Теория электропривода учебное пособие

в установившихся режимах (M = Mc), выбор двигателя может быть проведен непосредственно по требуемым Мс и ω.

Таким образом, для выбора мощности электродвигателя необходимо знать его нагрузку как в установившихся, так и в переходных режимах. Для этого рассчитываются, или строятся на основании экспериментальных данных, так называемые нагрузочные диаграммы – зависимость момента на валу двигателя, мощности или тока якоря (ротора) в функции времени.

Проверка электродвигателя на перегрузку заключается в определении его потребного номинального момента или тока из условия допустимой перегрузки по моменту или току:

где Мmax – максимальный момент, который должен развить электродвигатель в соответствии с его нагрузочной диаграммой;

Imax – максимальный ток, протекающий в электродвигателе и определяемый из диаграммы I = f(t);

λм и λi – коэффициенты перегрузочной способности электродвигателя по моменту и току. Величины λм и λi принимаются по каталожным данным предварительно выбранного двигателя.

Перегрузочная способность асинхронных двигателей ограничена величиной критического момента Мк. Поскольку величина момента этих двигателей пропорциональна квадрату напряжения сети, то при проверке двигателей на перегрузку следует принимать в расчетах 0,8λм, учитывая возможное снижение напряжения сети до 0,9Uн.

10.2. Нагрев и охлаждение двигателей

Потери энергии в двигателе реализуются в виде нагрева тех частей двигателя, в которых они выделяются, т.е. обмо-

291

ток, коллектора, магнитопровода. Возрастание температуры этих частей благодаря теплопроводности вызывает передачу тепла остальным частям двигателя. При превышении температурой двигателя температуры окружающей среды начинается процесс теплоотдачи в окружающую среду, интенсивность которого увеличивается пропорционально разности температур. Процесс нагрева заканчивается при температуре двигателя, когда всё тепло, выделяющееся в двигателе, отдается в окружающую среду.

Отключение двигателя от сети прекращает тепловыделение в двигателе, и наступает процесс постепенного отвода запасенного тепла в окружающую среду – идет процесс охлаждения двигателя, который прекращается после снижения температуры всех его частей до температуры окружающей среды.

Поскольку процесс нагрева и охлаждения неоднородного тела двигателя является сложным, в инженерной практике используют упрощенную тепловую модель двигателя, основанную на ряде допущений:

1)электродвигатель представлен в виде однородного тела с одинаковой теплоемкостью по всему объему и одинаковой теплоотдачей по всей поверхности машины;

2)теплоемкость и теплоотдача не зависят от температуры.

С учетом этого можно записать уравнение теплового баланса двигателя для некоторого интервала времени:

где ∆P – «греющие потери», Вт, т.е. потери без учета выделяющегося тепла во внешних добавочных сопротивлениях двигателя;

А – коэффициент теплоотдачи, Вт/°С; С – теплоемкость двигателя, Дж/°С;

τ – перегрев двигателя, т.е. превышение температурой двигателятемпературы окружающей среды, °С, τ = t°дв– t°о.с.

292

Разделив (10.2) на A · dt, получим дифференциальное уравнение нагрева двигателя

где Tн – тепловая постоянная времени, Tн = CA ;

τуст – установившееся значение превышения температу-

ры, τуст = ∆АР.

τ = τнач и постоянной интегрирования В = τнач – τуст имеет вид

При отключении двигателя от сети в процессе охлаждения двигателя его превышение температуры изменяется при

τнач = τуст и τуст = 0 из (10.4):

Зависимость τ = f(t) представлена на рис. 10.1 в виде переходных процессов апериодического звена, отличающихся постоянными временем перегрева и охлаждения и тем самым длительностью процессов.

Значения Тн (нагрева) изменяются в широких пределах: для двигателей небольшой мощности Тн составляет десятки минут, для мощных двигателей возрастает до нескольких часов и зависит от продолжительности работы в установившемся режиме. Длительность процессов охлаждения сущест-

293

венно зависит от условий охлаждения двигателя (Tн < To). Если двигатель охлаждается вентилятором, установленным на его валу, то при отключении двигателя движение охлаждающего воздуха снижается до уровня, определяемого естественной вентиляцией, и время охлаждения существенно возрастает.

Рис. 10.1. Переходные процессы перегрева и охлаждения двигателя

Используемые методы расчета или выбора мощности электропривода по нагреву определяются режимом работы

итипом двигателя.

10.3.Нагрузочные диаграммы электропривода

Зависимости нагрева и охлаждения двигателей от их параметров позволяют выделить режимы работы электроприводов для расчета мощности двигателя. Потери энергии, выделяющиеся в двигателе, определяются нагрузочными диаграммами электропривода.

Различают два вида нагрузочных диаграмм. Нагрузочной диаграммой исполнительного механизма называется зависимость момента статической нагрузки от времени Mc = f(t), дополненная заданной тахограммой установившихся рабочих скоростей ωс(t). Нагрузочная диаграмма двигателя – зависимость момента двигателя от времени М = f(t), соответ-

294

ствующая известной зависимости текущей скорости электропривода от времени ω(t).

Расчет нагрузочной диаграммы двигателя может быть произведен с помощью уравнения движения электропривода, если известны нагрузочная диаграмма исполнительного механизма, суммарный момент инерции электропривода JΣ и зависимость ω = f(t).

На первых этапах проектирования до выбора двигателя JΣ и ω = f(t) не определены, поэтому основой предварительного выбора двигателей и расчета нагрузочных диаграмм двигателей являются нагрузочные диаграммы исполнительного механизма, рассчитываемые по техническому заданию на проектирование. Нагрузочные диаграммы двигателя – зависимости М(t) в сочетании с зависимостями ω(t), позволяют рассчитать токи, суммарное тепловыделение в двигателе. Эти диаграммы используются для проверки мощности предварительно выбранного двигателя по нагреву, а также для определения кратковременной перегрузочной способности электропривода (по току или моменту) и сравнения ее с допустимыми величинами для данного выбранного двигателя.

Всё многообразие производственных механизмов с точки зрения режимов работы электропривода можно разделить на две большие группы: механизмы непрерывного и механизмы циклического действия. Для электроприводов механизмов, относящихся к этим группам, характерны вполне определенные зависимости Мс(t), ωс(t) и определенные типовые нагрузочные диаграммы двигателей M(t).

Нагрузочные диаграммы механизма могут иметь любой вид, однако всегда можно выделить цикл, т.е. промежуток времени tц, через который диаграмма повторяется. Если характер работы таков, что режимы воспроизводятся плохо (лифт, подъемный кран и т.п.), строят нагрузочные диаграммы для наиболее вероятного или наиболее тяжелого цикла.

295

где знак (+) перед динамическим моментом Mдин ставится при подъеме груза, а знак (–) – при торможении в период опускания груза, так как момент сопротивления является активным.

10.4. Номинальные режимы электродвигателей

Выбор двигателей по мощности и перегрузочной способности производится на основе номинальных данных двигателя, указываемых в каталогах.

Номинальные режимы работы электропривода регламентированы по восьми различным режимам работы по международной классификации, из которых три режима являют-

ся основными, а четыре – дополнительными (или так назы-

ваемыми рекомендуемыми режимами).

Каждый из режимов характеризуется диаграммой мощности и графиком изменения температуры их нагрева. Кроме

296

того, некоторые из этих режимов характеризуются специальными параметрами:

S1 – длительный (номинальный) режим. Нагрузочная диаграмма данного режима электропривода характеризуется длительностью работы с постоянной мощностью, за которую температура перегрева двигателя успевает достигнуть за переходный период установившегося значения. Переходный процесс приведен на рис. 10.3, а.

S2 – кратковременный (номинальный) режим. Перио-

ды неизменной номинальной нагрузки чередуются с периодами отключения машины. За период включения машины на номинальную нагрузку нагрев двигателя не достигает установившегося значения, а за периоды пауз он остывает до температуры окружающей среды. Установлена длительность

Если по истечении времени tн двигатель не отключается, его температура, как показано на рис. 10.3, б, продолжает

возрастать до tуст° >> tдоп° , что может повлечь за собой ускоренный износ изоляции и даже выход двигателя из строя.

Рис. 10.3. Номинальные режимы: а – S1 – длительный;

б – S2 – кратковременный

297

S3 – повторно-кратковременный (номинальный) ре-

жим (рис. 10.4, а). Кратковременные периоды неизменной номинальной нагрузки чередуются с периодами отключения. За рабочий период и период паузы температура машины не достигает установившихся значений.

Рис. 10.4. Повторно-кратковременные режимы: а – номинальный S3;

б – с частыми пусками S4

Главной характеристикой повторно-кратковременного режима является продолжительность включения двигателя

причем номинальные значения ПВн составляют 15; 25; 40; 60 и 100 %. В каталогах приводятся номинальные данные для всех номинальных ПВ, в том числе и для ПВн = 100 %, что соответствует работе двигателя режима S3 в продолжительном режиме S1.

Двигатель повторно-кратковременного режима проектируется для работы в основном режиме ПВн = 25 % или ПВн = 40 %. При этом должна быть обеспечена требуемая перегрузочная способность

λ25 % = Мmax = 2…2,5.

Мн25 %

298

Максимальный момент двигателя обеспечивается его конструктивными данными и не зависит от ПВ, поэтому при работе двигателя режима S3 в продолжительном режиме его

перегрузочная способность составит λ100 % = Мmax = 4…5.

Мн100 %

S4 – повторно-кратковременный режим с частыми пусками (рис. 10.4, б). В этом режиме периоды пуска tп и неизменной кратковременной номинальной нагрузки tp чередуются с периодами отключения to. За рабочий период и за период пауз (периоды достаточно коротки) перегрев отдельных частей машины не достигает установившихся значений. Пусковые потери (в отличие от режима S3) оказывают существенное влияние на нагрев машины.

Основные параметры этого режима те же, что и для режима S3, дополнительно режим S4 характеризуется:

–числом включений в час, если нет специально установленных;

–коэффициентом инерции со значениями 1,2; 1,6; 2,5; 4, равными отношению суммы приведенного к валу двигателя момента инерции механизма и якоря (ротора) к моменту инерции якоря (ротора).

S5 – повторно-кратковременный с частыми реверса-

ми (рис. 10.5, а). Для этого режима периоды пуска, кратковременной неизменной номинальной нагрузки и электрического торможения чередуются с периодами отключения машины. Пусковые и тормозные потери при работе в этом режиме существенно влияют на нагрев машины.

Длительности рабочих периодов и пауз не вызывают перегрева отдельных частей машины до установившихся значений, нагрев может достичь максимально допустимой температуры.

299

Рис. 10.5. Режимы электропривода: а – повторно-кратковременный режим S5 с частыми реверсами и электрическим торможением; б – кратковременный перемежающийся режим S6

S6 – перемежающийся номинальный режим

(рис. 10.5, б). Кратковременные периоды неизменной номинальной нагрузки (рабочие периоды) чередуются с периодами холостого хода (паузами в нагрузке). За рабочие периоды не допускается перегрева машины, нагрев достигает лишь максимально допустимой температуры, а за время работы вхолостую двигатель не успевает охладиться до установившейся минимальной температуры холостого хода.

Рис. 10.6. Перемежающиеся режимы: а – S7 – с частыми реверсами

иэлектрическим торможением; б – S8 – с несколькими скоростями

вцикле

300