Н. Д. Ясенев электрический привод курс лекций
 Скачать 5.65 Mb.
|
|
7.1. Предварительный выбор двигателя При предварительном выборе двигателя определяются серия и примерная мощность двигателя, которая затем уточняется проверками. Для определения серии необходимо выбрать двигатель породу тока, величине напряжения, мощности, конструктивному исполнению. 1. Породу тока. Для большинства механизмов применяется привод переменного трехфазного тока. Это объясняется тем, что переменный ток легко генерируется, трансформируется и передается на расстояния. Наиболее простым по устройству и обслуживанию является асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором. В приводах до 100 кВт он является основным. Для более мощных приводов зачастую целесообразнее использовать синхронные двигатели, т. кони позволяют влиять на энергетические показатели. В механизмах, требующих широкого плавного регулирования скорости или частых включений, применяются как двигатели постоянного тока, таки асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором. 2. По напряжению. При питании переменным током широко используется напряжение 380/220 В. При этой системе питания силовые цепи и освещение могут питаться от одного трансформатора. В тех случаях, когда приводы имеют большие мощности и позволяют условия безопасности, применяются высокие напряжения до 10 кВ. Сети постоянного тока обычно рассчитаны на напряжение 220 В, но иногда используются приводы с автономным питанием напряжением 440 и 800 В. 3. По конструкции корпуса. Двигатели выбираются в зависимости от условий окружающей среды. Там, где исключено попадание посторонних предметов на токоведущие и вращающиеся части, отсутствуют пыль и грязь, невозможно прикосновение персонала к токоведущим и вращающимся частям, применяются открытые двигатели. Защищенные двигатели закрыты от прикосновений к токоведущим и вращающимся частями от попадания посторонних предметов, но имеют окна, через которые пыль и влага проникают внутрь машины. Устанавливаются в чистых помещениях и на открытом воздухе. Закрытые двигатели имеют герметичный корпус, не допускающий проникновения внутрь пыли и влаги. Они снабжаются внешним обдувом или специальной системой вентиляции. В условиях взрывоопасной среды используются взрывобезопасные двигатели, имеющие упрочненный герметичный корпус. Для насосных установок применяют погружные двигатели, у которых жидкость проходит через двигатель, омывая его обмотки. 4. По скорости Во многих случаях прямое соединение двигателя с механизмом невозможно из-за разности скоростей. Поэтому применяют редукторы. На основании технико-экономического сравнения вариантов выбирается быстроходный двигатель с многоступенчатым редуктором или тихоходный двигатель с более простым редуктором. 5. По способу крепления двигателя. Возможна установка двигателя на лапах с горизонтальным валом либо с вертикальным валом или применение фланцевых двигателей, у которых вал может находиться в произвольном положении. 6. По мощности. Наиболее важен вопрос выбора мощности приводного двигателя. При занижении мощности не обеспечивается долговечность и производительность, а при завышении двигатель недогружен, у него низкий КПД, поэтому установка будет дороже. Предварительный выбор двигателя производится по нагрузочной диаграмме механизма или по аналогии с уже существующими того же назначения. После предварительного выбора производится проверка двигателя по производительности, для чего рассчитывается его нагрузочная диаграмма с учетом переходных процессов. Затем производится проверка двигателя по перегрузке и нагреву. 7.2. Проверка двигателя по перегрузке и нагреву Для проверки двигателя по перегрузке по паспортным данным определяется максимально допустимый момент двигателя, который сравнивается смак- симальным моментом нагрузки по диаграмме моментов 73 М д.макс. = м ММ с макс. Если двигатель по перегрузке проходит, далее производится проверка по нагреву, которая является, по сути, проверкой на долговечность. Проверка двигателя по нагреву необходима потому, что при работе в обмотках двигателя за счет потерь может выделиться столько тепла, что изоляция обмоток выйдет из строя. Для проверки необходимо определить температуру, до которой двигатель нагреется при работе, и сравнить ее с допустимой для данного класса изоляции. Однако температуру точно определить трудно из-за сложности математического описания тепловых процессов. Поэтому проверку проводят приближенно, косвенными методами. При этом исходят из того, что нагрев двигателя определяется потерями, а потери в основном определяются током нагрузки. При постоянном магнитном потоке ток однозначно определяет момента момент при постоянной скорости определяет мощность. Поэтому потери, ток, момент и мощность могут быть косвенными показателями степени нагрева обмоток. При этом методики расчетов зависят от режима работы двигателя. 7.3. Классификация режимов работы электропривода по условиям нагрева Нагрев и охлаждение двигателя происходят в соответствии с зависимостью τ = уст – е -t/Тн )+τ 0 ∙е -t/Тн , где τ – превышение температуры двигателя над температурой окружающей среды уст – установившееся значение τ; t – время; Т н – постоянная времени нагрева τ 0 – начальное значение уст = 𝑄 𝐴 , где Q – общее количества тепла, выделяемое двигателем в единицу времени А – теплоотдача. 74 Т н = С А , где С – теплоемкость. При нулевых начальных условиях, то есть при τ 0 = 0 (температура двигателя равна температуре окружающей среды, исходное выражение упрощается и принимает вид = τ уст. ( 1 –е -t/Тн ). По условиям нагрева ГОСТ выделяет восемь режимов работы электродвигателей. Продолжительный режим работы S1 − это режим работы двигателя с неизменной нагрузкой в течение продолжительного времени, за которое температура всех его частей достигает установившегося значения (рис. 7.1). Рис. 7.1. Графики длительного режима S1 2. Кратковременный режим работы S2 − в этом режиме периоды неизменной нагрузки чередуются с периодами отключения двигателя. За время включенного состояния температура частей двигателя не достигает установившегося значения, аза время отключенного состояния двигатель успевает полностью остыть до температуры окружающей среды (рис. 7.2.). Стандартные значения продолжительности рабочего периода составляют 10, 30, 60 и 90 минут. Рис. 7.2. Графики кратковременного режима S2 3. Повторно-кратковременный режим работы S3 − кратковременные периоды неизменной нагрузки чередуются с периодами отключения. За время работы части двигателя не успевают нагреться до установившейся температуры, аза время пауз не успевают остыть до температуры окружающей среды. Максимальная продолжительность времени цикла равна 10 минут. Режим характеризуется продолжительностью включения ПВ = 𝑡 р 𝑡 р + 𝑡 0 ∙ 100 , где р и t 0 – время работы и время паузы. Стандартные ПВ составляют 15, 25, 40 и 60 . Рис. 7.3. Графики повторно-кратковременного режима S3 4. Повторно-кратковременный режим с частыми пусками S4 − периоды пуска и кратковременной работы чередуются с периодами отключения. За время работы части двигателя не успевают нагреться до установившейся температуры, аза время пауз не успевают остыть до температуры окружающей среды. В данном режиме нормируются ПВ, число пусков в час и коэффициент инерции, равный отношению суммарного приведенного момента инерции привода к моменту инерции якоря (ротора) двигателя (рис. 7.4). Рис. 7.4. Графики повторно-кратковременного режима S4 5. Повторно-кратковременный режим с частыми пусками и электрическим торможением S5 аналогичен режиму S4, нов диаграмме нагрузки двигателя присутствуют участки тормозных режимов (рис. 7.5.) Рис. 7.5. Графики повторно-кратковременного режима S5 6. Перемежающийся режим S6 – рабочие периоды с неизменной нагрузкой чередуются с периодами холостого хода (двигатель включен продолжительное время. Превышение температуры не достигает установившегося значения. Режим характеризуется относительной продолжительностью нагрузки 77 ПВ = 𝑡 р 𝑡 р + 𝑡 хх ∙100 , где t хх – время холостого хода. Нормируемые значения ПВ равны 15, 25, 40 и 60 Рис. 7.6. Графики перемежающегося режима S6 7. Перемежающийся режим работы с частыми реверсами S7 – периоды реверса чередуются с периодами неизменной нагрузки. Превышение температуры не достигает установившегося значения. Нормируется число реверсов в час (30, 120, 240) и коэффициент инерции (как для S5) (рис. 7.7). Рис. 7.7. Графики перемежающегося режима S7 8. Перемежающийся режим работы с двумя и более угловыми скоростями S8 – периоды работы с одной нагрузкой на одной скорости чередуются с периодами работы на другой скорости. Температура перегрева не достигает установившегося значения. Нормируются число циклов в час (30, 60, 120, 240), коэффициент инерции (1,2; 1,6; 2; 2,5; 4) и относительная продолжительность нагрузки (рис. 7.8). Рис. 7.8. Графики перемежающегося режима S8 7.4. Проверка двигателя по нагреву методом эквивалентного момента В большинстве случаев, имея нагрузочную диаграмму двигателя в виде зависимости М = f(t), целесообразно пользоваться методом эквивалентного момента, при котором загрузка двигателя по моменту позволяет оценить степень нагрева его частей. Этот метод требует пренебрежения потерями встали и постоянства магнитного потока. Методика расчета эквивалентного момента определяется режимом работы. При этом все режимы делят натри группы. 1. Продолжительный режим работы. При длительной работе с постоянной нагрузкой (режим S1) условием правильного выбора двигателя является соотношение Мс < М N Если двигатель работает длительно с переменным моментом нагрузки режимы S6, S7, S8), то эквивалентный момент вычисляется по формуле М экв = √ Σ 𝑀 𝑖 2 𝑡 𝑖 Σ α 𝑖 𝑡 𝑖 < н, где M i − момент двигателя на участке нагрузочной диаграммы t i ; α – коэффициент ухудшения теплоотдачи, учитывающий условия охлаждения у двигателей с самовентиляцией. α = если двигатель неподвижен, 79 α = 0,7 на участках пуска и торможения, α= 1,0 при работе на номинальной скорости. 2. Повторно-кратковременный режим работы (режимы S3, S4, S5). При повторно-кратковременном режиме работы участки работы чередуются с участками отключения. Метод расчета эквивалентного момента определяется типом двигателя. Если выбранный двигатель спроектирован для работы в продолжительном режиме, то эквивалентный момент определяется по формуле продолжительного режима М экв = √ Σ 𝑀 𝑖 2 𝑡 𝑖 Σ α 𝑖 𝑡 𝑖 < Если двигатель относится к серии, предназначенной для работы в по- вторно-кратковременном режиме, то эквивалентный момент рассчитывается по формуле М экв = √ Σ 𝑀 𝑖 2 𝑡 𝑝𝑖 Σ 𝑡 𝑝𝑖 ПВ ф ПВ н < где ПВ ф − фактическая продолжительность включения (по нагрузочной диаграмме, ПВ н – продолжительность включения номинальная, по паспорту двигателя ПВ н = 15, 25, 40, 60 . Поскольку при прямом пуске асинхронных короткозамкнутых двигателей пусковой ток значительно превышает номинальный, число пусков для этих двигателей ограничено. Поэтому при их проверке по нагреву необходимо дополнительно проводить проверку на допустимое число включений в час. Оно определяется кратностью пускового тока, временем пуска и числом циклов доп 36∙ (100 − ПВ ф ) 𝑡 п (𝐼 п /𝐼 𝑁 ) 2 , где ПВ ф − фактическая продолжительность включения по нагрузочной диаграмме п − расчетное время пуска по нагрузочной диаграмме I п /I н − кратность пускового тока двигателя. Фактическое число включений определяется по формуле фр, Если ф доп , то двигатель по нагреву не проходит. Кратковременный режим работы режим S2). В кратковременном режиме проверка по нагреву, как правило, не производится, если двигатель предназначен для работы в продолжительном режиме (S1). Если он прошел по перегрузке, то считается, что он выбран правильно. Для режима S2 выпускаются двигатели специального исполнения со стандартной линейкой продолжительности работы – 10, 30, 60, 90 минут. Если двигатель в течение этого времени будет загружен номинальной нагрузкой, то он будет полностью использован по нагреву ГЛАВА 8. ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДАМИ В зависимости оттого, какие задачи ставятся перед системой электропривода, структура схемы управления им может быть различна. Системы автоматического управления (САУ) могут иметь следующие функции 1. Управление процессами пуска, реверса, торможения. 2. Поддержание постоянства заданной величины скорости, мощности, момента и т. д. 3. Слежение за вводимыми в систему произвольно изменяющимися входными сигналами. 4. Отработка заданной программы. 5. Выбор целесообразных режимов работы электропривода. Наиболее просто решается первая задача. Для ее реализации используются разомкнутые САУ, те. системы, предназначенные для выполнения определенных одноразовых или многоразовых операций. Структурная схема такой системы приведена на рис. 8.1. Рис. 8.1. Структура разомкнутой САУ В ряде случаев требуется дополнить систему средствами визуального контроля, для чего включаются приборы, контролирующие ток двигателя, его скорость или другие параметры. Характерным для разомкнутых систем является то, что процесс работы САУ не зависит от результатов ее воздействия на управляемый объект − двигатель. Таким образом, в разомкнутых системах невозможно точное регулирование требуемой координаты электропривода. Более совершенными являются замкнутые САУ, в которых вводится обратная связь по регулируемой переменной (например, скорости, что позволяет САУ сравнивать задание с реальной величиной переменной ив функции ошибки корректировать управляющее воздействие на преобразователь с целью уменьшения этой ошибки. Для технической реализации обратной связи необходимо измерительное устройство соответствующей координаты (для указанного примера − датчик скорости) (рис. 8.2). Рис. 8.2. Структура замкнутой САУ ГЛАВА 9. УПРАВЛЕНИЕ ОСНОВНЫМИ РЕЖИМАМИ ДВИГАТЕЛЯ С ПОМОЩЬЮ ЭЛЕКТРОКОНТАКТНОЙ АППАРАТУРЫ Процессы пуска, торможения и реверса могут быть реализованы с помощью разомкнутых систем контактного и бесконтактного управления. При этом для управления используются разного типа реле. Реле могут контролировать любой из основных параметров режима ток, скорость, время (рис. 9.1). Рис. 9.1. Диаграмма пуска двигателя Автоматизация управления в функции каждого из этих параметров имеет свои особенности. Наиболее просто реализовать автоматизацию в функции времени, т. к. реле времени являются достаточно надежным аппаратом. Однако ясно, что в этом случае не учитывается возможность изменения условий пуска или торможения. Управление в функции тока позволяет учесть эти изменения, но все аппараты должны настраиваться на одинаковые уровни токов I 1 и I 2 , что вызывает осложнения в работе схемы. Управление в функции скорости требует применения реле скорости, а эти аппараты относительно ненадежны и поэтому применяются достаточно редко. На постоянном токе иногда используется управление в функции ЭДС двигателя, что эквивалентно управлению в функции скорости, но технически проще в реализации. 9.1. Типовые схемы управления асинхронным короткозамкнутым двигателем Асинхронные короткозамкнутые двигатели малой и средней мощности управляются с помощью магнитных пускателей. Пуск производится прямым включением, поэтому этот процесс не требует сложного управления. Автоматизация режимов торможения сводится к фиксации момента остановки ротора для того, чтобы своевременно отключить аппараты, участвовавшие в торможении. 9.1.1. Нереверсивный магнитный пускатель Схема управления двигателем приведена на рис. 9.2. Обозначения в схеме: М − двигатель КМ – линейный контактор магнитного пускателя FR − тепловое реле SB1 и SB2 − кнопки пуски стоп QS − рубильник FU – предохранители. Рис. 9.2. Схема управления нереверсивным асинхронным двигателем Порядок работы схемы следующий. Замыкается рубильники на схему подается напряжение. При нажатии кнопки SB1 по цепи управления через контакты катушку КМ проходит ток. Контактор срабатывает, якорь притягивается к сердечнику и замыкает контакты КМ в силовой цепи. Одновременно блок-контакт КМ вцепи управления шунтирует кнопку SB1, поэтому после снятия нажатия на нее контакт SB1 размыкается, но контактор КМ остается включенным. Для того чтобы отключить двигатель, надо нажать кнопку SB2. Цепь катушки контактора КМ разорвется, якорь отпадет, и замыкающие контакты контактора КМ разомкнутся. Двигатель отключится от сети и остановится за счет действия сил сопротивления или за счет усилия механического тормоза. Отпускание кнопки SB2 не вызовет включения контактора, т. к. контакт и блок-контакт КМ разомкнуты. Описанная схема обеспечивает ряд защит 1) от коротких замыканий – предохранители 85 2) от длительных перегрузок потоку тепловое реле FR, контакты которого разомкнутся при длительном протекании больших токов, что приведет к отключению контактора КМ 3) нулевая защита − контактор КМ. При снижении ниже допустимого предела или при исчезновении напряжения схема отключится. После восстановления нормального напряжения питания для включения схемы надо нажать кнопку SB1. 9.1.2. Реверсивный магнитный пускатель Обозначения в схеме М − двигатель КМ и КМ − линейные контакторы магнитных пускателей хода впереди назад FR − тепловое реле SB1, SB2 и SB3 − кнопки вперед, стоп, назад QS − рубильник FU – предохранители, как показано на рис. 9.3. Рис. 9.3. Схема реверсивного магнитного пускателя Работа схемы принципиально не отличается от описанной выше. Если двигатель, работающий вперед нужно реверсировать, нажимают кнопку SB2, а затем пусковую кнопку обратного направления. Если нажать кнопку обратного направления без предварительного отключения схемы, то реверса не произойдет, т. к. размыкающие контакты контакторов обратного направления будут разомкнуты и не позволят контакторам включиться. Тем самым исключается короткое замыкание в силовой цепи, которое могло бы произойти при одновременном включении контакторов КМ и КМ Для той же цели в реверсивных пускателях применяется механическая блокировка. Она выполняется за счет того, что расположенные рядом контакторы пускателей связаны системой рычагов, подсоединенных к подвижным системам. Это исключает одновременное включение. Схема имеет те же защиты, что и предыдущая. |