Электропривод. Электрический привод
 Скачать 5.41 Mb.
|
|
4.7. Расчёт мощности двигателя при повторно-кратковременном режиме работы Работа двигателя в повторно-кратковременном режиме может происходить при постоянной нагрузке, но может также сопровождаться её изменением по какому-либо алгоритму, например, как это показано на рис. 4.10, а. Такой ре- жим можно привести к стандартному виду S3, если вычислить эквивалентную мощность eq P для рабочего интервала в соответствии с выражением (4.46) и оп- ределить эквивалентную продолжительность включения как ПВ 100 w eq c t t Σ = ⋅ , где 1 n w wk k t t Σ = = ∑ – суммарное время работы. В соответствии с определением режима S3 в достаточно удалённых от на- чала работы привода циклах превышение температуры будет колебаться между конечными значениями для интервалов работы w τ и паузы 0 τ (рис. 4.10, б). При одинаковом теплоотводе в рабочем режиме и в паузе, что соответст- вует двигателям с независимой вентиляцией, можно записать: ( ) ( ) 0 0 / / / 0 0 max / ( ) / max max 1 ; 1 w h w h h w h w h t T t T t T w t T t t T w e e e e e − − − ∞ − − + ∞ ′ τ = τ − + τ τ = τ ⇓ ′ τ = τ = τ − + τ Отсюда коэффициент термической перегрузки 0 ( ) / /( ) / / max 1 1 1 1 w h w h w h w h t t T t T t t T t T e e p e e − + − ε ∞ − − ′ τ − − = = = τ − − , (4.55) где / w c t t ε = – относительная продолжительность включения. Двигатель, предназначенный для длительного режима работы S 1, в по- вторно-кратковременном режиме можно использовать с увеличенной нагруз- кой, т.к. в период паузы потери в нём отсутствуют. Полное количество тепла, выделяемое двигателем в окружающую среду при номинальном превышении температуры, равно Рис. 4.10 200 ( ) ( ) 0 0 0 0 en N w N c N v N w Q P t P t P P t t = Δ + Δ β = Δ + Δ + β , (4.56) где , c N v N P P Δ Δ – постоянные и переменные потери мощности. Если увеличить нагрузку в рабочем интервале, то постоянные потери оста- нутся прежними, а переменные возрастут пропорционально квадрату тока в си- ловой цепи ( ) 2 1 / v v N wk S P P I I Δ = Δ , где 1 , wk S I I – ток силовой цепи в повторно-кратковременном и в продолжитель- ном режиме работы. Среднее количество тепла, выделяющееся за время цикла в двигателе рав- но: ( ) 2 1 / m c N v N wk S w Q P P I I t ⎡ ⎤ = Δ + Δ ⎣ ⎦ . (4.57) В установившемся тепловом режиме количество тепла, отдаваемого в ок- ружающую среду en Q , равно количеству тепла, выделяющегося в двигателе m Q Тогда из (4.56) и (4.57) получим ( ) ( ) ( ) ( ) [ ] ( ) 2 0 0 1 2 0 1 / 1 (1 1/ ) / c N v N w c N v N wk S w c N v N c N v N wk S P P t t P P I I t P P P P I I ⎡ ⎤ Δ + Δ + β = Δ + Δ ⎣ ⎦ ⇓ Δ + Δ − β − ε = Δ + Δ Отсюда 0 0; 1 1 0 (1 )(1 ) a S wk wk N I I I I a = β = ε = ⎯⎯⎯⎯ → ε ≤ ε + β + − ε (4.58) Для определения тепловой нагрузки на двигатель полученное значение то- ка для продолжительного режима 1 S I сравнивается с номинальным током N I . Если пренебречь постоянными потерями мощности, то определение тока в про- должительном режиме для двигателей с принудительной вентиляцией упроща- ется, однако позволяет получить удовлетворительный результат с достаточной для практики точностью. В случае сложной многоступенчатой нагрузки с пусками, торможениями, реверсами или большими инерционными массами механизма приведение к од- ноступенчатой нагрузочной диаграмме нужно производить с учетом потерь в переходных режимах. Тогда выражение для эквивалентных средних потерь бу- дет иметь вид 1 1 0 0 1 1 1 q o i i tp k i k eq p q o i wi j k tp k i j k P t A P t t t = = = = = Δ + Δ Δ = β + β + β ∑ ∑ ∑ ∑ ∑ , 201 где: tp k A Δ – тепловые потери в k-м переходном процессе, продолжающемся в течение времени tp k t при среднем значении коэффициента ухудшения теплоот- дачи k β Использование двигателей, рассчитанных на длительный режим работы, в режиме S3 нецелесообразно потому, что, так же как в кратковременном режи- ме, эти двигатели не могут полностью использоваться по нагреву. Для работы в повторно-кратковременном режиме выпускаются специальные двигатели с нормированной мощностью при определённой продолжительности включения и длительности цикла. Эти двигатели обладают повышенной перегрузочной способностью и пусковым моментом. Основным значением продолжительности включения, на которое рассчи- таны двигатели, для старых серий является 25% ( 0,25 ε = ) и 40% ( 0,4 ε = ) для новых серий. Кроме того, в современных справочных данных приводятся зна- чения мощности, тока и скорости вращения для 0,15; 0,25; 0,6 ε = . Длитель- ность цикла для всех продолжительностей включения составляет 10 минут. Если продолжительность включения соответствует стандартному значе- нию, то выбор мощности двигателя по расчётной мощности нагрузки не со- ставляет труда. Для значений ПВ, отличающихся от стандартных, мощность двигателя может быть определена, исходя из того, что потери при заданной мощности и ПВ Q ε должны быть равны потерям, соответствующим номиналь- ной мощности при стандартной ПВ N Q ε , т.е. ( ) 2 2 N N N c v c N c v c P P P t P P t P ε ε ε ε ⎛ ⎞ Δ + Δ ε = Δ + Δ ε ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ Отсюда можно найти соотношение заданной мощности P ε и мощности при стандартной ПВ N P ε ( ) 0 1 N N N N a N N P P P a a ε = ε ε ε ε ε ε = ⎯⎯⎯→ ε ε + − ε , (4.59) где / N N c v a P P ε ε = Δ Δ – коэффициент постоянных потерь при стандартной ПВ. При пересчёте мощности выбирается стандартное значение ПВ N ε ближайшее к заданному ε . 4.8. Допустимая частота включений асинхронных короткозамкнутых двигателей Короткозамкнутые асинхронные двигатели отличаются от остальных типов машин тем, что у них отсутствует возможность рассеяния части мощности скольжения во внешних цепях, и все потери энергии рассеиваются в виде тепла в самой машине, значительно увеличивая её тепловую нагрузку. Кроме того, сопротивление силовой цепи асинхронного короткозамкнутого двигателя изменяется в переходных процессах пуска торможения и реверсиро- 202 вания вследствие вытеснения тока в стержнях обмотки ротора. Это исключает возможность использования при выборе двигателя относительно простых ме- тодов эквивалентного тока, момента и мощности. Единственным способом проверки двигателей по нагреву является метод средних потерь. Выбор мощности двигателя, работающего в длительном режиме, обычно не представляет сложности, т.к. влияние потерь в переходных процессах на на- грев обмоток может не учитываться. Двигатели режима S3 рассчитаны на рабо- ту в цикле продолжительностью десять минут, в пределах которого произво- дится один пуск и одно торможение, т.е. они рассчитаны на шесть включений и отключений в час. Однако в большинстве случаев продолжительность циклов меньше и число включений в час 3600/ 6 c N t = значительно больше. При этом влияние потерь в переходных режимах сущест- венно возрастает. В приводах, требующих сотен включений в час, эти потери энергии в основном и определяют тепловой режим машины. Поэтому для ко- роткозамкнутых двигателей, работающих в режимах с интенсивными пусками и торможениямивводится понятие допустимого числа включений в час. Кроме того, в режимах S4, S5, S7 и S8 нормируется коэффициент инерции, т.к. от его величины зависит длительность переходных процессов и, соответственно, ве- личина тепловых потерь в них. Для анализа влияния параметров электропривода на допустимую частоту включений воспользуемся методом средних потерь. В режиме S5 потери в дви- гателе при пуске и торможении можно определит как 2 2 0 1 0 1 0 0 2 2 1 ; 1 2 2 s b s c s b c b s b J r t J r t A P t A Pt t t r r Σ Σ ⎛ ⎞ ⎛ ⎞ ω ω ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ Δ = + + Δ Δ = + + Δ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ′ ′ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ , (4.60) где: 2 r′ – усреднённое за время переходного процесса приведённое активное сопротивление обмотки ротора; 0 0 , , , s s b b t t t t – длительности пуска и торможения под нагрузкой и на холостом ходу; c P Δ – мощность постоянных потерь. Потери энергии в двигателе в установившемся режиме равны w w P t Δ . Тогда суммарные потери в двигателе за время цикла – m s w w b Q A P t A = Δ + Δ + Δ . (4.61) Мощность потерь, отдаваемых в окружающую среду двигателем, рабо- тающим в длительном установившемся режиме при допустимом превышении температуры, равна N P Δ , а в паузе – 0 N P β Δ . Можно считать, что в среднем за время переходного процесса в окружающую будет отдаваться мощность 0 (1 ) / 2 N P + β Δ . Тогда полная энергия, отдаваемая в окружающую среду в режи- ме S5, равна 0 0 0 1 ( ) 2 en N s b N w N Q P t t P t P t + β = Δ + + Δ + β Δ . (4.62) 203 В установившемся тепловом режиме en m Q Q = . Выразим длительности цик- ла, рабочего интервала и паузы через максимальное число циклов в час max N max max 0 max 3600 / ; 3600 / ( ); 3600(1 ) / c w s b t N t N t t t N = = ε − + = − ε Приравнивая (4.61) и (4.62), подставим в них эти значения и решим полу- ченное уравнение относительно max N . В результате ( ) [ ] 0 max 0 (1 ) 3600 ( ) (1 ) / 2 N w N s b s b w N N P P P N A A t t P P P Δ − Δ ε + Δ β − ε = Δ + Δ − + Δ + + β Δ − Δ (4.63) У асинхронных короткозамкнутых двигателей третий член знаменателя со- ставляет 2 …4% от суммы s b A A Δ + Δ , поэтому выражение (4.63) можно несколь- ко упростить ( ) 0 max (1 ) 3600 N w N s b P P P N A A Δ − Δ ε + Δ β − ε ≈ Δ + Δ . (4.64) Из выражений (4.63) и (4.64) следует, что соотношение N w P P Δ − Δ и 0 N P Δ β определяет степень и характер зависимости max N от ε. При 0 N w N P P P Δ − Δ > Δ β число включений при том же значении ε больше, чем при 0 N w N P P P Δ − Δ < Δ β , а при условии 0 N w N P P P Δ − Δ = Δ β допустимая частота вообще не зависит от про- должительности включения ε. Если двигатель в установившемся режиме двигатель работает с номиналь- ной нагрузкой, то выражение (4.64) упрощается 0 max (1 ) 3600 N s b P N A A Δ β − ε ≈ Δ + Δ . (4.65) В случае торможения привода за счёт нагрузки или тормозного механизма (режим S4) потери энергии в двигателе уменьшаются, и допустимое число включений возрастает. Значение max N можно найти с помощью выражений (4.63)-(4.65), если принять 0 b A Δ = и 0 b t = На допустимое число включений большое влияние оказывает суммарный момент инер- ции маховых масс J Σ и величина скорости хо- лостого хода 0 ω . На рис. 4.11 даны справоч- ные значения допустимого числа включений в час для двигателей серии 5А. Из этого рисунка видно, что с увеличением мощности двигателя потери энергии в переходных режимах значи- тельно возрастают. Двигатели с одной парой полюсов магнитного поля ( 1 p z = ) мощностью 200 кВт допускают только 80 вкл/час, в то время как двигатели мощностью 1,5 кВт – 3900 вкл/час. Увеличение потерь и снижение max N связано с увеличением момента инерции Рис. 4.11 204 ротора машины. В то же время снижение скорости холостого хода за счёт уве- личения p z позволяет почти линейно увеличить допустимое число включений. 5. Системы автоматического управления электроприводами Управление электроприводами заключается в осуществлении пуска, тор- можения, реверсирования, а также регулирования скорости вращения, ускоре- ния и положения исполнительного механизма в соответствии с требованиями технологического процесса. Автоматическое управление электроприводами является необходимым ус- ловием повышения производительности механизмов и получения продукции высокого качества. В системе управления электроприводом используются ре- лейно-контактные аппараты, усилители, электромашинные и полупроводнико- вые преобразователи, контроллеры и компьютеры. Выбор типа устройств и структуры системы управления определяется за- дачами, которые должен выполнять электропривод. Современные регулируемые электроприводы строятся на основе полупро- водниковых преобразователей и контролеров. На релейно-контактную аппара- туру в таких приводах обычно возлагаются функции подключения питания, за- щиты, а также ввода первоначальных и конечных команд в систему управления приводом. Однако существует большое количество приводов, не требующих регулирования или регулируемых ступенчато и в небольших пределах. Систе- мы управления такими приводами должны обеспечивать пуск, торможение, ре- верс, переход с одной ступени скорости вращения на другую по команде опера- тора или по сигналу рабочей машины в соответствии с ходом технологического процесса. Такие системы управления строятся на релейно-контактной или бес- контактной коммутационной аппаратуре в зависимости от частоты и сложности переключений. Различают разомкнутые и замкнутые системы управления электроприво- дами. В разомкнутых системах изменение возмущающих воздействий приводит к изменению режима работы привода. В замкнутых системах существует воз- можность поддерживать заданный режим работы привода независимо от воз- мущающих воздействий. В них также существует возможность регулирования координат привода в зависимости от условий его работы. 5.1. Разомкнутые системы автоматического управления Для автоматического управления электроприводами применяются различ- ные релейно-контактные и бесконтактные аппараты, логические элементы, пу- тевые выключатели, а также вспомогательные электрические машины и аппа- раты. Обработка информации практически во всех системах управления осуще- ствляется в форме электрических сигналов. Управляющее воздействие на сис- тему привода также производится путём изменения параметров системы элек- тропитания. В соответствии с этих электрические цепи делятся на две катего- рии: цепи главного тока и вспомогательные цепи. К цепям главного тока отно- 205 сятся силовые цепи двигателей, генераторов и полупроводниковых преобразо- вателей. Вспомогательные цепи включают катушки релейно-контактной аппа- ратуры, вспомогательные контакты контакторов и контакты реле. Кроме того, к вспомогательным цепям относятся цепи сигнализации, защиты и блокировки. |