Лекции по " Электроприводу и электрооборудованию"

чается и выключается  с помощью ключа ( контактного или тиристорного ).

          Когда  ключ замкнут двигатель работает  на характеристики 1 (рисунок 3,б), если ключ разомкнут двигатель работает на реостатной характеристике –2. Рабочая зона регулирования располагается между двумя крайними характеристиками.

Энергетические показатели при  импульсном регулировании сопротивления несколько хуже, чем при ступенчатом его изменении. Это обусловлено: пульсацией выпрямленного тока, увеличивающими потери; наличием в цепи обмоток тиристоров которые искажают форму тока двигателя, что приводит к появлению  высших гармоник  (дополнительные потери).

Данный способ регулирования обеспечивает плавное и в широких пределах (в замкнутых системах регулирования) регулирование угловой скорости достаточно простыми и дешевыми техническими средствами

          Включение добавочных сопротивлений в цепь статора

         Данный  способ применяется главным образом  для регулирования  (ограничения)  в переходных процессах  тока  и момента АД с короткозамкнутым ротором.

Искусственные характеристики (рисунок 12,б) мало пригодны для регулирования скорости, так как обеспечивают небольшой диапазон регулирования, малую перегрузочную способность  и жесткость характеристик, а также низкую экономичность. Семейство характеристик аналогично характеристикам при регулировании частоты вращения АД питающим напряжением.

Данный способ применяется, например, в ЭП лифтов, имеющем двухскоростной АД. При переходе с высокой скорости на пониженную в цепь низкоскоростной  обмотки статора вводятся добавочные резисторы, которые ограничивают ток и момент.

Данный способ может быть реализован, как ступенчато (в статорную цепь включаются активные сопротивления различного номинала), так и параметрически (рисунок 12,а), где статорная цепь образована дополнительными активными сопротивлениями зашунтированными ключами, как правило полупроводниковыми, чаще тиристорами.

При Е=1 – работа происходит на естественной характеристике (ключи контактные  замкнуты), где Е – относительная величина включения.

           Е=0 – работа осуществляется при включенном  реостате (ключи разомкнуты).

При 0 < Е < 1 – работа на искусственных характеристиках.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 12 – Схема параметрического регулирования частоты вращения АД с короткозамкнутым ротором (а), механические характеристики (б)

 

          Индуктивное сопротивление также включают в статорную цепь для уменьшения пусковых значений тока и момента, причем  если производить сравнение способов регулирования частоты вращения с помощью напряжения и дополнительных активных и индуктивных сопротивлений (рисунок 5), то наилучшие показатели регулирования с наибольшим М_кр , а соответственно и большей перегрузочной способностью наблюдается при регулировании угловой скорости   с помощью дополнительных индуктивных сопротивлений.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Лекция 7

Расчет мощности электроприводов

 

Вопросы

1) Нагрев и  охлаждение двигателей

2) Классификация  режимов работы ЭП

3) Расчет мощностей  и выбор двигателей в ЭП

1 Нагрев и охлаждение  двигателей

 

 Потери энергии в двигателе вызывают нагрев его отдельных  частей. Допустимый нагрев двигателя определяется нагревостойкостью применяемых изоляционных материалов.

В современных двигателях применяется изоляция нескольких классов, допустимая температура  нагрева  которой составляет: класса А- до 105⁰С, Е –до 120⁰С, В – до 130⁰С, F – до 155⁰С, Н – до 180⁰С, С – свыше 180⁰С. В настоящее время при изготовлении ЭД применяются в основном  изоляции классов В,F,Н.

Соблюдение установленных  ограничений по допустимой температуре  нагрева обеспечивает  срок службы  равный 15…20 лет. Превышение температуры резко снижает срок службы, так  превышение допустимой температуры  нагрева  на 8…10⁰С  сокращает срок службы  изоляции класса А вдвое.

Уравнение теплового  баланса двигателя при неизменной нагрузке имеет вид

,                                              (1)

где  Q – количество теплоты (мощности потерь в двигателе), выделяемое  

                 двигателем  в единицу времени;

А – теплоотдача двигателя (количество теплоты, отдаваемой

       двигателем  в охлаждающую среду в единицу  времени при

       разности  температур в 1⁰С);

τ-   превышение  температуры двигателя над температурой

охлаждающей среды;

,                                                       (2)

где  t_д, t_о.с – соответственно температура двигателя и охлаждающей среды;

         С     -  теплоемкость двигателя  (количество теплоты, необходимое  для 

          повышения температуры   двигателя  на 1⁰С).

Решение уравнения (1) имеет  вид

,                                           (3)

где  τ _нач – начальный перегрев двигателя;

         τ _уст – установившееся превышение температуры двигателя;

 

 

          Т_н – постоянная времени нагрева или охлаждения двигателя,  Т_н=С/А (определяет время достижения установившейся температуры, двигатели большей мощности и габаритов имеют и большую Т_н).

Если τ _нач=0, то (3) принимает вид

.                                            (4)

Физический смысл  постоянной  времени нагрева состоит в том, что она равна времени нагрева двигателя до установившегося превышения температуры τ_уст, если бы отсутствовала отдача тепла в окружающую среду.

На рисунке 1 представлены кривые нагрева двигателя при  τ_нач=0 и τ_нач>0. Там же иллюстрируется  один из способов определения постоянной времени нагрева равной отрезку, заключенному между перпендикуляром к оси абсцисс, проведенным через точку касания касательной к кривой и точкой пересечения этой касательной с асимптотой.

Практически процесс нагрева можно считать установившемся, когда превышение температуры достигнет (0,95…0,98) τ_уст за время

                                                       t_уст=(3…4)Т_н.                                            (5)

При охлаждении двигателя, вызванном его остановкой, условия  теплоотдачи изменяются, изменяется и постоянная времени охлаждения

Т_о=С/β_оА=Т_н/β_о,                                                      (6)

где   β_о – коэффициент ухудшения теплоотдачи (β_о=1 с независимой вентиляцией, β_о=0,5 для самовентилируемых  двигателей).

Все выражения, характеризующие  нагрев  применимы и для охлаждения двигателей, лишь с заменой τ_уст, τ_нач и постоянной времени Т_о.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 1 – Кривые нагрева  для:  1- τ_нач>0;  2 -τ_нач= 0

 

 

При выполнении тепловых расчетов принимается стандартная температура окружающей среды, равная 40⁰С, которой соответствует номинальная мощность двигателя, указанная в паспорте.

При температуре окружающей среды отличной от 40⁰С производится перерасчет  мощности

   ,                      (7)

 

где   - фактическая температура окружающей среды.

2  Классификация режимов  работы ЭП

 

Различные условия работы производственных механизмов обуславливают различные режимы работы электроприводов, которые классифицируются на восемь режимов с условными обозначениями  S1…S8.

Первые четыре  S1…S4  являются основными.

S1 – продолжительный  режим работы. Режим электрической машины при неизменной нагрузке, продолжающийся столько времени, что превышение температуры достигает установившегося режима  (рисунок 2).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

S2 – кратковременный режим работы. Такой режим, при котором  периоды  неизменной номинальной нагрузки чередуются с периодами отключения машины, при этом периоды нагрузки не настолько длительны, чтобы превышения температуры машины могли достигнуть установившихся значений, а периоды остановки настолько длительны, что все части ее охлаждаются до температуры окружающей среды (рисунок 3). В этом режиме гостируются  следующие продолжительности рабочего периода: 10, 30, 60, 90 минут.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

S3 – повторно-кратковременный режим работы. Такой режим при котором кратковременные периоды неизменной номинальной нагрузки (рабочие периоды)  чередуются с периодами   отключения машины (паузами), причем, как рабочие периоды, так и паузы не настолько длительны, чтобы превышения температуры могли достигнуть установившихся значений (рисунок 4).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 4 – Зависимость  температуры нагрева от времени  для повторно-кратковременного режима работы (S3)

 

В этом режиме продолжительность  цикла на превышает 10 минут, а режим  характеризуется  относительной  продолжительностью  включения  ПВ=15,25,40 и 60%, которая определяется по формуле

,                                               (7)

где t_р, t₀, t_ц – время работы, паузы, цикла.

 

S4 – повторно-кратковременный режим с частыми пусками. В данном случае периоды пуска и кратковременной неизменной нагрузки чередуются с периодами отключения машины, причем как рабочие периоды, так и паузы не настолько длительны, чтобы превышения температуры частей машин могли достигнуть установившихся значений. Режим характеризуется: относительной продолжительностью включения (ПВ=15,25,40,60%); нормируемым числом пусков в час (30,60,120 и 240); коэффициентом инерции привода (1,2; 1,6; 2,5; 4; 6,3; 10).  Коэффициент инерции это отношение суммарного приведенного к валу двигателя момента инерции привода к моменту инерции якоря (ротора).

S5 - повторно-кратковременный режим работы с частыми пусками и электрическим торможением. Периоды пуска, кратковременной неизменной нагрузки и электрического торможения чередуются с  периодами отключения  машины, причем превышения температуры не достигают установившихся. Нормированные ПВ и число пусков в час такие же, как и в S4.

S6 – перемежающийся номинальный режим работы. Кратковременные периоды нагрузки чередуются с периодами холостого хода  во время которых двигатель не отключается, причем превышения температуры не достигают установившихся.

S7- перемежающийся номинальный режим работы с частыми реверсами.

S8 – перемежающийся номинальный режим работы с двумя или более угловыми скоростями.

3 Расчет мощностей  и выбор двигателей в ЭП

 

Задача выбора состоит  в поиске такого  двигателя, который  обеспечивает заданный технологический  цикл рабочей машины, соответствует условиям  окружающей среды и при этом имеет нормативный (допустимый) нагрев. Недопустимым является использование двигателей завышенной мощности, так как при этом увеличивается стоимость ЭП, увеличиваются потери, снижается КПД, и коэффициент мощности ЭП. Выбор ЭД обычно производится в такой последовательности: расчет мощности; предварительный выбор двигателя; проверка по условиям пуска, перегрузки, нагреву. Если условия проверки не выполняются, то выбирают другой двигатель, большей мощности.

Тип двигателя выбирается исходя из требований технологического процесса (разгон, торможение, диапазон, плавность регулирование скорости и т.д.)

Двигатель выбирается по роду тока, величине напряжения, числу  оборотов (необходимо выбирать ЭД с наибольшим числом оборотов), конструктивному исполнению.

 

 

Для режима S1 при длительной постоянной нагрузке расчет  мощности  достаточно прост, если известна мощность потребляемая механизмом. Например,  мощность двигателя для вентилятора

,                                                          (8)

где V – подача вентилятора; р – давление вентилятора; η_в – КПД вентилятора; η_п – КПД передачи.

При продолжительной переменной нагрузке, мощность ЭД обычно определяется методом эквивалентных величин тока, момента, мощности или потерь. Например, при методе эквивалентной мощности изменяющуюся нагрузку заменяют некоторой эквивалентной величиной, при которой двигатель выделяет тоже количество тепла, что и при переменной нагрузке. Для прямоугольных участков графика нагрузки

.                                          (9)