Материалы для подготовки к экзамену по электротехнике. Закон Ома. Работа и мощность в электрической цепи. Закон ДжоуляЛенца

• Название: Закон Ома. Работа и мощность в электрической цепи. Закон ДжоуляЛенца
• Анкор: Материалы для подготовки к экзамену по электротехнике.doc
• Дата: 18.02.2017
• Размер: 2.39 Mb.
• Имя файла: Материалы для подготовки к экзамену по электротехнике.doc
• Тип: Закон; #2855
• Категория: Электротехника. Связь. Автоматика
• страница: 10 из 16

Структурная схема электропривода

В настоящее время на получение механической энергии в электроприводе расходуется около 80 % электрической энергии, потребляемой в промышленности, или около 60 % всей вырабатываемой электрической энергии. Широкое распространение электропривода связано с такими его преимуществами, как

1. Простота подвода и распределения электрической энергии;

2. Высокая надежность, безопасность и экономичность электрических двигателей;

3. Простота и удобство обслуживания и эксплуатации электрических двигателей, управления, контроля и автоматизации работы электропривода;

4. Широкий выбор типов, конструктивных исполнений и мощностей электрических двигателей;

5. Широкий диапазон регулирования частоты вращения и хорошие регулировочные свойства электрических двигателей;

6. Высокая экологическая чистота производства при использовании электропривода.

ТЕПЛОВЫЕ РЕЖИМЫ РАБОТЫ И НОМИНАЛЬНАЯ

МОЩНОСТЬ ДВИГАТЕЛЯ



 

Рис.1. Нагрузочная диаграмма и график зависимости температуры электродвигателя при длительном режиме работы с постоянной номинальной нагрузкой

(т. А - включение нагрузки Р_НАГР = Р _НОМ ; т. В – установление теплового равновесия при Т _УСТ = const ; т. С - отключение нагрузки Р_НАГР = 0 ; т. D - установление теплового равновесия при Т_ЭД = Т _ОС ; t _Р - продолжительность работы двигателя с нагрузкой; t _О - продолжительность останова двигателя)

 При кратковременной работе двигателя тепловое равновесие не наступает, его температура не достигает установившегося значения Т_ЭД < Т _УСТ = const и в таком случае двигатель постоянно работает в неустановившихся тепловых режимах – либо нагрева, либо остывания (рис. 2).

 



 Рис. 2. Нагрузочная диаграмма и график зависимости температуры электродвигателя при кратковременном режиме работы. t _Р - продолжительность работы двигателя с нагрузкой; t _О - продолжительность останова двигателя

   Во избежание перегрева и резкого сокращения срока службы электродвигателя для характеристики его теплового режима работы водится понятие допустимой температуры электродвигателя Т _{ЭД. ДОП} , которая в каждом случае определяется качеством (классом нагревостойкости) используемой изоляции его обмоток. Из условия обеспечения работы электродвигателя в допустимом тепловом режиме проектируется и выбирается его номинальная мощность Р _НОМ : Р_НАГР = Р _НОМ Т _УСТ = Т _{ЭД. ДОП} .

 Номинальная мощность электродвигателя Р _НОМ - это наибольшая полезная механическая мощность на валу электродвигателя, при которой обеспечиваются высокие технико-экономические показатели его работы и допустимый тепловой режим (без перегрева), гарантирующий длительный срок службы электродвигателя в течение 15 – 20 лет.

 В зависимости от соотношения фактической мощности нагрузки на валу электродвигателя Р _НАГР и его номинальной мощности Р _НОМ , т. е. в зависимости от коэффициента загрузки β = Р _НАГР / Р _НОМ , различают три нагрузочных режима:

1. Номинальный режим: Р_НАГР = Р _НОМ β = 1 характеризуется высокими технико-экономическими показателями работы и обеспечивает длительный срок службы электродвигателя.

2. Режим недогрузки: Р_НАГР < Р _НОМ β < 1 характеризуется более низкими технико-экономическими показателями работы и не рекомендуется для длительной работы.

3. Режим перегрузки: Р_НАГР > Р _НОМ β > 1 характеризуется пониженными технико-экономическими показателями работы и, кроме того, приводит к перегреву электродвигателя, что увеличивает опасность аварийного отключения, резко снижает срок его службы и поэтому практически не допускается.

Выбор мощности электродвигателя для различных нагрузочных режимов

Двигатели производственных механизмов могут работать в различных нагрузочных режимах, т. е. с различной по характеру нагрузкой – постоянной или изменяющейся (переменной) по величине, с разным соотношением времени работы и останова (паузы), с различной частотой пуска, реверсирования, торможения и др.

 В зависимости от теплового режима работы двигателя и характера нагрузки различают следующие наиболее распространенные нагрузочные режимы:

S1 - длительный или продолжительный;

S2 – кратковременный;

S3 - повторно- кратковре­менный.

Для определения характера нагрузки и режима работы производствен­ного механизма строятся так называемые нагрузочные диаграммы, представляющие зависимости момента или мощности нагрузки на валу двигателя от времени, т. е. зависимости M _НАГР (t) или P _НАГР (t).

Если задана рабочая ( полезная) мощность производствен­ного механизма Р _МЕХ, то для приведения ее к мощности на валу двигателя необходимо учесть КПД производствен­ного механизма ( _М) и системы механической передачи от механизма к двигателю ( _П): Р _НАГР = Р _МЕХ /  _М  _П .

 S1. Длительный (продолжительный) режим работы — это такой режим, в котором двигатель длительно работает с постоянной нагрузкой Р_НАГР = const ( рис.1) или с изменяющейся ( переменной) во времени Р_НАГР = variable (рис.3) и установившаяся температура двигателя за время его работы дости­гает допустимого значения Т _УСТ = Т _ДОП. Этот режим характерен для приводов рольгангов прокатных станов, конвейеров, эскалаторов, дымососов, вентиляторов, на­сосов, компрессоров, мешалок, дробилок, мельниц и др., длительность работы которых состав­ляет часы, сутки, недели.

 При работе в длительном режиме с постоянной нагрузкой по заданной мощности нагрузки на валу двигателя Р _НАГР производят выбор номинальной мощности и марки двигателя при заданной частоте вращения по каталогу двигателей серии ПВ –100 ( рассчитанных на длительную работу) по условию:Р_{ЭД НОМ} = Р _НАГР .

 Выбранный по этому условию двигатель будет работать в допустимом тепловом режиме и тем самым обеспечит нормальную длительную работу электропривода. При этом дополнительная проверка двигателя на пусковую и перегрузочную способность при постоянной нагрузке не проводится.

 Если в каталоге нет двигателя с такой номинальной мощностью, то выбирают двигатель с ближайшей большей номинальной мощностьюР_{ЭД НОМ} > Р _НАГР .

 При работе в длительном режиме с переменной нагрузкой (рис.3) выбор номинальной мощности двигателя обычно проводится наиболее простым методом эквивалентной мощности:

1. По нагрузочной диаграмме определяется эквивалентная мощность нагрузки на валу двигателя:



 Рис.3. Нагрузочная диаграмма электродвигателя при длительном режиме работы с переменной нагрузкой

 2. По каталогу двигателей серии ПВ –100 (рассчитанных на длительную работу) выбирают номинальную мощность и типоразмер (марку) двигателя при заданной частоте вращения по условию: Р_{ЭД НОМ} = Р _ЭКВ .

 Если в каталоге нет двигателя с такой номинальной мощностью, то выбирают двигатель с ближайшей большей номинальной мощностьюР_{ЭД НОМ} > Р _НАГР .

 3. При работе двигателя с переменной нагрузкой обязательно необходимо проводить проверку выбранного двигателя на перегрузочную способность.

Двигатели постоянного тока проверяются на перегрузку по току и должны удовлетворять следующему условию:

I _НОМ ≥ I _{МАХ НАГР} / ( 2 - 2,5) .

Асинхронные двигатели проверяются на перегрузку по пусковому и максимальному моментам и с учетом коэффициентов запаса должны удовлетворять следующим условиям:

1. λ _П М _НОМ ≥ К _П М _{П НАГР} ;

2. λ _М М _НОМ ≥ К _М М _{М НАГР} ,

здесь М _НОМ - номинальный момент асинхронного двигателя,

λ _П и λ_М - кратность пускового и максимального моментов двигателя,

К _П и К _М - коэффициент запаса по пусковому и максимальному моментам (обычно принимают равным К = 1,2 - 1,3 ),

М _{П НАГР} и М _{М НАГР} - пусковой и максимальный моменты нагрузки (определяются по заданной нагрузочной диаграмме двигателя по формуле : М = Р / Ω ).

 В случае если выбранный двигатель не проходит по перегрузочной способности, то выбирают следующий за ним двигатель с большей номинальной мощностью и снова проводят проверку этого двигателя на перегрузочную способность.

 S2 . КРАТКОВРЕМЕННЫЙ РЕЖИМ РАБОТЫ - это такой режим, в котором кратковременная работа двигателя с нагрузкой чередуется с длительными остановами, при этом за время рабочего периода его температура не достигает допустимого значения Т _ЭД < Т _ДОП , а за время останова снижается до температуры среды Т_ЭД = Т _ОС (рис.2). Этот режим характерен для приводов разводных мостов, шлагбаумов, задвижек, заслонок, шиберов и др.

 Для работы в этом режиме выпускаются двигатели специальной серии (так называемые крановые двигатели), рассчитанные на большие кратковременные электрические и механические перегрузки при работе с номинальной мощностью в течение стандартной длительности рабочего периода t _СТАНД = 15, 30, 60 и 90 мин.

Выбор номинальной мощности и типоразмера (марки) двигателя при заданной частоте вращения проводится по каталогу двигателей специальной серии по следующим условиям: Р_{ЭД НОМ} ≥ Р _НАГР ,

при продолжительности работы двигателя t _Р ≥ t _СТАНД .

 Дополнительная проверка выбранного двигателя на пусковую и перегрузочную способность не проводится.

 S3. ПОВТОРНО- КРАТКОВРЕ­МЕННЫЙ РЕЖИМ РАБОТЫ — это такой режим, при котором работа двигателя характеризуется цикличностью, т. е. периодическим чередованием периодов работы двигателя и его остановов. При этом за время рабочих периодов его температура не достигает допустимого значения Т _ЭД < Т _ДОП , а за время останова не снижается до температуры среды Т_ЭД > Т _ОС при допустимой продолжительности цикла t _Ц не более 10 минут (рис.4).



 

Рис. 4. Нагрузочная диаграмма и график зависимости температуры электродвигателя при повторно-кратковременном режиме работы

t _Р - продолжительность работы двигателя с нагрузкой;

t _О - продолжительность останова двигателя,

t _Ц - продолжительность цикла ( не более 10 мин))

 Этот режим характерен для приводов кузнечно-прессового оборудования, подъемно-транспортных устройств, некоторых видов станочного оборудования и др.

Повторно-кратковременный режим характеризуется относительной продолжительностью рабочего периода в цикле - продолжительностью включения (ПВ) - определяемой как выраженное в процентах отношение времени работы двигателя с нагрузкой t _Р к продолжительности цикла t _Ц :

Для работы в этом режиме выпускаются дви­гатели специальной серии для повторно-кратковременной работы со стандартными значениями продолжительности включения: ПВ 15, 25, 40 и 60 % .

Если же продолжительность цикла t _Ц превышает 10 минут и в случае если ПВ > 60 % - выбирают двигатель длительного режима серии ПВ 100 , а если ПВ < 10 - выбирают двигатель крановой серии кратковременного режима.

 В случаях сложного характера нагрузочной диаграммы ( рис. 5) выбор номинальной мощности двигателя обычно проводится наиболее простым методом эквивалентной мощности :

1. 
   1.     По нагрузочной диаграмме определяется эквивалентная мощность нагрузки за рабочий период цикла:
   

 

 Рис. 5. Нагрузочная диаграмма электродвигателя при повторно-кратковременном режиме работы

t _i - продолжительность работы двигателя с нагрузкой P _i ;

t _{О i} - продолжительность останова двигателя;

t _Ц =  (t _i + t _{О i} ) - продолжительность цикла ( не более 10 мин) )

 2.     Определяется фактическая продолжительность включения нагрузки:

 

3. Выбор номинальной мощности и марки двигателя при заданной частоте вращения проводится по каталогу дви­гателей серии ПВ 15, 25, 40, 60 по следующим условиям: при совпадении продолжительности включения

ПВ _НАГР = ПВ _СТАНД

выбирают : Р_{ЭД НОМ} = Р _ЭРПЦ .

 

Если в каталоге нет двигателя с такой номинальной мощностью, то выбирают двигатель с ближайшей большей номинальной мощностьюР_{ЭД НОМ} > Р _ЭРПЦ.

 

4. Если фактическая продолжительность включения нагрузки отличается от стандартного значения ПВ _НАГР ≠ ПВ _СТАНД , то необходимо пересчитать эквивалентную мощность нагрузки за рабочий период цикла Р _ЭРПЦ на ближайшее большее стандартное значение ПВ*_СТАНД : .

 После этого выбор номинальной мощности и типоразмера (марки) двигателя при заданной частоте вращения проводится по каталогу дви­гателей серии ПВ 15, 25, 40, 60 по следующим условиям:

при стандартной продолжительности включения ПВ* _СТАНД

выбирают: Р_{ЭД НОМ} = Р* _ЭРПЦ .

  Если в каталоге нет двигателя с такой номинальной мощностью, то выбирают двигатель с ближайшей большей номинальной мощностьюР_{ЭД НОМ} > Р* _ЭРПЦ.

 5. При работе двигателя с переменной нагрузкой обязательно необходимо проводить проверку выбранного двигателя на перегрузочную способность.

Двигатели постоянного тока проверяются на перегрузку по току и должны удовлетворять следующему условию: I _НОМ ≥ I _{МАХ НАГР} / ( 2 - 2,5) .

 Асинхронные двигатели проверяются на перегрузку по пусковому и максимальному моментам и с учетом коэффициентов запаса должны удовлетворять следующим условиям:

λ _П М _НОМ ≥ К _П М _{П НАГР} ;

λ _М М _НОМ ≥ К _М М _{М НАГР} ,

здесь М _НОМ - номинальный момент асинхронного двигателя,

λ _П и λ_М - кратность пускового и максимального моментов двигателя,

К _П и К _М - коэффициент запаса по пусковому и максимальному моментам (обычно принимают равным К = 1,2 - 1,3 ),

М _{П НАГР} и М _{М НАГР} - пусковой и максимальный моменты нагрузки (определяются по заданной нагрузочной диаграмме двигателя по формуле : М = Р / Ω ).

 В случае, если выбранный двигатель не проходит по перегрузочной способности, то выбирают следующий за ним двигатель с большей номинальной мощностью и снова проводят проверку этого двигателя на перегрузочную способность.

 Правильный выбор мощности двигателя по приведенным выше методикам определяет режим его работы в условиях допустимого нагрева и является одним из основных условий обеспечения надежной работы электропривода с высокими технико-экономическими показателями в течение 15 – 20 - летнего срока эксплуатации без капитального ремонта.

27. Применение различных типов электродвигателей в электроприводе. Сравнительные характеристики и области применения. Трехфазные асинхронные электродвигатели. Их преимущества и недостатки. Устройство и принцип работы.

Качество работы современного электропривода во многом определяется правильным выбором используемого электрического двигателя, что в свою очередь обеспечивает продолжительную надежную работу электропривода и высокую эффективность технологических и производственных процессов в промышленности, на транспорте, в строительстве и др.

При выборе электрического двигателя для привода производственного механизма, в общем, руководствуются следующими рекомендациями:

1. Исходя из технологических требований, производят выбор электрического двигателя по его техническим характеристикам (по роду тока, номинальным напряжению и мощности, частоте вращения, виду механической характеристики, перегрузочной способности, пусковым, регулировочным и тормозным свойствами др.), а также конструктивное исполнение двигателя по способу монтажа и крепления.

2. Исходя из экономических соображений, выбирают наиболее простой, экономичный и надежный в эксплуатации двигатель, не требующий высоких эксплуатационных расходов и имеющий наименьшие габариты, массу и стоимость.

3. Исходя из условий окружающей среды, в которых будет работать двигатель, а также из требований безопасности работы во взрывоопасной среде, выбирают конструктивное исполнение двигателя по способу защиты.

Правильный выбор типа, исполнения и мощности электрического двигателя определяет не только безопасность, надежность и экономичность работы и длительность срока службы двигателя, но в целом технико-экономические показатели всего электропривода.

 Из всех типов электрических двигателей общепромышленного применения таким требованиям в наибольшей степени отвечают асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором (АДКЗ). Эти двигатели обычно питаются непосредственно от трехфазной сети и являются самыми простыми по конструкции, наиболее надежными в эксплуатации, практически не требуют обслуживания и при одинаковой мощности имеют наименьшие массу, габаритные размеры и стоимость.

По этой причине асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором нашли самое широкое применение во многих отраслях промышленности для приводов различных механизмов: конвейеров, транспортеров, подъемных и поворотных механизмов, толкателей, заслонок, насосов, вентиляторов, компрессоров и т. д. Однако эти двигатели имеют два существенных недостатка: сложность плавного регулирования частоты вращения и высокая кратность (4 - 6) пускового тока по отношению к номинальному. Поэтому двигатели с короткозамкнутым ротором применяются при относительно небольшой частоте включений в нерегулируемом электроприводе малой и средней мощности ( до 50 – 100 кВт) , когда не требуется плавного регулирования частоты вращения или когда может использоваться ступенчатое регулирование (многоскоростные двигатели с изменяемым числом пар полюсов).

 В настоящее время резко возрос интерес к использованию простых, дешевых и экономичных асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором в частотно-регулируемом электроприводе, в котором плавность регулирования и широкий диапазон достигается за счет питания двигателя от тиристорного (транзисторного) преобразователя частоты (ТПЧ). Кроме того, частотно-регулируемый привод заметно улучшает пусковые свойства двигателя – снижает пусковой ток и обеспечивает плавный запуск двигателя, резко снижает электрические и механические ударные нагрузки, поэтому несмотря на высокую стоимость частотно-регулируемый привод все шире применяется в системах тепло-водоснабжения для привода насосов, вентиляторов, в лифтовом хозяйстве и др.

Кроме асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором часто используются асинхронные двигатели с фазным ротором (АДФР), которые позволяют в достаточном диапазоне осуществлять плавное регулирование частоты вращения, но отличаются более сложной конструкцией и имеют значительно большие относительные массы, габариты и стоимость. Кроме того, эти двигатели уступают асинхронным двигателям с короткозамкнутым ротором в простоте управления и надежности в работе, однако обладают хорошими пусковыми свойствами, т. к. с помощью реостата, включенного в роторную цепь, позволяют уменьшить пусковой ток и одновременно увеличить пусковой момент. Этот тип двигателей широко используются при работе в напряженных режимах с частыми пусками и остановами - в механизмах подъемных устройств, конвейеров, транспортеров и др., требующих плавного пуска и регулирования скорости перемещения.

 Другой весьма распространенный в промышленности тип машин переменного тока - синхронные двигатели – отличаются сложной конструкцией и высокой стоимостью, практически не регулируются, однако обладают высокими экономическими характеристиками и применяются в нерегулируемом электроприводе большой мощности (более 50 – 100 кВт) для привода мощных компрессоров, насосов, вентиляторов, дымососов.

В ряде случаев производственные механизмы требуют глубокого и плавного регулирования частоты вращения, высокого качества переходных процессов, больших пусковых и тормозных моментов. В этих случаях при соответствующем технико-экономическом обосновании чаще всего применяются различные типы двигателей постоянного тока, питающихся от преобразователей переменного тока. В подъемных установках и кранах используются чаще всего двигатели последовательного или смешанного возбуждения, имеющие большой пусковой момент и наиболее подходящую характеристику. Двигатели постоянного тока независимого возбуждения используются в автоматизированных электроприводах, когда необходимо глубокое регулирование частоты вращения при высоком качестве переходных процессов.

Асинхронный двигатель (АД) – это электрическая машина, предназначенная для преобразования ЭЭ в механическую, работа которой основана на использовании вращающегося магнитного поля (ВМП), и частота вращения которой n₂ несколько меньше, чем синхронная частота вращения ВМП n₁ (n₂ < n₁).