такое скольжение, а также соответствующий ему момент двигателя называют максимальным или критическим.

Зависимость частоты вращения двигателя от величины развиваемого им момента называется механической характеристикой двигателя. При постоянной скорости во время установившегося движения момент, развиваемый электродвигателем, равен моменту статического сопротивления. С увеличением момента, создаваемого нагрузкой, скорость двигателя уменьшается. Различают мягкие и жесткие характеристики. Если скорость двигателя мало изменяется при значительном увеличении нагрузки, характеристика, двигателя считается жесткой, если же скорость двигателя при увеличении нагрузки уменьшается значительно, то характеристика двигателя считается мягкой. При этом, чем больше изменяется скорость двигателя, тем более мягкой считается его характеристика.

Асинхронные двигатели на всем диапазоне развиваемых ими моментов в пределах почти до максимальных имеют довольно’ жесткие естественные характеристики.

Перегрузочные способности двигателей трехфазного тока выражаются отношением максимального вращающего момента к номинальному. При ПВ 25% эти отношения при мощности 5; 5—10 и более 10 кВт выражаются соответственно величинами 2,3; 2,5 и 2,8.

У электрических двигателей различают два основных режима работы: двигательный и тормозной. Во время подъема груза и при передвижении тележки или крана двигатели работают в двигательном режиме. Работая в тормозном режиме, двигатель замедляет движение груза, тележки или крана и тем самым предотвращает возможность движения с недопустимыми скоростями. В тормозном режиме работают двигатели механизма подъема и передвижения при электрическом торможении.

Если при опускании легких грузов или пустого крюка моменты, создаваемые массой грузов, не в состоянии преодолеть сопротивления, возникающие внутри механизма, то при опускании тяжелых грузов моменты, создаваемые массой грузов, настолько велики, что способны вызвать ускоренное движение груза и вращающихся частей механизма подъема. Поэтому в первом случае двигатель работает в двигательном режиме (силовой спуск), обеспечивая движение груза вниз и преодоление сопротивлений внутри механизма, а во втором случае — в тормозном режиме (тормозной спуск), препятствуя падению груза и ускоренному движению всех вращающихся частей механизма.

Электродвигатели с фазовым ротором имеют мощность от 1,4 до 160 кВт, синхронную частоту вращения 100, 750 и 600 об/мин и массу-от 51 до 1900 кг. Они допускают частые пуски и торможения, а их перегрузка ограничивается максимальным моментом двигателя и его нагревом. Однако эти двигатели имеют и определенные недостатки: вся энергия скольжения, пропорциональная уменьшению скорости, выделяется в виде тепла; при работе двигателей на искусственных характеристиках промежуточные скорости.

Рис. 5.3. Конструктивная схема (а) и характеристика (б) тормозного генератора

Схема электропривода с тормозным генератором вихревого тока работает на принципе сложения механических характеристик асинхронного двигателя и тормозного генератора.

Тормозной генератор (рис. 5.3, а) с тормозным моментом 20 кгс-м предназначен для работы с электродвигателями мощностью 16—30 кВт. Он содержит стальной статор 2 с продольно расположенными полюсами 4 и ротор 6 с короткозамкнутой обмоткой. Статор фланцем 5 прикрепляется к корпусу электродвигателя или редуктора, а ротор насаживается соответственно на вал 1 двигателя или входной вал редуктора. Между полюсами статора расположена обмотка возбуждения <3, при подаче в’ которую постоянного тока в воздушном зазоре между полюсами статора образуется неподвижное многополюсное магнитное поле. При его пересечении стержнями обмотки вращающегося ротора в стержнях возникает электродвижущая сила и вихревые токи, которые замыкаются внутри обмотки. Взаимодействие токов и магнитного поля статора создает тормозной момент М (рис. 5.3, б), пропорциональный частоте вращения и силе тока в обмотке возбуждения, и направленный противоположно направлению вращения ротора.

Рис. 5.4. Кривые возбуждения тормозных генераторов (цифры на кривых—ток возбуждения в А)

У различных типов тормозных генераторов тормозной момент лежит в диапазоне 15—450 кгс-м при частоте вращения от 300 до 1500 об/мин и регулируется силой тока в обмотке возбуждения (рис. 5.4). Хотя мощность потерь в виде тепла вызывает нагрев ротора, его температура (около 40°С) не вызывает повреждения обмотки и сокращение срока эксплуатации генератора.

В связи с тем что ротор тормозного генератора, соединенный с валом электродвигателя, является дополнительной маховой массой, процесс торможения, регулируемый изменением силы тока возбуждения, протекает без толчков. Стопорный тормоз накладывается на шкив уже заторможенного тормозным генератором механизма. Агрегат возбуждения тормозного генератора включает в себя питающий трансформатор, токовое реле (для механизмов подъема) и регулируемое сопротивление. Последнее обеспечивает четыре фиксированные величины возбуждения, т. е. четыре различные скорости привода со ступенями 1 : 3 : 5 : 10. Возбуждение осуществляется постоянным током напряжением ПО или 220 В.