Электропривод. Электрический привод
 Скачать 5.41 Mb.
|
|
4.2. Нагрев и охлаждение двигателя Помимо электромагнитных и механических процессов существенное влияние на работу электрических машин оказывают тепловые процессы. Поте- ри энергии в двигателе вызывают нагрев элементов его конструкции, что при- водит к изменению их свойств, вплоть до полного нарушения работоспособно- сти. Из всех материалов электрических машин наименьшей термостойкостью обладают изоляционные материалы. Поэтому именно они определяют допус- тимую нагрузку двигателя. Применение более термостойких изоляционных ма- териалов позволяет при тех же размерах увеличить мощность машины. Изоляционные материалы, применяемые в электрических машинах, по термостойкости делятся на семь классов, приведённых в таблице 4.1. Все мате- риалы, кроме классов Y и С, состоят из основы и связующих или пропитываю- щих составов. Причём, термостойкость связующих составов в значительной степени определяет термостойкость материала в целом. Например, три класса изоляции B, F и H с одинаковой основой материалов за счёт различных свя- зующих отличаются по термостойкости на 50 °С. Соблюдение температурных ограничений, установленных для каждого класса изоляции, имеет первостепенное значение для практики эксплуатации электрических машин, т.к. превышение допустимой температуры даже в том случае, когда оно не приводит к разрушению изоляции, существенно изменяет её свойства и сокращает срок службы. Например, для изоляции класса A превышение допустимой температу- ры нагрева на 8 …10°С Рис. 4.4. 182 сокращает срок службы вдвое. У современных изоляционных материалов такая температурная перегрузка оказывает не столь существенное влияние, однако всё же недопустима, т.к. приводит к непредсказуемым последствиям в даль- нейшем. Предельные температуры изоляции достигаются в машинах при номи- нальной нагрузке, температуре окружающей среды 40 °С и высоте над уровнем моря до 1000 метров. Поэтому при более высокой температуре и низком давле- нии нагрузка машины должна быть уменьшена. На рис. 4.4 показаны зависимо- сти необходимого снижения мощности асинхронных короткозамкнутых двига- телей серии 5А в зависимости от температуры окружающей среды en ϑ и высо- ты над уровнем моря h. При температуре ниже 40 °С нагрузку двигателя можно несколько увеличить, однако делать это не рекомендуется т.к. разность между средней температурой и температурой наиболее нагретой части обмотки воз- растает приблизительно пропорционально квадрату коэффициента нагрузки / n P P , что может привести к недопустимому перегреву отдельных элементов изоляции. Условия теплообмена и температура отдельных частей машины различны. Наихудший теплоотвод и наибольший нагрев у внутренних элементов конст- рукции. Кроме того в различных режимах изменяется величина и направление Таблица 4.1 Термостойкость изоляционных материалов Класс изоляции Предельно допустимая температура, ° С Характеристика материалов Y 90 Непропитанные волокнистые материалы из целлюлозы, хлопка, шёлка A 105 Пропитанные волокнистые материалы из целлюлозы, хлопка, шёлка E 120 Синтетические органические плёнки B 130 Материалы на основе слюды, асбеста, и стекловолокна, применяемые с органическими связующими и пропитывающими составами F 155 Материалы на основе слюды, асбеста, и стекловолокна, применяемые с синтетическими связующими и пропитывающими составами H 180 Материалы на основе слюды, асбеста, и стекловолокна, применяемые с кремнийорганическими связующими и пропитывающими составами C >180 Слюда, керамические материалы, стекло, кварц, применяемые без связующих составов Примечание: цветом в таблице выделены классы изоляции современных машин общего применения 183 тепловых потоков. В режиме холостого хода тепловыделение обмоток незначи- тельно и тепло передаётся от более нагретой стали обмоткам, а под нагрузкой обмотки являются основными источниками тепла и направление теплового по- тока меняется. Электрическая машина является сложным трёхмерным нелинейным ис- точником тепловых полей, исследование и расчёт которых является предметом особой отрасли науки – теплофизики. Для практических задач анализа тепло- вых процессов в электроприводе принимаются следующие допущения: 1) машина считается однородным телом, обладающим бесконечно большой теплопроводностью; 2) теплоотдача во внешнюю среду пропорциональна первой степени разности температур между корпусом окружающей средой; 3) температура охлаждающей среды постоянна; 4) теплоёмкость машины, мощность тепловых потерь и теплоотдача не зависят от температуры машины. Первое допущение означает, что температура всех элементов машины во всех точках и на поверхности корпуса одинакова. Анализ тепловых процессов основан на законе сохранения энергии в фор- ме теплового баланса s en em Q Q Q = + , т.е. количество теплоты, выделяемое источником s Q , частично отдаётся в ок- ружающую среду en Q и частично накапливается в самой машине em Q . Количе- ство теплоты, выделяемое машиной за промежуток времени dt , равно s Q Pdt = Δ , где P Δ – суммарные потери мощности. За это же время в окружаю- щую среду отводится энергия en Q A dt = τ , где A – коэффициент теплоотдачи, равный количеству теплоты, отдаваемой в единицу времени при разности тем- ператур в 1 °С, а em en τ = ϑ − ϑ – разность температур машины em ϑ и среды en ϑ . Количество тепла накапливаемое самой машиной определяется её теплоёмко- стью C, равной количеству теплоты, необходимой для повышения температуры машины на 1 °С. Тогда количество тепла, накопленное машиной при разности температур d τ , будет равно em Q Cd = τ. Учитывая эти соотношения, уравнение теплового баланса двигателя при- мет вид: Q P C d Pdt A dt Cd A A dt d T dt ∞ Δ τ Δ = τ + τ ⇔ = τ + ⇓ τ + τ = τ (4.18) где: / Q T C A = – постоянная времени, определяемая соотношением теплоёмко- сти и теплоотдачи машины; / P A ∞ τ = Δ – установившееся превышение темпе- ратуры машины над температурой окружающей среды. 184 Решение уравнения (4.18) / 0 ( ) Q t T e − ∞ ∞ τ = τ + τ − τ (4.19) где 0 τ – начальное превышение температуры машины над температурой окру- жающей среды. Выражение (4.19) описывает тепловой переходный процесс независимо от направления теплового потока. Если 0 ∞ τ < τ , то машина нагревается и постоян- ную времени Q h T T = называют постоянной времени нагрева. В противном слу- чае 0 ∞ τ > τ проис- ходит охлаждение, и постоянная вре- мени Q k T T = назы- вается постоянной времени охлажде- ния. Тепловые про- цессы существенно медленнее электро- магнитных и меха- нических, поэтому постоянные време- ни у машин малой мощности составляют несколько десятков минут, а у мощ- ных машин их величина возрастает до нескольких часов. На рис. 4.5, а показаны кривые нагрева машины при нулевом и ненулевом начальном превышении температуры с разными потерями мощности. Длитель- ность переходного процесса не зависит от режима работы машины, т.е. от по- терь, а превышение температуры в статическом состоянии связано с потерями мощности линейно. Процесс охлаждения машин протекает совершенно иначе, чем процесс на- грева. Основным способом теплоотвода электрических машин является конвек- ция, т.е. естественное или искусственное отведение от машины нагретого газа окружающей среды. Естественной конвекцией, т.е. за счёт разности плотностей холодного и горячего воздуха, частично отводится тепло от наружной поверх- ности корпуса машины. Основной же поток тепла отводится воздухом, пе- ремещаемым установ- ленным на роторе венти- лятором. У т.н. самовен- тилируемых машин это единственный воздуш- ный насос. Машины с принудительной венти- ляцией охлаждаются до- Рис. 4.5 Таблица 4.2 Коэффициент ухудшения теплоотдачи при неподвижном роторе Исполнение двигателя β о Закрытый с независимой вентиляцией 1 Закрытый без принудительной вентиляции 0,98–0,95 Закрытый самовентилируемый 0,55–0,45 Защищённый самовентилируемый 0,35–0,25 185 полнительным вентилятором, устанавливаемым на самой машине или вне её. В этом случае они соединяются с машиной воздуховодом. Так как производительность вентилятора в первом приближении является линейной функцией от скорости вращения, то при снижении скорости ротора самовентилируемых машин теплоотвод ухудшается. При остановке же он сни- жается до естественной конвекции. Поэтому постоянная времени охлаждения в 3 …4 раза больше, чем постоянная времени нагрева. Это явление принято учи- тывать коэффициентом ухудшения теплоотдачи 0 0 / A A β = , (4.20) где 0 , A A – коэффициенты теплоотдачи при неподвижном и вращающемся с номинальной скоростью роторе. При работе машины со скоростью вращения ω , отличающейся от номи- нальной n ω , ухудшение теплоотдачи учитывается линейной функцией 0 0 (1 ) / N β = β + − β ω ω , (4.21) В машинах с принудительной вентиляцией условия теплообмена не зави- сят от скорости вращения ротора, поэтому у них 0 A A = и, соответственно, h k T T = . 4.3. Нагрузочные диаграммы электропривода Нагрузочными диаграммами электропривода называются зависимости ста- тических и динамических нагрузок от времени. Различают два вида нагрузоч- ных диаграмм: исполнительного механизм и двигателя. Нагрузочная диаграмма ис- полнительного механизма пред- ставляет собой зависимость стати- ческого момента нагрузки от вре- мени ( ) c M t и обычно она допол- няется диаграммой заданных ско- ростей вращения * ( ) t ω , т.н. тахо- граммой. Нагрузочная диаграмма двигателя – это зависимость вра- щающего момента, соответствую- щего тахограмме привода, от вре- мени,. Расчёт нагрузочной диаграм- мы двигателя можно произвести с помощью уравнения движения, если известна нагрузочная диа- грамма исполнительного механиз- ма, момент инерции маховых масс и тахограмма привода. По этим данным производится предвари- Рис. 4.6 186 тельный выбор двигателя, после чего рассчитываются его нагрузочная диа- грамма, зависимость скорости вращения от времени ( ) t ω , суммарные потери мощности и проверяется правильность предварительного выбора. Все производственные механизмы с точки зрения режима работы можно разделить на две большие группы: механизмы непрерывного и механизмы цик- лического действия. Для этих групп характерны определённые зависимости ( ) c M t и * ( ) t ω Механизмы непрерывного действия называются так потому, что работают в течение рабочей смены или даже нескольких дней. Обычно в таких приводах регулирование не предусматривается, а нагрузка может быть постоянной, на- пример, в приводе вентилятора, но может также меняться в процессе работы, как, например, в приводе эскалатора или ленточного транспортёра. Изменения нагрузки вызывают изменения скорости вращения, а в переходных режимах в приводе возникают динамические усилия, степень влияния которых зависит от нагрузочной диаграммы механизма и параметров привода. На рис. 4.6 приведена нагрузочная диаграмма механизма, работающего в длительном режиме с переменной нагрузкой. Если электромагнитная постоян- ная времени двигателя пренебрежимо мала, то при изменении нагрузки ско- рость вращения и вращающий момент двигателя изменяются по экспоненте с электромеханической постоянной времени / m T J h = , величина которой опреде- ляется моментом инерции привода J и жёсткостью механической характери- стики двигателя h * Если длительность интервалов работы с постоянной нагрузкой 3 q m t T > , то за это время скорость вращения и момент практически достигают своих уста- новившихся значений (рис. 4.6, а). В противном случае к моменту изменения нагрузки переходный процесс не заканчивается (рис. 4.6, б). Нетрудно заметить, что при малой инерционности механизма нагрузочная диаграмма двигателя ( ) M t мало отличается от диаграммы нагрузки ( ) c M t . Ди- намический момент, соответствующий заштрихованным областям, незначи- тельно влияет на нагрев двигателя и его проверку можно производить по диа- грамме исполнительного механизма. Увеличение момента инерции нагрузки значительно уменьшает колебания электромагнитного момента двигателя и скорости вращения (рис. 4.6, б). При увеличении нагрузки кинетическая энергия маховых масс создаёт на валу дви- гателя динамический момент, препятствующий снижению скорости, а при уменьшении нагрузки – препятствующий её возрастанию. В пределе с возрас- танием момента инерции нагрузки момент двигателя и скорость вращения стремятся к своим средним значениям ( ) const ; ( ) const J J M t M t Σ Σ →∞ →∞ ⎯⎯⎯→ = ω ⎯⎯⎯→ = ω. * см. раздел 3.1.1. 187 Уменьшение колебаний электромагнитного момента двигателя за счёт энергии маховых масс снижает переменные потери в нём, а также требования к перегрузочной способности, т.е. позволяет использовать двигатель меньшей мощности. При малом моменте инерции механизма в приводах, работающих с удар- ной нагрузкой, на промежуточном валу устанавливают маховик, рассчитанный так, чтобы в наиболее тяжёлых условиях момент двигателя не превышал допус- тимого значения. Это техническое решение встречается во всех приводах прес- сов, штампов, ножниц и т.п. механизмов. Такие приводы называются махови- ковыми. Строго говоря, колебания момента и скорости вращения двигателя зависят не от момента инерции, а от величины электромеханической постоянной вре- мени / m T J h = . Поэтому выровнять нагрузку на двигатель и ограничить его момент можно не только установкой маховика, но также снижением жёсткости механической характеристики. Однако уменьшение жёсткости приводит при тех же колебаниях момента к увеличению колебаний скорости вращения, что не всегда допустимо. Кроме того, если уменьшение жёсткости механической ха- рактеристики достигается введением добавочных сопротивлений, то это снижа- ет КПД привода. Поэтому оптимизация маховикового привода является слож- ной многокритериальной задачей, в которой нужно найти правильное соотно- шение между моментом инерции маховика, типом и мощностью двигателя, а также параметрами его механической и скоростной характеристик. Особенностью механизмов циклического действия является наличие в цикле одного или не- скольких пусков, реверсов, тор- можений. Например, для меха- низма подъёмника с уравнове- шенным канатом может быть за- дана тахограмма цикла ( ) t ω (рис. 4.7), включающая длительности пуска s t , движения с постоянной скоростью w t , остановки b t пау- зы в работе 0 t . Графику скорости соответствует диаграмма углово- го ускорения ( ) t ε , в соответствии с которой при известном моменте инерции можно определить динамические моменты на участках пуска и тор- можения ( ) d M t . Статический момент нагрузки при движении подъёмника оста- ётся постоянным const c M = , поэтому нагрузочная диаграмма привода получа- ется суммированием ( ) ( ) c d M t M M t = + Рис. 4.7 188 Из рис. 4.7. следует, что в механизме циклического действия, в отличие от механизма непрерывного действия, динамические нагрузки увеличивают коле- бания момента и, следовательно, потери в двигателе, а также необходимый за- пас мощности. Физически это объясняется тем, что в начале каждого цикла двигатель должен передать нагрузке кинетическую энергию, соответствующую скорости движения в конце пуска, а по окончании цикла эту энергию он должен утилизировать полностью. В механизмах непрерывного действия двигатель компенсирует только колебания запаса кинетической энергии, соответствую- щие колебаниям скорости вращения, что, учитывая квадратичную зависимость от скорости вращения, существенно меньше. В начале проектирования электропривода до того как выбран двигатель расчёт нагрузочной диаграммы невозможен, т.к. неизвестны его параметры и характеристики. Поэтому на начальном этапе по нагрузочной диаграмме ис- полнительного механизма производится предварительный выбор двигателя. Причём для механизмов непрерывного действия ориентировочно учитывается возможное сглаживание нагрузочной диаграммы и соответствующее снижение потерь в двигателе, а для механизмов циклического действия возможное увели- чение нагрузки за счёт динамических моментов. Затем для выбранного двигателя рассчитывают нагрузочную диаграмму и проверяют двигатель по нагреву. Если он оказывается перегруженным или не- доиспользованным, то повторяют выбор и проверку. 4.4. Стандартные номинальные режимы работы двигателей Выбор двигателей производится на основе справочных данных по номи- нальным значениям мощности, напряжения, тока и скорости вращения, соот- ветствующим номинальной нагрузке, т.е. нагрузке при которой двигатель при температуре окружающей среды +40 °С нагревается до допустимой температу- ры. Температура +40 °С принята ГОСТ 183-73 в качестве базовой для определе- ния номинальной нагрузки двигателя. Поэтому допустимое превышение темпе- ратуры двигателя, соответствующее классу изоляции его обмоток [ , , , , , , ] Z Y A E B F H C = равно max max 40 Z t τ = − . (4.22) Отсюда, зная номинальную мощность N P и КПД N η , можно определить коэффициент теплоотдачи двигателя в номинальном режиме работы max max (1 ) / / 40 N N N N N Z P A P t − η η = Δ τ = − . (4.23) Таким образом, температура является критерием, по которому определяет- ся режим работы электрических машин. На практике существует бесконечное разнообразие механизмов, приводи- мых в движение электродвигателями, и режимов их работы. Это в принципе не позволяет создать какую-либо единую методику выбора двигателя по мощно- сти и перегрузочной способности. Поэтому в машиностроении приняты в каче- стве номинальных несколько режимов, соответствующих международной клас- 189 сификации. Они имеют условные обозначения S1 …S8. Нагрузочные диаграммы и кривые температур для этих режимов приведены в таблице 4.3. Продолжительным номинальным режимом работы (S1) называется ре- жим работы с постоянной нагрузкой в течение времени, достаточного для того, чтобы достичь установившегося значения температуры. Время работы в этом режиме во много раз превышает постоянную времени нагрева. Для двигателей, рассчитанных на длительный режим работы, установившееся превышение тем- пературы в этом режиме при номинальных параметрах источника питания и на- грузки равно предельно допустимому значению max ∞ τ = τ . Кратковременным номинальным режимом работы (S2) называется ре- жим, при котором интервалы времени w t , когда двигатель работает с номиналь- ной нагрузкой, чередуются с интервалами отключённого состояния. Причём за время работы двигатель не успевает нагреться до установившейся температуры, а за время отключённого состояния он охлаждается до температуры окружаю- щей среды. В этом режиме стандартом рекомендуются следующие номиналь- ные продолжительности рабочего интервала: 10, 30, 60, 90 w t = мин. Повторно-кратковременным номинальным режимом работы (S3) называ- ется режим, при котором интервалы кратковременной работы с номинальной нагрузкой w t (рабочие интервалы) периодически чередуются с интервалами от- ключённого состояния 0 t (паузы). Причём длительности обоих интервалов не- достаточны для нагрева до установившейся температуры и охлаждения до тем- Таблица 4.3. Стандартные номинальные режимы работы двигателей 190 пературы окружающей среды. Таким образом, среднее за период значение тем- пературы двигателя выше температуры окружающей среды. В этом режиме продолжительность цикла 0 c w t t t = + не превышает 10 мин и режим характеризуется продолжительностью включения, определяемой в процентах как 0 ПВ 100 100 w w w c t t t t t = = + . (4.24) Стандартом предусмотрены следующие продолжительности включения: 15, 25 , 40 и 60%. Причём основными номинальными режимами являются ПВ 25% = и ПВ 40% = Повторно-кратковременным номинальным режимом работы с частыми пусками (S4) называется режим, при котором интервалы пуска s t и кратковре- менной работы с постоянной номинальной нагрузкой w t чередуются с паузами, в которых двигатель отключается от источника питания. При этом длительно- сти интервалов недостаточны для того, чтобы температуры могли достичь ус- тановившихся значений. В этом режиме, в отличие от режима S3, пусковые по- тери существенно влияют на тепловой режим двигателя. Этот режим характеризуется относительной продолжительностью включе- ния, числом пусков в час и коэффициентом инерции привода. Относительная продолжительность включения определяется как 0 ПВ 100 100 s w s w s w c t t t t t t t t + + = = + + . (4.25) Нормированными значениями продолжительности включения являются ПВ=15, 25 , 40 и 60%. Нормированное число пусков в час : 30, 60, 120, и 240. Момент инерции маховых масс при прочих равных условиях определяет длительность пуска и, соответственно, потери в этом режиме. Коэффициент инерции характеризует условия пуска и равен отношению суммарного приве- дённого момента инерции маховых масс привода J Σ к моменту инерции ротора двигателя m J / m FI J J Σ = . (4.26) Нормированными значениями коэффициента инерции являются: 1,2; 1,6; 3,5; 4; 6,3 и 10. Повторно-кратковременным номинальным режимом работы с частыми пусками и электрическим торможением (S5). Этот режим отличается от пре- дыдущего тем, что в цикле работы существуют интервалы электрического тор- можения b t , предшествующие паузам. Длительности всех интервалов недоста- точны для достижения установившихся значений температуры и двигатель ра- ботает в квазиустановившемся режиме. Продолжительность включения определяется как отношение суммарной длительности активных фаз к длительности цикла 191 0 ПВ 100 s w b s w b t t t t t t t + + = + + + . (4.27) Все характеристики режима и нормированные значения практически такие же, как у режима S4, только из ряда коэффициентов инерции исключены значе- ния 6,3 и 10 и добавлен 2 FI = . Перемежающимся номинальным режимом работы (S6) называется ре- жим, при котором кратковременные интервалы работы с номинальной нагруз- кой w t периодически чередуются с интервалами работы двигателя на холостом ходу ll t . Температурный режим здесь также квазиустановившийся, а характери- стики и нормированные значения такие же, как у повторно-кратковременного режима S3, от которого этот режим отличается только тем, что вместо отклю- чения двигатель работает на холостом ходу. Перемежающимся номинальным режимом работы с частыми реверсами (S7) называется режим, при котором кратковременные интервалы работы с но- минальной нагрузкой w t периодически чередуются с интервалами электриче- ского торможения w t и пуска s t . Двигатель работает без остановки с тяжелыми переходными режимами реверса, которые существенно влияют на температур- ный режим. Характеристики и нормированные значения этого режима такие же, как у повторно-кратковременного режима S5, от которого он отличается только отсутствием паузы. Перемежающимся номинальным режимом работы с двумя или более уг- ловыми скоростями (S8) называется режим, при котором цикл включает интер- валы работы на разных скоростях вращения и соответствующие интервалы торможений и разгонов, которые оказывают значительное влияние на темпера- турный режим. Характеристиками режима являются число циклов в час, коэффициент инерции и относительные продолжительности работы с отдельными скоростя- ми вращения, определяемые для каждой q-й скорости по формуле: ПВ 100 tp q wq q c t t t + = , (4.28) где tp q t – длительность переходного режима разгона или торможения на q-й ступени. Нормированные значения числа циклов в час и коэффициента инерции в этом режиме такие же, как в режиме S5. Номинальные режимы работы S1, S2 и S3 являются основными при реше- нии практических задач. Существующие методы эквивалентирования работы двигателей по нагреву позволяют успешно осуществлять выбор мощности и перегрузочной способности двигателя, пользуясь только характеристиками этих трёх режимов. Режимы S4 и S5 путём эквивалентных преобразований сво- дятся к режиму S3, а режимы S6-S8 к длительному режиму S1. |