Онищенко Г.Б. Электрический привод

Подождите немного. Документ загружается.

уст

ττ

=+⋅ .

Решение этого уравнения будет

(

)

устнагуст

−

−+=

ττττ

(11.12)

Обычно принимают температуру окружающей среды, равной начальной

температуре перегрева. Тогда τ

нач

= 0

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

−=

−

уст

е1

ττ

(11.13)

В полученных выражениях:

уст

= ∆Р/А - установившееся значение температуры, которое зависит от

величины потерь в двигателе, т.е. от его нагрузки; Т

= С/А - постоянная време-

ни нагрева двигателя.

Переходная характеристика нагрева двигателя приведена на рис. 11.2.

Она носит экспоненциальный характер. За время, равное Т

двигатель нагреется

до температуры 0,63 τ

уст

Задача 11.2. Два одинаковых

двигателя одновременно включаются в

работу. Нагрузка на валу первого дви-

гателя равна номинальной. Нагрузка на

валу второго - 50% от номинальной.

Постоянная времени нагрева двигате-

лей - 20 мин. Определите, за какое вре-

мя каждый из двигателей нагреется до

установившейся температуры.

Решение.

Поскольку постоянные нагрева обоих двигателей равны, их температу-

ра достигнет своего установившегося значения за одно и то же время, пример-

но равное 1 часу (t

=ЗТ

). Величина установившейся температуры перегрева

будет, конечно, разной. У более нагруженного двигателя эта температура будет

примерно в 2 раза выше (рис. 11.3).

При охлаждении характер изменения температуры во времени также

описывается уравнением (11.12).

Если двигатель отключается и будет остывать до температуры окру-

жающей среды (как показано на рис.11.2), то τ

уст

= 0.

Тогда

нач

−

ττ

Следует иметь в виду, что для самовентилируемых двигателей коэффи-

циент теплоотдачи А существенно зависит от скорости, поэтому охлаждаются

такие двигатели намного медленнее, чем они нагреваются. Постоянная времени

нагрева при охлаждении Т

’

больше, чем при нагревании Т

’

> Т

Исходя из особенностей режимов нагрева и охлаждения двигателей

различают 8 режимов работы, основными из которых являются: продолжитель-

ный S1, кратковременный S2 и повторно-кратковременный S3.

1. Продолжительный режим (S1) - режим работы электродвигателя при

неизменной нагрузке такой продолжительности, при которой превышение тем-

пературы электродвигателя достигает установившегося значения. Графики из-

менения мощности на валу Р, потерь мощности ∆Р

и температуры перегрева τ,

соответствующее режиму S1, приведены на рис.11.4,а.

В паспортных данных двигателя указываются номинальная мощность

, скорость вращения ω

, напряжение U

ток I

соответствующие режиму S1.

2. Кратковременный режим (S2) - это режим, в котором периоды на-

грузки чередуются с периодами отключения двигателя. При этом за время ра-

боты двигателя, превышение температуры не достигает установившегося зна-

чения, а при отключении все части электродвигателя охлаждаются до темпера-

туры окружаю-

щей среды. Режим

характеризуется мощностью (моментом) и временем включения t

. Стандартная

продолжительность рабочего периода составляет 10, 30, 60, 90мин.

Графики, характеризующие кратковременный режим работы, показаны

на рис.11.4,б.

3. Повторно-кратковременный режим (S3) - это режим, при котором

кратковременные периоды нагрузки чередуются с периодами отключения дви-

гателя, причем за время работы превышение температуры двигателя не дости-

гает установившегося значения, а при отключении двигатель не успевает ос-

тыть до температуры окружающей среды (рис.11.4,в). Режим S3 характе-

ризуется нагрузкой и продолжительностью включения (ПВ):

%100%100

0 ц

ПВ =

или

(11.14)

Стандартные значения ПВ, на которые рассчитываются и выпускаются

электродвигатели, предназначенные для работы в режиме S3, составляют 15,

25, 40 и 60%. Максимальная продолжительность цикла не должна превышать

10 мин.

Номинальные режимы S4...S8 введены для того, чтобы упростить зада-

чу выбора электродвигателей, работающих в этих режимах. Здесь ограничимся

лишь упоминанием этих режимов: повторно-кратковременный режим работы с

частыми пусками -S4; повторно-кратковременный режим работы с частыми

пусками и электрическим торможением - S5; перемежающий режим работы -

S6, когда после периода работы электродвигатель не отключается, а продолжа-

ет работать вхолостую; перемежающий режим работы с частыми реверсами -

S7; перемежающий режим работы с двумя и более скоростями - S8.

11.4. Энергосбережение средствами электропривода

Поскольку электропривод является главным потребителем

электроэнер-

гии (до 65% в развитых странах), то проблема энергосбережения всегда являет-

ся одной из основных в технике электропривода. Следует различать энергосбе-

режение собственно в электроприводе и создание энергосберегающих техноло-

гий на базе автоматизированного регулируемого электропривода.

Энергосбережение собственно в электроприводе преследует цель сокра-

тить потери на преобразование электрической энергии в механическую

и повы-

сить энергетические показатели электропривода. Для достижения этой цели

используется следующее:

1. Правильный выбор электродвигателя по мощности. Существующая

практика завышения мощности двигателей приводит к тому, что они работают

со сниженными значениями кпд и коэффициента мощности.

2. Использование в электрическом силовом канале электропривода си-

ловых полупроводниковых преобразователей, позволяющих преобразовывать

электрическую энергию к нужному виду

и параметрам с минимальными поте-

рями.

3. Отказ от использования реостатных способов регулирования скоро-

сти двигателей.

4. Применение фильтро-компенсирующих устройств в цепи питания

электропривода с целью повышения коэффициента мощности и фильтрации

высших гармоник тока.

В вопросах энергосбережения гораздо важнее использовать возможно-

сти, которые дает автоматизированный электропривод с

точки зрения энергетической

оптимизации самих технологических про-

цессов.

Ведение технологического процесса в нужном автоматически поддер-

живаемом режиме сокращает непроизводительные затраты электроэнергии. Во

всех установках, осуществляющих подачу воздуха, воды, сыпучих и других ма-

териалов имеется возможность экономить электроэнергию за счет выбора той

производительности рабочей машины, которая соответствует объему подачи,

необходимому по условиям технологического режима в

данный момент.

Поскольку, как правило, номинальная производительность машин, по-

дающих воздух, воду, сырье и т.д. выбирается с большим запасом, то возникает

необходимость регулирования режима их работы. Наиболее экономичным спо-

собом регулирования производительности является изменение скорости дви-

жения рабочего органа, для чего необходим регулируемый электропривод.

Рассмотрим возможности энергосбережения на примере насосных уста-

новок водоснабжения. Необходимость регулирования напора и расхода этих

установок определяется двумя обстоятельствами.

Первое состоит в том, что необходимо согла-

совать характеристику центробежного насоса с Q-H

характеристикой гидравлической сети, на которую

этот насос работает. Как правило, насосы имеют бо-

лее высокий напор, чем это необходимо

Второе условие, обуславливающее необходи-

мость регулирования скорости, определяется тем, что

потребное количество воды меняется по

временам года и суток.

Для решения указанных задач сегодня в большинстве случаев исполь-

зуются гидравлические способы регулирования: дросселирование или перепуск

с нагнетания на всас (см. рис. 11.5).

При дросселировании с помощью задвижки 1 увеличивают гидравличе-

ское сопротивление

сети. Рассмотрим процесс регулирования на характеристи-

ках насосной установки (рис.И.6). Эти характеристики представляют собой за-

висимость напора Н, развиваемого насосом, от его расхода Q. Гидравлическая

сеть, на которую работает насос, имеет характеристику Н

геод

-А, при которой на-

сос будет давать расход Q

. Если требуется меньший расход, то с помощью за-

движки увеличивают гидравлическое сопротивление, получая характеристику

сети Н

геод

-В, которой соответствует требуемый расход Q

. Однако, при этом

значительная часть мощности, пропорциональная площади H

-H

-B-D, будет

расходоваться на преодоление сопротивления задвижки, т.е. тратиться беспо-

лезно.

Еще большие непроизводительные потери будут при регулировании пе-

репуском с нагнетания на всас. В этом случае неполностью открывают задвиж-

ку 2, уменьшая общее гидравлическое сопротивление - характеристика Н

геод

-С.

Общий расход насоса при этом возрастает до Q

, складываясь из требуемого

расхода в сети Q

и расхода на рециркуляцию (Q

- Q

)- В этом случае возника-

ют непроизводительные затраты энергии, пропорциональные площади Q

-D-C-

Избежать непроизводительных затрат можно, если применить регули-

руемый электропривод насоса. Снизив скорость, мы получим Q-H характери-

стику насоса, проходящую через току D (характеристика H

-D), и, не прибегая

к использованию задвижек, получим требуемую величину расхода Q

. Допол-

нительные потери, связанные с регулированием производительности насоса,

при этом не возникнут.

Переход к регулируемому электроприводу насосов, как показал опыт,

дает до 30% экономии электроэнергии [6].

Задача 11.3. Оценить годовой расход электроэнергии насосной уста-

новки мощностью 15 кВт, работающей 6000 часов в году, из них с производи-

тельностью 90% - 4000 часов, с производительностью 45% - 2000 часов в год.

Параметры насоса: Н

=30 м; Q

=140м

/час=0,039 м

/с; η

= 0,76. Харак-

теристика насоса описывается формулой Н=Н

-R

=39-5900Q

. Насос работа-

ет на сеть с гидравлическим сопротивлением R

=5900с

/м

без геодезического

напора Н

геод

=0.

Решение.

1. Номинальная мощность насоса

кВт

НQ

нн

76,0102

30039,01000

102

1000

⋅

⋅⋅

⋅

2. Напор, развиваемый насосом

при расходе 0,9Q

=0,035м

/с H=H

-R

(0,9 · Q

)

=39-5900·0,035

=33,8м

при расходе 0,45Q

=0,0175м

/с H=H

-R

(0,45·Q

)

=39-5900·0,0175

37,2м

3. Для реализации требуемых режимов требуется погасить часть напора

на задвижке. Принимаем ориентировочно кпд насоса и двигателя постоянными

= 0,76; η

дв

= 0,9. Мощность, потребляемая двигателем насосной установки,

составит:

при Q=0,9Q

кВтР 9,16

9,076,0102

8,33035,01000

⋅⋅

⋅

при Q=0,45Q

кВтР 3,9

9,076,0102

2,370175,01000

⋅⋅

⋅

4. Расход электроэнергии за год будет

А=16,9·4000+9,3·2000=86200 кВтчас.

5. Если регулирование насосной установки будет производиться изме-

нением скорости вращения насоса посредством регулируемого привода, то по-

тери энергии, связанные с гашением части напора на задвижке, будут отсутст-

вовать. Ориентировочно можно считать, что при регулировании изменением

скорости рабочего колеса расход насоса пропорционален скорости

, напор -

квадрату скорости, а мощность на валу насоса пропорциональна кубу скорости.

Кпд регулируемого электропривода будет равен η

пр

= η

дв

пч

= 0,9·0,95 = 0,855.

Тогда

при Q=0,9Q

Н=(0,9)

=0,9

·30=24,3м

кВтР 8,12

855,076,0102

3,24035,01000

⋅⋅

⋅

при Q=0,45Q

Н=(0,45)

=0,45

·30=6м

кВтР 6,1

855,076,0102

60175,01000

⋅⋅

⋅

6. Годовой расход электроэнергии при использовании регулируемого

электропривода будет:

А=12,8·4000+1,6·2000=54200 кВтчас.

Экономия электроэнергии при использовании регулируемого электро-

привода насоса мощностью 15 кВт составит

∆А=86200-54200=32000 кВтчас.

Приведенный расчет является ориентировочным, однако он дает на-

глядное представление об эффективности использования регулируемого элек-

тропривода для насосных установок.

11.5. Контрольные вопросы для самопроверки

1. Назовите энергетические

показатели электропривода.

2. Какая часть вырабатываемой электрической энергии расходуется на

ее электромеханическое преобразование посредством электропривода?

3. Дайте определение постоянной времени нагрева электродвигателя.

4. Как зависит постоянная времени нагрева от способа охлаждения дви-

гателя?

5. Какими параметрами определяется кпд силового полу-

проводникового преобразовательного устройства?

6. Как изменяется cos φ асинхронного двигателя при его недогрузке?

7. Чем определяется cos φ привода по системе тиристорный преобразо-

ватель - двигатель постоянного тока ТП-Д?

8. Из чего складываются переменные потери в нерегулируемом по ско-

рости асинхронном электродвигателе?

9. Чему равны потери энергии в короткозамкнутом асинхронном двига-

теле и в синхронном двигателе при пуске вхолостую?

10.Дайте характеристику кратковременного режима работы S2.

11 .Что такое продолжительность включения ПВ?

12.Назовите радикальный способ повышения эффективности использо-

вания электрической энергии в насосных установках.

13.Назовите основные направления энергосбережения средствами авто-

матизированного электропривода.

Глава 12. ОСНОВЫ

ПРОЕКТИРОВАНИЯ АВТОМАТИЗИ-

РОВАННЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ

МЕХАНИЗМОВ

12.1. Общие требования, предъявляемые к электроприводу

Производственные машины и механизмы составляют основу большин-

ства технологических процессов, используемых в промышленности, сельском

хозяйстве, на транспорте, в коммунальном хозяйстве - во всех сферах челове-

ческой деятельности. Большинство производственных машин оснащено авто-

матизированным электроприводом и устройствами электроавтоматики.

Технологические процессы разнообразны

по своему содержанию и об-

ластям использования. Также разнообразны производственные машины и ме-

ханизмы, осуществляющие различные технологические процессы. Однако

можно выделить группы машин и механизмов производственного назначения,

характеризующиеся общностью выполняемых операций и принципом дей-

ствия.

К таким машинам относятся:

-турбомеханизмы: насосы, вентиляторы, турбокомпрессоры;

-грузоподъемные машины: краны, лифты, шахтные подъемники

и дру-

гие;

-Транспортные машины: конвейеры, транспортеры, эскалаторы и дру-

гие;