起重机电气控制第四章.ppt
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第五节三相异步电动机的机械特性及运转状态,三相异步电动机的转速n与转差率s之间存在一定关系:
n=(1-s)n0,异步电动机的机械特性用曲线表示时,习惯上纵坐标同时表示转速n和转差率s,横坐标表示电磁转矩T。
但三相异步电动机的机械特性表达式则一般不用n=f(T)或s=f(T)的形式,而用T=f(s)表示。
电动机的机械特性是指转速n与转矩T之间的关系n=f(T)。
电动机作为一种将电能转化成机械能的设备,最重要的就是电动机的机械特性。
几个基本概念,异步电机定子磁场转速-同步转速,异步电机的磁极对数,电源的频率,转差率,异步电机转速-转子机械转速,调速,一、机械特性的物理表达式,则上式可表征为T=f(s),即机械特性。
从分析转子相电流及转子功率因数与转差率之间的关系,间接地找出电磁转矩T与转差率s之间变化规律。
a.作曲线:
和分别如图。
b.两条曲线逐点相乘,并乘以常数,据此可得机械特性。
c.纵坐标改为n(s=0处n=ns;s=1处n=0),得。
式中,“”号适用于电动机状态,“”号适用于发电机状态。
异步电动机的机械特性具有对称性,即发电机状态和电动机状态的最大转矩绝对值及对应的临界转差率可认为近似相等。
忽略R1的影响,上式可简化为:
当电源的频率及电机的参数不变时,Tm与定子绕组相电压U1的平方成正比。
sm不变,与U1无关。
当电源的频率、电压不变时,Tm和Sm近似与成反比。
(频率越高,最大转矩和临界转差率越小)Tm与R2无关,而Sm则与R2成正比。
(R2为转子回路总电阻),机械特性的定性分析:
异步电机稳定运行问题,二、异步电机的固有机械特性和人为机械特性,1、固有机械特性,三相异步电动机工作在额定频率、额定相数、额定电压下,定子绕组按规定的接线方式联结(Y或),定子及转子回路不外接任何阻抗或电器元件的条件下的机械特性称为固有机械特性。
三相异步电动机的固有机械特性,2、人为机械特性,人为地改变电动机的某些参数或电源参数而得到的机械特性,称为人为机械特性。
(增大R2)绕线型电机,Tm、ns不变,与R2无关。
sm与R2+R成正比增大,Tst先随R2+R增大。
当Tst=Tm时,Tst有最大值,如R再增大,Tst随R增大而减小。
其特性直线部分与直流电机电枢串电阻特性相似,可用于电机调速、起动等。
转子电路内串联对称电阻,三、三相异步电机的运行状态,1、电动运转状态,电机有两大运转状态:
电动状态和制动状态。
取决于电机运行时T、n的关系。
能量关系:
电机由电网吸收电能,转换为机械能输出。
2、制动运转状态,能量关系:
电机由轴上吸收机械能,转换为电能输出(回馈),或消耗于转子回路中;也可由电网吸收电能,也消耗于转子回路中。
制动运行状态中,根据转矩和转速的不同情况,又可分为:
回馈制动、反接制动及能耗制动等。
制动运行,反向电动运行,发电运行,电动运行,制动运行,回馈制动运行,发电运行,回馈制动运行,
(1)、回馈制动状态,T、n反向,即制动。
nns,s0,即回馈。
将一部分机械能转换为电能并回馈电源(发电)。
电动机运行在第II象限,如图中的A点,n0,T0,可称为正向回馈制动运行。
当异步电动机拖动位能性恒转矩负载,电动机运行于第IV象限,如图中的B点,T0,n0,称为反向回馈制动运行。
对恒转矩负载,不论、象限,回馈制动均可稳定运行。
如在转子回路串入电阻后,转速绝对值加大,如图中的C点;串入电阻值越大,转速绝对值越高。
一般回馈制动不串电阻。
回馈制动适用于起重机高速下放重物。
回馈制动时仍须接入电网。
(2)、反接制动状态,反接制动可分为转速反向的反接制动和两相反接的反接制动两种。
(a)、转速反向的反接制动(倒拉反转),拖动位能性恒转矩负载运行的三相绕线式异步电动机,若在转子回路内串入一定值的电阻,电动机转速可以降低。
如果所串的电阻超过某一数值后,TstTz,电动机转速反向(反转),称之为转速反向的反接制动状态(倒拉反转)。
对位能性恒转矩负载,可在图中的B点稳定运行。
适用于起重机下放重物。
反转,转子回路串入电阻,特性变软,(b)、两相反接的反接制动,处于正向电动运行的三相异步电动机,当改变三相电源的相序时(定子两相对调),电动机便进入了反接制动过程.,两相反接的反接制动无稳态运行点,适用于反抗性负载的快速停车(降速到n0时切断电动机电源)或快速反向运行。
反接制动过程中,电动机电源相序为负序。
ns反向(机械特性突变),T反向。
而转速n不能突变,即T、n反向为制动运行,且n、ns反向。
则:
两相反接的反接制动运行时的功率关系与转速反向的反接制动运行时完全相同。
图为转子回路串入较大电阻时的反接制动机械特性。
如拖动反抗性恒转矩负载,电动机的运行点从ABC(暂态),到C点后,如未关断电源,则至D点为电动运行(稳态)。
如拖动位能性恒转矩负载,电动机的运行点从ABC(暂态)为反接制动,由CDE(暂态)为反向起动(电动),由EF为回馈制动,至F点为回馈制动运行(稳态)。
反接制动过程,反向起动,反向电动,3、运转状态小结,
(1).电动机运转状态用T、n是同向或反向划分,只有两种:
电动运转状态:
T、n同向;制动运转状态:
T、n反向。
(2).由T、n关系可知:
电动运转状态,特性在、象限;制动运转状态:
特性在、象限。
(3).由于T、n的正方向是人为规定的,所以同一电机的机械特性在、或、象限必是对称的。
(4).正常接线情况下,可得到“电动”、“回馈制动”、“反接制动”;而在定子中通入直流可得到“能耗制动”。
桥式起重机拖动主钩异步电机主电路及其机械特性:
1,2,3,4,5,6,1,3,4,2,5,转速逐级提升过程为,在空钩下放时也属电动状态。
此时不但有空钩重量产生的位能力矩,而且有摩擦力产生的阻力矩,而阻力矩又比位能力矩大,将二者叠加即为电动机轴上的负载转矩。
空钩提升与下放时的负载转矩特性,提升和下放空钩时的机械特性与负载转矩特性,a-位能转矩b-摩擦转矩c-合转矩,反接制动状态,回馈制动状态,第六节起重机械电气控制线路分析,一、起重机械概述,1用途和分类,按其结构可分,按起吊的重量可分,桥式起重机,门式起重机,塔式起重机,旋转起重机,缆索起重机,小型为510t,中型1050t,重型50t以上,2.桥式起重机的结构及运动情况,1驾驶室2辅助滑线架3交流磁力控制盘4电阻箱5起重小车6大车拖动电动机7端梁8主滑线9主梁,桥式起重机由桥架,装有提升机构的小车、大车运行机构及操纵室等几部分组成。
(1)桥架:
由主梁9、端梁走台7等几部分组成。
主梁跨架在车间上空,其两端连有端梁,主梁外侧装有走台并设有安全栏杆。
桥架的一头装有大车移行机构6、电气箱3、起吊机构和小车运行轨道以及辅助滑线架。
桥架的一头装有驾驶室,另一头装有引入电源的主滑线。
(2)大车移行机构:
大车移行机构是由驱动电动机、制动器、传动轴(减速器)和车轮等几部分组成。
其驱动方式有集中驱动和分别驱动两种。
整个起重机在大车移动机构驱动下,可沿车间长度方向前后移动。
(3)小车运行机构:
由小车架、小车移行机构和提升机构组成。
小车架由钢板焊成,其上装有小车移行机构、提升机构、栏杆及提升限位开关。
小车可沿桥架主梁上的轨道左右移行。
在小车运动方向的两端装有缓冲器和限位开关;运动形式:
大车拖动电动机驱动的前后运动,小车拖动电动机驱动的左右运动以及由提升电动机驱动的重物升降运动三种形式,每种运动都要求有极限位置保护。
3桥式起重机对电力拖动和电气控制的要求:
通常起重机械的工作条件通常十分恶劣,而且工作环境变化大,大都是在粉尘大、高温、高湿度或室外露天场所等环境中使用。
其工作负载属于重复短时工作制。
由于起重机的工作性质是间歇的(时开时停,有时轻载,有时重载),要求电动机经常处于频繁起动、制动、反向工作状态,同时能承受较大的机械冲击,并有一定的调速要求。
为此,专门设计了起重用电动机,它分为交流和直流两大类,交流起重用异步电动机有绕线和笼型两种,一般在中小型起重机上用交流异步电动机,直流电动机一般用在大型起重机上。
为了提高起重机的生产率及可靠性,对其电力拖动和自动控制等方面都提出了很高要求:
(1)空钩能快速升降,以减少上升和下降时间,轻载的提升速度应大于额定负载的提升速度。
(2)具有一定的调速范围,对于普通起重机调速范围一般为3:
1,而要求高的地方则要求达到5:
110:
1。
(3)在开始提升或重物接近预定位置附近时,都需要低速运行。
因此应将速度分为几档,以便灵活操作。
(4)提升第一档的作用是为了消除传动间隙,使钢丝绳张紧,为避免过大的机械冲击,这一档的电动机的起动转矩不能过大,一般限制在额定转矩的一半以下。
(5)在负载下降时,根据重物的大小,拖动电动机的转矩可以是电动转矩,也可以是制动转矩,两者之间的转换是自动进行的。
(6)为确保安全,要采用电气与机械双重制动,既减小机械抱闸的磨损,又可防止突然断电而使重物自由下落造成设备和人身事故。
(7)要有完备的电气保护与联锁环节。
由于起重机使用很广泛,控制设备已经标准化。
根据拖动电动机容量的大小,常用的控制方式有两种:
一种是采用凸轮控制器直接去控制电动机的起停、正反转、调速和制动。
这种控制方式由于受到控制器触点容量的限制,故只适用于小容量起重电动机的控制。
另一种是采用主令控制器与磁力控制屏配合的控制方式,适用于容量较大,调速要求较高的起重电动机和工作十分繁重的起重机。
对于15t以上的桥式起重机,一般同时采用两种控制方式,主提升机构采用主令控制器配合控制屏控制的方式,而大车小车移动机构和副提升机构则采用凸轮控制器控制方式。
二.凸轮控制器控制线路分析,接触器KM控制电动机起动和停止。
控制器的不同控制位置,转子各相电路接入不同的电阻,实现一定范围的调速。
表示触头闭合,L1,L2,L3,U,V,W,V,W,L2,L3,L2,L3,右,正转,左,反转,凸轮控制器控制电动机的机械特性,
(1)主电路分析QS为电源开关,KI为过电流继电器,用于过载保护,YA为三相电磁制动抱闸的电磁铁,YA断电时,在强力弹簧作用下制动器抱闸紧紧抱住电动机转轴进行制动,YA通电时,电磁铁吸动抱闸使之松开。
三相电动机有接触器KM进行起动和停止控制,电动机转子回路串联了几段三相不对称电阻。
在控制器的不同控制位置,凸轮控制器控制转子各相电路接入不同的电阻,以得到不同的转速,实现一定范围的调速。
在电动机定子回路中,三相电源进线中的有一相直接引入,其它两相经凸轮控制器控制,当控制器手柄位于左边15档与位于右边15档的区别是两相电源互换,实现电动机的电源的相序的改变,达到正转与反转控制目的。
电磁制动器YA与电动机同时得电或失电,从而实现停电制动。
凸轮控制器操作手柄使电动机的定子和转子电路同时处在左边或右边对应各档控制位置。
左右两边15档转子回路接线完全一样。
当操作手柄处于第一档时,各对触点都不接通,转子电路电阻全部接入,电动机转速最低。
而处在第五档时,五对触点全部接通,转子电路电阻全部短接,电动机转速最高。
(2)控制电路分析凸轮控制器的另外三对触点串接在接触器KM的控制回路中,当操作手柄处于零位时,触点1-2、3-4、4-5接通,此时若按下SB则接触器得电吸合并自锁,电源接通,电动机的运行状态由凸轮控制器控制。
(3)保护联锁环节分析本控制线路有过电流、失压、短路、安全门、极限位置及紧急操作等保护环节。
其中主电路的过电流保护由串接在主电路中的过电流继电器KI来实现,其控制触点串接在接触器KM的控制回路中,一旦发生过电流,KI动作,KM释放而切断控制回路电源,起重机便停止工作。
由接触器KM线圈和0位触点串联来实现失压保护。
操作中一旦断电,接触器释放,必须将操作手柄扳回零位,并重新按起动按钮方能工作。
控制电路的短路保护是由FU实现的,串联在控制电路中的SA1、SQ1、SQ2及SQ3分别是紧急操作、安全门开关及提升机构上极限位置与下极限位置保护行程开关。
三.主令控制器控制线路分析,KM0、KM1分别实现提升电机的正转与反转。
KM3、KM4、KM5、KM6、KM7、KM8实现转子电路串入不同的电阻,调节转速。
1主电路分析LK1-1290型主令控制器共有12对触点,提升、下降各有六个控制位置。
通过12对触点的闭合与分断组合去控制定子电路与转子回路的接触器,决定电动机的工作状态(转向、转短、转速等),使主钩上升、下降,高速及低速运行。
KM0与KM1为吊钩电动机正反转控制接触器(控制吊钩升降),YA为三相制动电磁铁,KI1为过电流保护继电器,电动机转子电路中共有七段对称连接的电阻,其中前两段为反接制动电阻,由接触器KM3、KM4控制,后四段为起动加速调速电阻,分别由接触器KM5KM8控制,当KM3KM8依次闭合时,电动机的转子回路中所串入的电阻依次减小。
与主令控制器的各控制位置相对应的电动机的机械特性如右图。
2控制电路分析1)正转提升控制先合上QS1、QS2,主电路、控制电路上电,当主令控制器操作手柄置于0位时,SA1闭合,使电压继电器KV吸合并自锁,控制线路便处于准备工作状态。
当控制手柄处于工作位置时,虽然SA1断开,但不影响KV的吸合状态。
正转提升有六个控制位置,当主令控制器操作手柄转到上升第1位时,SA3、SA4、SA6、SA7闭合,接触器KM0,、KM2、KM3得电吸合,电动机接上正转电源,制动电磁铁同时通电,松开电磁抱闸,由于转子电路中KM3的触点短接一段电阻,所以电动机是工作在第一象限特性曲线1上,对应的电磁转矩较小,一般吊不起重物,只作张紧钢丝绳和消除齿轮间隙的预备起动级。
当控制手柄依次转到上升第2、3、4、5、6位时,控制器触点SA8SA12相继闭合,依次使KM4、KM5、KM6、KM7、KM8通电吸合,对应的转子电路逐渐短接各段电阻,电动机的工作点从第2条特性向第3、第4、第5并最终向第6条特性过渡,提升速度逐渐增加,可获得五种提升速度。
2)下降操作控制下降控制也有六个位置,根据吊钩上负载的大小和控制要求,分三种情况。
(1)C位(第一档)用于重物稳定停于空中或在空中作平移运动。
由图可知,此时主令控制器的SA3、SA6、SA7、SA8闭合,使KM0、KM3、KM4通电吸合,电动机定于正向通电,转子短接两段电阻,产生一个提升转矩。
而此时KM2未通电,因此电磁抱闸对电动机起制动作用,此时电磁抱闸制动力矩加上电动机产生的提升转矩与吊钩上重物力矩相平衡,使重物能安全停留在空中。
该操作档的另一个作用是在下放重物时,控制手柄由下降任一位置扳回零位时,都要经过第一档,这时既有电动机的倒拉反接制动,又有电磁抱闸的机械制动,在两者共同作用下,可以防止重物的溜钩,以实现准确停车。
下降C位电动机转子电阻与提升第2位相同,所以该档机械特性为上升特性2及在第四象限的延伸。
(2)下降第1、2位用于重物低速下降。
操作手柄在下降第1、2位,SA4闭合,KM2和YA通电,制动器松开,SA8、SA7相继断开,KM4、KM3相继断电释放,电动机转子电阻逐渐加入,使电动机产生的制动力矩减小,进而使电动机工作在不同速度的倒拉反接制动状态。
获得两级重载下降速度,其机械特性如第四象限的1、2两条特性所示。
必须注意,只有在重物下降时,为获得低速才能用这两档,倘若空钩或下放轻物时操作手柄置于第1、2位,非但不能下降,而且由于电动机产生的提升转矩大于负载转矩,还会上升。
(3)下降第3、4、5位为强力下降。
当操作手柄在下降第3、4、5位置时,KM1及KM2得电吸合,电动机定子反向通电,同时电磁抱闸松开,电动机产生的电磁转矩与吊钩负载力矩方向一致,强迫推动吊钩下降,故称为强力下降,适用于空钩或轻物下降,因为提升机构存在一定摩擦阻力,空钩或轻载时的负载力矩不足以克服摩擦转矩自动下降。
从第3位到第5位,转子电阻依次切除,可以获得三种强力下降速度,电动机的工作特性,对应于第三象限的3、4、5三条特性曲线。
3控制电路的保护环节由于起重机控制是一种远距离控制,很可能发生判断失误。
例如实际上是一个重物下降,而司机估计不足,以为是轻物,而将操作手柄扳到下降第5位,以高速下放重物是危险的。
为此,在控制电路中,采用KM1和KM8常开触点串联使KM8通电后自锁,转换中经4、3位时,KM8保持吸合,电动机始终运行在下降特性5上,由d点经点平稳过渡到f点,最后稳定在低速下降状态,避免超高速下降出现危险。
在下降第3位转到第2位时,SA5断开,SA6接通,KM1断电,KM0通电吸合,电动机由电动状态进入反接制动状态。
为了避免反接时的冲击电流和保证正确进入第2位的反接特性,采用KM8常闭触点和KM0常开触点并联的联锁触点,以保证在KM8常闭触点复位后,KM0才能吸合并自锁。
防止由于KM8主触点因电流过大而烧结,使转子短路。
控制电路中采用了KM0、KM1、KM2常开触点并联,是为了在下降第2位、第3位转换过程中,避免高速下降瞬间机械制动引起强烈震动而损坏设备和发生人身事故。
其它控制保护叙述从略。
该线路还具有零位保护、零压保护、过电流保护及上限位置保护的作用。
第三章总结,电路图阅读分析的方法与步骤“查线读图”,将控制电路“化整为零”卧式车床的电气控制线路分析异步电机的机械特性和运行状态T与n的关系,电动和制动桥式起重机的控制线路分析保护环节,当电动机为额定电流时,电动机为额定温度,热继电器不会动作。
第八节电气控制系统的保护环节,常用保护环节,短路保护,过载保护,零电压、欠电压保护,弱磁保护,一、短路保护,常用的短路保护元件有熔断器和自动开关。
二、过载保护,常用的过载保护元件是热继电器。
过流保护,1.过载电流较小时,热继电器要经过较长时间才动作,2.过载电流较大时,热继电器则经过较短时间就会动作。
3.通常1.5倍以内过电流,如果过电流时间短的话,对电动机的影响不大,如果过电流时间长,那么用热继电器进行过载保护。
作短路保护的熔断器熔体的额定电流不能大于4倍热继电器发热元件的额定电流。
三、过电流保护,直流电动机和绕线转子异步电动机控制线路中,过电流继电器也起着短路保护的作用。
过电流的动作值为起动电流的1.2倍。
四、零电压及欠电压保护,为了防止电网失电后恢复供电时电动机自行起动的保护叫做零压保护。
在电动机的运行过程中,由于电源电压过分的降低(UN的6080以下)将引起一些电器释放,造成控制系统的不正常工作,因此而设置的保护环节称为欠电压保护。
通常采用欠电压继电器或设置专门的零电压继电器来实现。
左图示意了电气控制系统的各种保护环节。
短路保护熔断器FU1和FU2;过载保护:
热继电器FR;过电流保护:
过电流继电器KI1、KI2;零压保护:
中间继电器KA;欠电压保护:
欠电压继电器KV;互锁保护:
KM1和KM2。
弱磁保护一般由串入电动机励磁回路的欠电流继电器来实现的。
五、弱磁和失磁保护,例
(1)-运料小车的控制,设计一个运料小车控制电路,同时满足以下要求:
1.小车启动后,前进到A地。
然后做以下往复运动:
到A地后停2分钟等待装料,然后自动走向B。
到B地后停2分钟等待卸料,然后自动走向A。
2.有过载和短路保护。
3.小车可停在任意位置。
运料小车控制电路,M3,A,B,C,KM1,FU,QS,FR,KM2,SQ1、SQ2为A、B两端的限位开关,KT1、KT2为两个时间继电器,主回路,动作过程,SB2KM2小车正向运行至A端撞SQ1KT1延时2分钟KM2小车反向运行至B端撞SQ2KT2延时2分钟KM2小车正向运行如此往反运行。
KM1,KM1,FR,KM2,SB1,SQ1,SQ1,KT1,SQ2,KT2,KM2,KM2,KM1,SQ2,KT1,例
(2)-工作台位置控制,起动后工作台控制要求:
SQ3,SQ4,SQ2,SQ1,1,2,3,4,工作台位置控制电路,
(1)根据动作顺序设计控制电路。
(2)检查有无互锁。
(3)检查能否正确启动、停车。
设计步骤:
KM1,FR,SQ4,KM3,SQ2,KM4,KM3,KM2,SQ4,KM1,SQ1,KM2,KM4,SQ1,KM3,SQ3,KM4,KM1,SB1,SB2,KM2,SQ2,SQ3,KA,KA,KM4,KA,工作台位置控制电路,
(1)根据动作顺序设计控制电路。
(2)检查有无互锁。
(3)检查能否正确启动、停车。
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- 起重机 电气控制 第四
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