Лекции Электропривод ГМиММ. 1. Роль электропривода в современных машинных технологиях

• Название: 1. Роль электропривода в современных машинных технологиях
• Анкор: Лекции Электропривод ГМиММ.doc
• Дата: 18.09.2017
• Размер: 3.83 Mb.
• Имя файла: Лекции Электропривод ГМиММ.doc
• Тип: Документы; #8591
• страница: 11 из 12

Исходя из особенностей режимов нагрева и охлаждения дви­гателей различают 8 режимов работы, основными из которых яв­ляются: продолжительный S1, кратковременный S2 и повторно-кратковременный S3.

1. 
   Продолжительный режим (S1) – режим работы электро­двигателя при неизменной нагрузке такой продолжительности, при которой превышение температуры электродвигателя дости­гает установившегося значения. Графики изменения мощности на валу Р, потерь мощности ΔР и температуры перегрева τ, соответ­ствующее режиму S1, приведены на рис.11.4,а.
   

В паспортных данных двигателя указываются номинальная мощность Р_н скорость вращения ω_н, напряжение U_н ток I_н со­ответствующие режиму S1.

2. 
   Кратковременный режим (S2) – это режим, в котором пе­риоды нагрузки чередуются с периодами отключения двигателя. При этом за время работы двигателя, превышение температуры не достигает установившегося значения, а при отключении все части электродвигателя охлаждаются до температуры окружаю­щей среды. Режим характеризуется мощностью (моментом) и временем включения t_р. Стандартная продолжительность рабоче­го периода составляет 10, 30, 60, 90мин.
   

Графики, характеризующие кратковременный режим рабо­ты, показаны на рис.11.4,6.

3. 
   Повторно-кратковременный режим (S3) – это режим, при котором кратковременные периоды нагрузки чередуются с пе­риодами отключения двигателя, причем за время работы превы­шение температуры двигателя не достигает установившегося значения, а при отключении двигатель не успевает остыть до температуры окружающей среды (рис.11.4,в). Режим S3 характе­ризуется нагрузкой и продолжительностью включения (ПВ):
   

(11.14)

Стандартные значения ПВ, на которые рассчитываются и выпускаются электродвигатели, предназначенные для работы в режиме S3, составляют 15, 25, 40 и 60%. Максимальная продол­жительность цикла не должна превышать 10 мин.

Номинальные режимы S4... S5 введены для того, чтобы уп­ростить задачу выбора электродвигателей, работающих в этих режимах. Здесь ограничимся лишь упоминанием этих режимов, повторно-кратковременный режим работы с частыми пусками S4 повторно-кратковременный режим работы с частыми пусками и электрическим торможением - S5; перемежающий режим рабо­ты - S6 когда после периода работы электродвигатель не отклю­чается а продолжает работать вхолостую; перемежающий режим работы с частыми реверсами - S7; перемежающий режим работы с двумя и более скоростями - S8.



Рис. 11.4. Температурные характеристики двигателя при режимах работы: а) продолжительном S1; б) кратковременном S2; в) повторно - кратковре­менном S3

Метод эквивалентного тока

Потери в двигателях примерно пропорциональны квадрату тока в его обмотках. Зная график тока, протекающего по обмоткам двигателя, можно определить для каждого конкретного ре­жима работы значение тока I_эхарактеризующее его нагрев.

Эквивалентный ток I_э – это такой неизменный по величине ток, который вызывает такой же нагрев электродвигателя, как и реально протекающий изменяющийся по величине ток в соответствии с графиком нагрузки механизма.

ΔA_cт= ΔA_рот·r₁/r₂

(12.2)

Условие проверки двигателя на нагрев будет:

I_э≤I_ном (12.3)

Метод эквивалентного момента

Если момент двигателя пропорционален току, то можно пользоваться методом эквивалентного момента.

Эквивалентный момент – это такой постоянный момент на­грузки, который вызывает такой же нагрев двигателя, как и ре­ально изменяющийся момент в соответствии с графиком работы механизма.

(12.4)

Условие правильности выбора двигателя - М_э<М_н.

Этот метод применим для двигателей постоянного тока с не­зависимым возбуждением, для асинхронных двигателей и других, когда момент пропорционален току.

Метод эквивалентной мощности

Если скорость двигателя изменяется мало и можно считать, что мощность пропорциональна моменту и, следовательно, току, то эквивалентная мощность будет:

(12.5)

Производить проверку двигателя на нагрев по эквивалент­ной мощности можно для нерегулируемых по скорости электро­двигателей, у которых момент пропорционален току. Условие правильности выбора электродвигателя - Рэ < Рн.

Формулы (12.2), (12.4), (12.5) не учитывают условий ухуд­шения охлаждения у двигателей с самовентиляцией при стоянке во время пауз и при сниженной скорости вращения. С учетом этого обстоятельства можно пользоваться более точной форму­лой, например, для эквивалентного тока



где β₁ = β₃ = 0,5 – коэффициент, учитывающий ухудшение условий охлаждения в процессе разгона и торможения двигателя;

β₀ = 0,3 – коэффициент, учитывающий ухудшение условий охлаждения во время стоянки двигателя.

Продолжительный режим S1.

1. 
   Определяется мощность производственного механизма, причем если нагрузка за время работы изменяется, то определя­ется эквивалентная мощность (момент или ток).
   

(12.6)

где F, М – сила, момент сопротивления, приведенные к двигателя, Н и Нм; V_н ω_н – номинальная линейная и угловая ско­рости механизма и двигателя соответственно, м/с, с^–1; η_п – кпд передачи.

2. 
   По каталогу выбирается электродвигатель из условия
   

Р_н.дв ≥К₃Р (12.7)

где Р_н.дв – номинальная мощность электродвигателя по ката­логу; К₃=1,05÷1,2 – коэффициент запаса, учитывающий неточно­сти расчета сил сопротивления.

3. 
   Электродвигатель при необходимости проверяется на пе­регрузочную способность по условиям пуска
   

(12.8)

где М_с М_д – статический и динамический моменты сопро­тивления, Н_м;

J_∑ – приведенный к валу электродвигателя суммар­ный момент инерции, кгм2; 1п - время пуска.

Асинхронные короткозамкнутые электродвигатели прове­ряются по пусковому моменту М_п > М_сп · К₃; М_сп - момент со­противления при скорости, равной нулю.

Кратковременный режим S2

1. 
   Определяется мощность (момент) нагрузки и время рабо­ты электродвигателя. Если нагрузка за время работы изменяется, то определяется эквивалентная мощность (момент).
   
2. 
   Для некоторых серий электродвигателей указывается до­пустимая мощность при стандартных значениях продолжитель­ности рабочего периода 10, 30, 60, 90 минут. Если время работы t_p не совпадает со стандартным, выбирают двигатель по бли­жайшему большему значению времени работы. Обязательна про­верка двигателя по перегрузочной способности.
   
3. 
   Если двигатель рассчитан для продолжительного режима работы, при кратковременном режиме его можно перегружать. Для количественной оценки возможности перегрузки используют коэффициент механической перегрузки р_м– отношение мощно­сти нагрузки двигателя в кратковременном режиме Р_кк номи­нальной мощности в продолжительном режиме
   

где а = К/V_ном– отношение постоянных потерь к номи­нальным переменным потерям в двигателе.

Если отношение t_p/Т_н ≤ 0,35, электродвигатель проверяют только по перегрузочной способности.

Повторно-кратковременный режим

1. 
   Определяются мощность (момент), время работы и паузы каждой операции в цикле.
   
2. 
   Строятся нагрузочная диаграмма и тахограмма.
   
3. 
   Если нагрузка переменная, то определяется эквивалент­ный момент или ток.
   
4. 
   Определяется продолжительность включения
   

(12.9)

где – сумма времени работы и пауз, если в цикле несколько операций.

5. 
   5. Если ПВ_р=ПВ_ст, то при соответствующем стандартном ПВ% выбирают электродвигатель из условия Р_н.дв≥К_з·Р_э.ст
   

В случае, если расчетная ПВ не соответствует стандартной, то эквивалентную мощность приводят к стандартной по формуле

(12.10)

7.3 Энергетические показатели электропривода

На долю электропривода приходится около 2/3 всей выраба­тываемой электроэнергии, поэтому вопрос о том, насколько эффективно используется эта электроэнергия, имеет огромное техническое и экономическое значение.

Электрические приводы питаются (за исключением транс­портных или мобильных машин) от промышленной сети пере­менного тока частотой 50 Гц. Электроприводы потребляют (а при работе в рекуперативном тормозном режиме и отдают) из сети активную мощность. Активная мощность расходуется на совер­шенствование полезной работы и покрытие потерь во всей элек­тромеханической системе рабочей машины.

Анализируя эффективность использования электрической энергии, следует различать энергетическую эффективность само­го технологического процесса, который осуществляется рабочей машиной с электроприводом, и эффективность собственно элек­тропривода, характеризуемую его коэффициентом полезного действия - кпд, который представляет собой отношение выход­ной мощности данного устройства к входной мощности. Кпд оп­ределяют также как отношение полезной мощности (или энергии) к затраченной

(11.1)

где

Поскольку силовая часть электропривода состоит из элек­тродвигательного, передаточного и преобразовательного уст­ройств, то кпд электропривода в целом определяют как произве­дение кпд этих устройств

η = η_дв · η_пер · η_преоб

Кпд электродвигателя есть отношение механической мощ­ности на валу двигателя к потребляемой со стороны обмоток статора (для машин постоянного тока – со стороны якоря).



Номинальный кпд асинхронных двигателей мощностью от 0,1-15,0 кВт составляет 0,85-0,9. С ростом мощности номиналь­ный кпд повышается и у крупных высокоскоростных двигателей переменного тока мощностью свыше 1000 кВт может достигать величины 0,97.

Кпд электродвигателей существенно зависит от нагрузки на валу двигателя. Для анализа этой зависимости пользуются мето­дом разделения потерь ΔР на постоянные К и переменные V.

ΔР = К + V (11.2)

Для нерегулируемых по скорости двигателей постоянные потери складываются из:

• 
  потерь в стали;
  
• 
  механических потерь, в том числе на самовентиляцию;
  
• 
  добавочных потерь.
  

Переменные потери зависят от квадрата тока в обмотках машины и будут равны:

• 
  для машин постоянного тока V = I_я²R_я
  
• 
  для асинхронных двигателей сумме потерь в обмотках статора и ротора V = 3I₁²r₁ + 3I₂²r₂
  

Потери в роторной цепи согласно (6.8) пропорциональны моменту на валу двигателя и скольжению

3I₂²r₂ = M ·ω₀s

Ориентировочно можно считать, что потери в обмотках ста­тора относятся к потерям в обмотках ротора в соотношении r₁/r₂. Тогда переменные потери для асинхронных двигателей будут

(11.3)

Мы видим, что при работе с неполной нагрузкой кпд двига­теля снижается.

Типичная кривая зависимости кпд от загрузки двигателя показана на рис. 11.1.



Рис. 11.1. Зависимость кпд асинхронного дви­гателя от нагрузки (двигатель 4АИ16084)

Отсюда следу­ет, что завышение установленной мощности двигате­ля ведет к сниже­нию его эксплуата­ционного кпд, т.е. к непроизводитель­ному расходу элек­троэнергии.

Кпд преобра­зовательного уст­ройства, если по­следнее выполнено на базе силовых на базе силовых полупроводниковых приборов, довольно велико. Потери в преоб­разователе определяются, главным образом, величиной прямого падения напряжения в полупроводниковом приборе. В среднем можно считать, что ΔU= 2В, для мостовых схем – 4,0В. Таким образом, номинальные потери для преобразователей напряжени­ем 440В составляют 1%, а для преобразователей напряжением 220В – 2%. С учетом потерь в реактивных элементах полупроводниковых преобразователей можно полагать, что их кпд со­ставляет 0,95-0,98.

Потери в механическом передаточном устройстве: редукторе, трансмиссии и др., определяются главным образом, силами трения. Величина этих потерь, а, следовательно, кпд механиче­ской передачи зависит от типа используемых подшипников, класса обработки зубчатых колес, систем смазки и др. Кпд механической передачи не остается постоянным, а существенно зави­сит от величины передаваемого момента.

Под кпд рабочей машины понимают произведение кпд элек­тропривода η_эп на кпд собственно рабочей машины. Так, для вентиляторной установки

(11.4)

Здесь Q – производительность вентилятора, м /с;

Н – напор, Па;

η_вен – аэродинамический кпд вентилятора;

Р_затр – затраченная электрическая мощность.

Если рабочая машина работает в энергетически постоянном режиме, то ее энергоемкость, выражаемая через кпд, определяет­ся по (11.4). Если рабочая машина работает циклически (напри­мер, лифты, грузоподъемные механизмы, продольно-строгальные станки и многие другие), то более правильно кпд рабочей маши­ны

определять по затратам энергии за цикл работы

(11.5)

где

–соответственно полезная работа за цикл, затраченная энергия за цикл, потери энергии за рабочий цикл.

В сети переменного тока, питающей электропривод, цирку­лирует реактивная мощность. Негативным результатом наличия реактивной мощности является загрузка питающей сети реактив­ным током, не создающим работы. Величина реактивной мощно­сти оценивается величиной cosφ, где под углом φ понимается фаза сдвига первой гармоники тока от первой гармоники напряжения. У асинхронных короткозамкнутых двигателей номиналь­ный cosφ составляет примерно 0,7-0,8. Недогрузка асинхронно­го двигателя ведет к дальнейшему снижению cosφ.

Cosφ_эп=Cosφ_эд·Cosφ_пр

В приводах по системе ТП-Д (см. раздел 5.3) cosφ = cosа , что определяется запаздыванием, устанавливаемым системой импульсно-фазового управления, открывания тиристоров. По­этому в приводах ТП-Д при высокой скорости вращения cosφ в питающей сети переменного тока будет высоким (0,8-0,9), по ме­ре снижения скорости, когда угол а растет, cosφ будет умень­шаться. При включении привода ТП-Д имеют место броски реак­тивной мощности.

В современных системах регулируемого электропривода стремятся использовать неуправляемые выпрямители, осуществ­ляя регулирование величины напряжения, подаваемого к обмот­кам двигателя, широтно-импульсными методами (см. например, схемы рис.5.29. 6.12). В этом случае cosφ в питающей сети бу­дет не ниже 0,95.

С точки зрения компенсации реактивной мощности многих потребителей электроэнергии эффективно использование для не­регулируемых электроприводов синхронных двигателей большой мощности, которые при перевозбуждении способны генерировать реактивную мощность для ее компенсации в пределах энергосис­темы данного предприятия.