- •1. Основные сведения. История развития электропривода
- •1.1 Общая структура электропривода
- •1.2 Требования к электроприводу
- •1.3 Классификация электроприводов
- •2. Механика привода
- •2.1 Состав механической части электропривода
- •3.10 Тормозные режимы двигателя постоянного тока независимого возбуждения
- •3.10.1 Рекуперативное торможение (генераторное торможение с отдачей энергии в сеть)
- •3.10.2 Динамическое торможение
- •3.10.3 Торможение противовключением
- •3.10.3.1 За счёт изменения полярности приложенного напряжения
- •3.10.3.2 За счёт активного момента внешних сил (тормозной спуск груза)
- •3.11 Электропривод с двигателями постоянного тока последовательного возбуждения
- •3.11.1 Характеристики двигателя с последовательным возбуждением
- •3.11.2 Применение
- •3.11.3 Построение характеристик
- •3.12 Регулирование скорости дптпв изменением сопротивления в цепи якоря
- •5.1 Уравнение нагрева двигателя
- •5.2 Номинальные режимы работы электродвигателей
- •5.3 Выбор двигателей по роду тока и принципу действия, конструктивному исполнению и внешним воздействиям
- •5.4. Определение расчетной мощности и выбор двигателя
- •5.5 Проверка двигателей на достаточность пускового момента и перегрузочную способность
- •5.6 Определение допустимой частоты включения короткозамкнутых асинхронных двигателей
5.6 Определение допустимой частоты включения короткозамкнутых асинхронных двигателей
При малых продолжительностях цикла повторно-кратковременных режимов возрастает доля пусковых и тормозных потерь в общем балансе потерь энергии за цикл и лимитирующими режим в тепловом отношении становятся длительности цикла или число включений двигателя в час. Учет этих ограничений особенно важен в приводах с большой частотой включений короткозамкнутых асинхронных двигателей.
В приводах некоторых механизмов возникает необходимость по условиям технологического процесса в частоте включения двигателя 600 — 800 в 1 ч. Более того, в таких режимах падает эффективность охлаждения самовентилируемых двигателей, что требует учета при проверке по допустимой частоте включений.
Определение допустимого числа включений двигателя в час проведем, сравнив при этом энергию потерь за цикл с энергией, отводимой в охлаждающую среду, при этом предположим, что гарантируются малые отклонения температуры двигателя от среднего уровня.
Потери энергии в двигателе за цикл состоят из потерь энергии при пуске и торможении , а также потерь за время установившегося режима . Пусть мощность при номинальной скорости, отводимая в окружающую среду, есть . Тогда в период паузы из-за ухудшения теплоотдачи самовентилируемого двигателя мощность теплоотвода будет, а в период пуска и торможения. Представим баланс энергий за цикл в виде
, ( 5.35)
где — время пуска и торможения;— время установившейся работы; — время паузы.
Представим параметры цикла следующим образом:
где h— число включений в час.
Подставляя в (5.35) значения ии решая его относительноh , получаем
. (5.36)
Для асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором третьим членом знаменателя можно пренебречь по сравнению с , так какон не превышает 2 - 4 % этой суммы, поэтому
. (5.37)
Если в установившемся режиме двигатель работает с номинальной формулу (9.123) можно упростить, и она примет вид
. (5.38)
Из (5.37) видно, что число включений в час зависит от статической нагрузки, определяющей мощность потерь , относительной продолжительности включения, коэффициента ухудшения теплоотдачии от потерь энергии в переходных режимах.
С уменьшением возрастаетh, достигая наибольшего значения при холостом ходе. На допустимое число включений в час существенно влияют потери энергии в переходных режимах, так как они пропорциональны моменту инерции привода, поэтому с ростом , уменьшается допустимое число включений.
Из (5.37) следует также, что при допустимая частота включений не зависит от. Когда, то с ростом можно допустить большее число включений. Наконец, если , то с ростом уменьшаетсяh. Для номинальной нагрузки в установившемся режиме с ростом допустимая частота включений уменьшается.
Увеличение допустимой частоты включений достигается независимой вентиляцией двигателя, действующей одинаково интенсивно в течение всего цикла работы электропривода. Существенного увеличения h можно добиться путем уменьшения потерь энергии в переходных процессах. В этом отношении, как указывалось, частотное управление асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором по сравнению с другими способами управления обеспечивает минимальные потери в переходных процессах. Исследования показали, что практически потери энергии за время переходного процесса достигают минимума при токах, приблизительно в 1,5 — 2 раза больших номинального, и оптимальном абсолютном скольжении. В большинстве случаев именно эти значения токов статора и обусловливают максимально допустимую частоту включений асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором при частотном управлении.
Для частотно-управляемого асинхронного привода допустимая частота включений оказывается в несколько раз больше по сравнению с допустимой частотой включений при прямом пуске двигателя от сети с неизменной частотой и амплитудой напряжения и торможением противовключением.
Примеры решения задач
Применительно к схеме рис. 1, рассчитать значения приведённого к валу электродвигателя момента инерции элементов механического передаточного устройства J и приведённого к валу электродвигателя момента нагрузки (сопротивления) Мс при подъёме груза.
Дано:
моменты инерции двигателя Jд вместе с муфтой М1 и шестерней z1 равны 0,15 кг × м2;
передаточное число редуктора ip = z2 / z1 = 86/14 = 6,14;
КПД редуктора ηр = 0,97 и барабана ηб = 0,95;
скорости двигателя W = 93 рад/с и подъёма груза Vи.о = 0,1 м/с;
масса груза вместе с крюком m = 850 кг.
Рис. 1. Схема механической части электропривода:
ЭД – двигатель; М1, М2 – соединительные муфты; Р – редуктор; Б – барабан; К – канат; Кр – крюк лебёдки.
Решение:
Приведённый момент нагрузки Mс, Н × м, определяем по формуле 2:
где g = 9,81 м/с2 – ускорение силы тяжести.
Приведённый к валу электродвигателя момент инерции J (кг ×м2) находим по формуле 3:
При спуске груза приведённый момент нагрузки Мс должен быть рассчитан по формуле
,
а момент инерции остаётся неизменным.
Пример 1
Рассчитать и построить естественную электромеханическую характеристику двигателя постоянного тока независимого (параллельного) возбуждения, имеющего следующие паспортные данные: Рном = 2,2 кВт; Uном = 220 В; Iном = = 13А; nном = 1000 об./мин; ηном = 77 %; Iв. ном = 0,7А; Rо.в = 300 Ом.
Решение
Для построения искомой характеристики, которая представляет собой прямую линию, достаточно определить координаты двух точек: номинального режима и идеального холостого хода.
Для точки номинального режима определяем номинальную угловую скорость ωн,, рад/с:
номинальный момент Mн, Н × м:
номинальное сопротивление ДПТ, Rн, Ом:
Далее по приближённой формуле находим сопротивление якорной цепи:
Rя = 0,5 × 17 (1 – 0,77) = 2 Ом.
Определяем значение kΦном, В × с/рад:
Скорость идеального холостого хода равна
По координатам точек холостого хода (ω0, 0) и номинального режима (ωном, Iном) на рис. 1 построена естественная электромеханическая характеристика ДПТ независимого возбуждения.
Рис. 1. Естественная электромеханическая (скоростная) характеристика двигателя
Пример 2
Рассчитать и построить естественные характеристики ДПТ последовательного возбуждения, имеющего следующие данные: Рном = 3 кВт; nном = 960 об./мин; Uном = 220 В; Iном = 19 А; ηном = 0,89.
Решение
1. Определяем номинальные угловую скорость ωном и момент Мном:
2. Воспользуемся универсальными характеристиками двигателя постоянного тока последовательного возбуждения (рис. 2) и составим таблицу для расчётов:
Рис.2. Универсальные характеристики двигателей постоянного тока последовательного возбуждения
1 |
I* |
0,4 |
0,8 |
1,2 |
1,6 |
2 |
2 |
M* |
0,3 |
0,8 |
1,25 |
1,7 |
2,38 |
3 |
ω* |
2,1 |
1,2 |
0,9 |
0,7 |
0,6 |
4 |
ω = ω* × ωном |
210 |
120 |
90 |
70 |
60 |
5 |
M = M* × Mном |
9 |
24 |
36 |
48 |
60 |
6 |
I = I* × Iном |
7,6 |
15,2 |
22,8 |
30,4 |
38 |
Первые три строки таблицы заполняются с помощью характеристик рис. 3. Данные строк 4-6 получаются умножением относительных значений величин на номинальные значения соответствующих координат ДПТ. По данным строк 4 и 6 таблицы, а построена естественная электромеханическая, а по данным строк 4 и 5 – естественная механическая характеристики ДПТ (рис. 3 а, б).
Рис. 3. Механическая характеристика а) и электромеханическая характеристика б)
Задача 4.1.
Рассчитать естественную механическую характеристику асинхронного двигателя с фазным ротором типа МТН611-6 краново-металлургической серии и построить пусковые характеристики при реостатном пуске в 3 ступени. Определить величины пусковых сопротивлений.
Основные данные двигателя:
Номинальная мощность при работе в длительном режиме -75 кВт, номинальная скорость вращения =950 об/мин, напряжение статора=380 В, номинальное напряжение на кольцах ротора=270 В, максимальный момент двигателя=2610 Н*м, номинальный ток ротора=108 А. Момент сопротивления на валу двигателя при пуске принять равным номинальному моменту двигателя.
Номинальный момент двигателя
,
где .
Перегрузочная способность двигателя:
.
Номинальное скольжение
.
Критическое скольжение на естественной характеристике
.
Расчет естественной характеристики производим по формуле
.
Таблица 4.1 Расчет естественной механической характеристики
1 |
0.8 |
0.6 |
0.4 |
0.33 |
0.2 |
0.1 |
0.05 | |
3.0 |
2.42 |
1.81 |
1.21 |
1 |
0.6 |
0.3 |
0.15 | |
0.33 |
0.41 |
0.55 |
0.82 |
1 |
1.65 |
3.3 |
6.6 | |
2.07 |
2.44 |
2.93 |
3.4 |
3.46 |
3.21 |
1.92 |
1 |
Построенная по расчетным данным естественная механическая характеристика представлена на рис. 4.13.
Рисунок 4.13 - Естественная и пусковые механические характеристики асинхронного двигателя с фазным ротором
Пример задачи
Проверить пригодность краново-металлургического асинхронного трехфазного электродвигателя типа MTF112-6 с фазным ротором, предназначенного для привода механизма, работающего по графику рис 18. Электродвигатель имеет следующие номинальные данные:
Р2ном =5 кВт; ηном.= 75%; cosφ= 0,7; ПВном=40%; nном =930 об/мин;
U1= 380В.
Решение.
Эквивалентный ток за время работы одного цикла:
Продолжительность включения электродвигателя с учетом поправок на ухудшение условий охлаждения в период пуска, торможения и паузы
где tц — время цикла (tц =tР + tо); = 0,75;= 0,5.
Номинальный ток электродвигателя
Так как при ПВ%=40%, то электродвигатель проходит по нагреву и пригоден для привода механизма, работающего в данных условиях.