сотрудник
Ростов-на-Дону, Ростовская область, Россия
сотрудник
Ростов-на-Дону, Ростовская область, Россия
УДК 62 Инженерное дело. Техника в целом. Транспорт
ГРНТИ 55.51 Подъемно-транспортное машиностроение
ГРНТИ 73.01 Общие вопросы транспорта
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.
полупроводниковое сопротивление, термочувствительное заполнение, пусковые характеристики
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. 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).
