Онищенко Г.Б. Электрический привод

Подождите немного. Документ загружается.

Мощность приводного электродвигателя рассчитывается, исходя, глав-

ным образом, из трех условий:

1. Нагрев двигателя во время работы не должен превосходить допусти-

мый для данного класса изоляции.

2. Перегрузочная способность двигателя должна быть достаточной,

чтобы обеспечивать кратковременно максимальные значения момента, опреде-

ляемые, как правило, динамическими режимами пуска или торможения.

3. В случае привода

механизмов с большим моментом инерции или для

механизмов, имеющих большое число включений в час пусковые потери в дви-

гателе не должны приводить к перегреву ротора.

Нагрев двигателя сверх допустимого значения приводит к ускорению

старения изоляции и выходу двигателя из строя. Допустимый нагрев зависит от

класса применяемой изоляции для обмоток двигателя

Таблица

12.1

Допустимые температура нагрева и превышение температуры электро-

двигателя для различных классов изоляции

Класс изол

ииПараметры

Е В F Н

Допустимая температура нагрева изоляционного мате-

риала (СТ-СЭВ 782-77), °С

120 135 155 180

Допустимая температура нагрева обмоток электродви-

гателя (ГОСТ 1 83-741, °С

- 120 140 165

Допустимое превышение температуры (ГОСТ 1 83-74), °С

75 80 100 125

Расчеты температуры перегрева двигателя в соответствии с известной

нагрузочной диаграммой являются весьма трудоемкими. Наиболее точным ме-

тодом является метод средних потерь энергии в двигателе ∆Р

ср

. Для каждой ве-

личины нагрузки определяют значение потерь в двигателе и далее находят

среднее значение потерь за цикл работы. Такой метод редко применяется из-за

сложности расчета потерь. Поэтому на практике пользуются косвенными мето-

дами оценки нагрева двигателя. Наиболее часто применяются методы эквива-

лентных величин: тока, момента или мощности.

Метод

эквивалентного тока

Потери в двигателях примерно пропорциональны квадрату тока в его

обмотках. Зная график тока, протекающего по обмоткам двигателя, можно оп-

ределить для каждого конкретного режима работы значение тока I

э,

характери-

зующее его нагрев.

Эквивалентный ток I

, - это такой неизменный по величине ток, кото-

рый вызывает такой же нагрев электродвигателя, как и реально протекающий

изменяющийся по величине ток в соответствии с графиком нагрузки механиз-

ма.

0321

)(

tttt

tItItI

dtti

+++

∫

(12.2)

Условие проверки двигателя на нагрев будет:

номэ

≤

(12.3)

Метод эквивалентного момента

Если момент двигателя пропорционален току, то можно пользоваться

методом эквивалентного момента.

Эквивалентный момент - это такой постоянный момент нагрузки, кото-

рый вызывает такой же нагрев двигателя, как и реально изменяющийся момент

в соответствии с графиком работы механизма.

0321

)(

tttt

tМtМtМ

dttМ

+++

∫

(12.4)

Условие правильности выбора двигателя – М

≤М

Этот метод применим для двигателей постоянного тока с независимым

возбуждением, для асинхронных двигателей и других, когда момент пропор-

ционален току.

Метод эквивалентной мощности

Если скорость двигателя изменяется мало и можно считать, что мощ-

ность пропорциональна моменту и, следовательно, току, то эквивалентная

мощность будет:

0321

)(

tttt

tРtРtР

dttР

+++

∫

(12.5)

Производить проверку двигателя на нагрев по эквивалентной мощности

можно для нерегулируемых по скорости электродвигателей, у которых момент

пропорционален току. Условие правильности выбора электродвигателя - Р

≤Р

Формулы (12.2), (12.4), (12.5) не учитывают условий ухудшения охлаж-

дения у двигателей с самовентиляцией при стоянке во время пауз и при сни-

женной скорости вращения. С учетом этого обстоятельства можно пользовать-

ся более точной формулой, например, для эквивалентного тока

00332211

tttt

tItItI

ββββ

+++

где β

= β

= 0,5 - коэффициент, учитывающий ухудшение условий ох-

лаждения в процессе разгона и торможения двигателя;

= 0,3 - коэффициент, учитывающий ухудшение условий охлаждения

во время стоянки двигателя.

Задача 12.2. Двигатель постоянного тока независимого возбуждения

работает в режиме, характеризующемся нагрузочной диаграммой, представ-

ленной на рис. 12.1 при следующих значениях М

=160Нм; М

=100Нм;

=40Нм; t

= t

=10с; t

=60с; t

=20с; ω

макс

- 104,5 1/с. Циклы повторяются, что

дает возможность считать режим работы продолжительным. Определить тре-

буемую мощность двигателя по условиям нагрева.

Решение.

Так как двигатель работает с постоянным номинальным потоком воз-

буждения, то можно воспользоваться методом эквивалентного момента.

Нм

tttt

tМtМtМ

5,107

203,0105,060105,0

10406010010160

222

0031211

⋅+⋅++⋅

⋅++⋅

+++

⋅

βββ

Номинальная мощность двигателя должна быть

≥М

макс

= 11,2 кВт.

Нагрев двигателя в значительной степени зависит от режима работы

двигателя. Если двигатель работает в продолжительном режиме, то динамиче-

ская составляющая момента обычно мало сказывается на нагреве двигателя, и

определение его мощности можно производить, исходя из статического момен-

та.

Если двигатель работает в режиме частых пусков и остановов, то дина-

мическая составляющая момента может иметь существенное значение. В этом

случае приходится сначала производить предварительный выбор двигателя из

условия М=1,25-1,3М

и затем проверять его на нагрев, пользуясь одним из

приведенных методов. Предварительный выбор двигателя необходим, чтобы

знать его момент инерции для расчета динамической составляющей момента.

Порядок расчета мощности двигателя зависит от режима его работы.

Продолжительный режим S1.

1. Определяется мощность производственного механизма, причем если

нагрузка за время работы изменяется, то определяется

эквивалентная мощность

(момент или ток).

МVF

1010

−−

⋅⋅

(12.6)

где F, М - сила, момент сопротивления, приведенные к валу двигателя,

Н и Нм; V

, ω

- номинальная линейная и угловая скорости механизма и двига-

теля соответственно, м/с, с

-1

; η

– кпд передачи.

2. По каталогу выбирается электродвигатель из условия

РКР

здвн

≥

(12.7)

где Рн.дв - номинальная мощность электродвигателя по каталогу;

=1,05÷1,2 - коэффициент запаса, учитывающий неточности расчета сил со-

противления.

3. Электродвигатель при необходимости проверяется на перегрузочную

способность по условиям пуска

)()(

сздсзмакс

JМКММКМ

+=+≥ (12.8)

где М

, М

- статический и динамический моменты сопротивления, Нм;

- приведенный к валу электродвигателя суммарный момент инерции, кгм

; t

- время пуска.

Асинхронные короткозамкнутые электродвигатели проверяются по

пусковому моменту М

≥ М

с.п

· К

; М

с.п

- момент сопротивления при скорости,

равной нулю.

Кратковременный режим S2

1. Определяется мощность (момент) нагрузки и время работы электро-

двигателя. Если нагрузка за время работы изменяется, то определяется эквива-

лентная мощность (момент).

2. Для некоторых серий электродвигателей указывается допустимая

мощность при стандартных значениях продолжительности рабочего периода

10, 30, 60, 90 минут. Если время работы t

не совпадает со стандартным, выби-

рают двигатель по ближайшему большему значению времени работы. Обяза-

тельна проверка двигателя по перегрузочной способности.

3. Если двигатель рассчитан для продолжительного режима работы, при

кратковременном режиме его можно перегружать. Для количественной оценки

возможности перегрузки используют коэффициент механической перегрузки р

- отношение мощности нагрузки двигателя в кратковременном режиме Р

к но-

минальной мощности в продолжительном режиме

ном

−

где а = K/V

ном

- отношение постоянных потерь к номинальным пере-

менным потерям в двигателе.

Если отношение tp/T

≤0,35, электродвигатель проверяют только по пе-

регрузочной способности.

Повторно-кратковременный режим

1. Определяются мощность (момент), время работы и паузы каждой

операции в цикле.

2. Строятся нагрузочная диаграмма и тахограмма.

3. Если нагрузка переменная, то определяется эквивалентный момент

или ток.

4. Определяется продолжительность включения

∑

⋅

ПВ

100

(12.9)

где:

∑

t ,

∑

t - сумма времени работы и пауз, если в цикле

несколько операций.

5. Если ПВ

=ПВ

ст

, то при соответствующем стандартном ПВ% Выби-

рают электродвигатель из условия Р

н.дв

≥ К

· Р

э.ст

В случае, если расчетная ПВ не соответствует стандартной, то эквива-

лентную мощность приводят к стандартной по формуле

ст

эрстэ

ПВ

РР =

, (12.10)

Задача 12.3. Электропривод работает в повторно-кратковременном ре-

жиме. Цикл работы состоит из 2,5 мин работы с моментом на валу 300 Нм и

скоростью вращения 700 об/мин и паузы продолжительностью 5 мин. Выбрать

для этих условий асинхронный электродвигатель краново-металлургической

серии.

Решение.

1. Продолжительность включения

%3,33

55,2

1005,2

100 =

⋅

пp

ПВ .

2. Мощность на валу

кВтМР 22

700

300 =

⋅

=⋅=

3. Приведем реальное значение мощности к стандартной величине

ПВ

ст

=25%

кВт

ПВ

РР

ст

3,25

3,33

22 ===

Условиям задачи удовлетворяет двигатель типа МТКВ-51108, имеющий

номинальную мощность 28 кВт при ПВ=25%.

Для регулируемых электроприводов после выбора двигателя решается

задача выбора полупроводникового преобразователя: управляемого выпрями-

теля для приводов ТП-Д или преобразователя частоты для приводов ПЧ-АД.

Полупроводниковые преобразователи выбираются, как правило, по току

и напряжению. Особенность выбора преобразователей по току заключается в

том, что полупроводниковые приборы имеют очень малые постоянные времени

нагрева

, вследствие чего, преобразователи должны, как правило, выбираться не

по эквивалентному току двигателя, а по его максимальному значению.

12.5. Основные системы регулируемого электропривода

Важнейшим вопросом при проектировании является выбор типа элек-

тропривода. При этом нужно всегда иметь в виду те преимущества, которые

дает применение регулируемого электропривода: автоматизация процессов,

технологическая гибкость, энергосбережение

и другие.

Развитие систем регулируемого электропривода исторически было свя-

зано с развитием преобразовательной техники. В настоящее время все системы

регулируемого электропривода выполняются на основе силовых полупровод-

никовых преобразователей, построенных на управляемых полупроводниковых

приборах. В таблице 12.2 приведены основные характеристики наиболее рас-

пространенных систем регулируемого электропривода.

Таблица 12.2

Основные системы регулируемого электропривода

Тип регулируемого элек-

тропривода

Мощность

кВт

Номинальная

скорость,

об/мин

Диапазон

регули-

рования

Область использования

1 . Частотно- регулируе-

мый асинхронный

электропривод (ПЧ-АД)

1.1. На базе низковольт-

ных (380В) асинхронных

к.з. двигателей общего

применения и транзи-

сторных преобразовате-

лей частоты

0,5-250 До 3000 20:1

Различные

технологические

машины и оборудова-

ние, насосы,

вентиляторы и др.

1.2. На базе специаль-

ных асинхронных двига-

телей и транзисторных

преобразователей

частоты

1,0-100 До 12000 1000:1

Электроприводы

главного движения

металлорежущих и др.

станков, текстильное

оборудование, цен-

трифуги

1.3. На базе интегриро-

ванных конструкций

(электрошпиндели, элек-

троверетена)

0,1-60 До 50000 400:1

Металлорежущие

станки, текстильное

оборудование, цен-

трифуги

1.4. На базе асинхрон-

ных двигателей напряже-

нием до 6000В и транзи-

сторных преобразовате-

лей частоты

500-3000 До 3000 20:1

Насосы, вентиляторы,

различное технологи-

ческое оборудование

1.5. На базе высоко-

вольтных асинхронных

двигателей и тиристорных

преобразователей частоты

До 8000 До 3000 20:1

Различные техноло-

гические машины и

оборудование, насосы,

турбокомпрессоры,

вентиляторы

2. Вентильный двигатель

(бесщеточная электриче-

ская машина постоянного

тока) - ВД

2.1. На базе синхронных

двигателей с возбу-

ждением от постоянных

магнитов и транзистор-

ных коммутаторов

0,1-50 До 6000

10000:1

и выше

Приводы подач ме-

таллорежущих станков,

роботы и другое высо-

коточное оборудование

2.2. На базе высоко-

вольтных синхронных

двигателей и тиристорных

коммутаторов

400-

10000

До 3000 10:1

Насосы, турбоком-

прессоры, горное и ме-

таллургическое обо-

рудование

3. Электроприводы по-

стоянного тока с питани-

ем от управляемого

полупроводникового

выпрямителя (ТП-Д)

3.1. На базе высокомо-

ментных двигателей

постоянного тока или

транзисторных широтно-

импульсных управляемых

преобразователей

0,5-30 До 1500 10000:1

Электроприводы

металлорежущих и

других станков, различ-

ное высокоточное обо-

рудование

3.2. На базе двигателей

постоянного тока общего

применения и тиристор-

ных преобразователей

1,0-1000 До 1500 100:1

Различное технологи-

ческое оборудование,

краны, подъемные ма-

шины

3.3. На базе двигателей

постоянного тока индиви-

1000-

10000

До 1000 100:1

Металлургическое,

горное и другое тех-

дуального исполнения и

тиристорных преобразо-

вателей

нологическое обору-

дование

4. Асинхронный вен-

тильный каскад (АВК) на

базе асинхронных двига-

телей с фазным ротором и

тиристорных преобразо-

вателей

250-2000 До 1500 2:1

Электроприводы на-

сосов и вентиляторов

10.6. Комплектные электроприводы

Регулируемые электроприводы выпускаются промышленными пред-

приятиями в форме комплектных электроприводов, представляющих собой

конструктивно законченное устройство, содержащее полупроводниковый пре-

образователь, системы управления и регулирования, защитную аппаратуру.

Предполагается, что это устройство будет комплектоваться приводным элек-

тродвигателем.

Выпускается большое число типов комплектных электроприводов. В

данном разделе более подробно рассмотрим два типа

наиболее распространен-

ных электроприводов отечественного производства.

Электроприводы унифицированные трехфазные

серии ЭПУ-1М

Устройства ЭПУ-1М предназначены для управления двигателями по-

стоянного тока мощностью до 250 кВт. Двигатели могут иметь возбуждение от

постоянных магнитов или с электромагнитным возбуждением. В состав ком-

плектного устройства ЭПУ-1М входит тиристорный (нереверсивный или ре-

версивный) управляемый

выпрямитель и полупроводниковая система регу-

лирования. Электроприводы на базе ЭПУ-1М предназначены для применения в

металлорежущих и деревообрабатывающих станках (электроприводы главного

движения и электроприводы подач), для механизмов металлургического произ-

водства, бумагоделательных машин, для машин по производству пленок, пере-

работки пластмасс и для других производственных машин и механизмов, тре-

бующих регулирования скорости

в широком диапазоне.

Структура обозначения устройства

ЭПУ-1М-Х-ХХ-Х-Х-Х-Х

Заполняется следующим образом

Электропривод постоянного тока унифицированной первой модели,

модифицированный

Первая цифра (X) - 1 - нереверсивный; 2 - реверсивный

вторая и третья цифры

- исполнение по номинальному току якоря двигателя: 34-25А; 37-

50А; 39-80А; 40-100А; 43-200А; 46-400А; 48-630А

Четвертая цифра - выпрямленное напряжение: 1-115В; 2-230В; 3-460В

Пятая цифра - напряжение трехфазной питающей сети: 4-220В; 7-380В

Шестая цифра

-Функциональная характеристика:

П - для электроприводов подач с диапазоном регулирования ско-

рости до 10000

Д - для электроприводов главного движения с двухзонным регу-

лированием скорости с диапазоном до 1000

М - с однозонным регулированием с обратной связью по скоро-

сти с

иапазоном

о 1000

Седьмая цифра - климатическое исполнение УХЛ4

Устройство ЭПУ-1М в комплекте с защитной и коммутационной аппа-

ратурой предназначено для встраивания в шкафы управления со степенью за-

щиты IP-21. Конструктивно устройство выполнено в виде моноблока.