Електропривод тема 14 загальні відомості про електропривод
Скачати 421.62 Kb.
|
|
ЕЛЕКТРОПРИВОД ТЕМА 14 ЗАГАЛЬНІ ВІДОМОСТІ ПРО ЕЛЕКТРОПРИВОД Ключові поняття: електропривод (ЕП), зворотний зв'язок, автоматизований ЕП, ЕП нерегульований (стежачий регульований, програмно-керований, адаптивний), ЕП груповий (одиночний, багатодвигуновий), статичний момент, результуючий момент інерції, реактивний (активний) момент опору, усталений (перехідний) режим ЕП, механічна характеристика двигуна (виробничого механізму), жорсткість механічної характеристики, статична стійкість, методи еквівалентних величин, тривалий (короткочасний, повторно-короткочасний) режим роботи двигуна. 14.1. Основні поняття Електричним приводом (ЕП) називається електромеханічний пристрій, призначений для автоматизації робочих процесів. ЕП складається (рис. 14.1) з електродвигуна ЕД, передатного пристрою ПП, перетворювача П і керуючого пристрою КП. В ЕП, залежно від поставлених до нього вимог, використовують двигуни постійного струму незалежного, паралельного, послідовного або змішаного збудження, АД, крокові електродвигуни та ін. Основним завданням електродвигуна в приводі є перетворення електроенергії джерела живлення ДЖ (зокрема, електромережі) на механічну енергію обертового вала (обертовий двигун) або на енергію мас, що переміщаються лінійно (лінійний двигун). Іншими словами, двигун повинен розвивати рухові зусилля: рушійний момент або рушійну механічну силу, які передаються робочому органу РО.  Рис.14.1 - Структурна схема електропривода Електродвигун також здійснює зворотне перетворення механічної енергії обертання або лінійного переміщення, що надходить від робочого механізму, на електричну. В цьому режимі він створює гальмовий момент. У сучасному ЕП двигун надає руху РО через передатний пристрій, що знижує або підвищує частоту обертання (редуктори, клиноремінні передачі та ін.), або змінює вигляд руху (зубчасто-рейкові, кривошипно-шатунні та ін.). Іноді електродвигун безпосередньо з'єднають з робочим механізмом. Важливим елементом ЕП є перетворювач, необхідність якого викликана необхідністю зміни частоти обертання. Як правило, цього домагаються регулюванням напруги і частоти струму, споживаного двигуном. Для роботи двигуна постійного струму треба забезпечити його живленням від джерела постійної напруги. Керуючий пристрій ЕП служить для керування перетворенням електричної енергії на механічну і забезпечення необхідної якості технологічного процесу. Він являє собою сукупність функціонально зв'язаних між собою електромагнітних, електромеханічних, напівпровідникових і інших елементів. До таких елементів належать кнопки керування та командоапарати, реле і контактори, блоки безконтактної автоматики та ін. Сучасні високоточні ЕП містять у своїй системі керування обчислювальні комплекси й ЕОМ спеціального призначення. Керування ЕП здійснюється впливом на перетворювач і електричний двигун керуючих сигналів, які виробляє керуючий пристій (рис. 14.1). Керуючий сигнал може формуватися з урахуванням тільки задаючого сигналу U3 або U3 і сигналів, що надходять від інших елементів привода. Так, на рис. 14.1 показаний окремий випадок, коли на КП надходять сигнали тільки від РО. У випадку, коли керування здійснюється тільки з урахуванням задаючого сигналу и3, ЕП є розімкнутим. Якщо є зв'язки з контрольованими параметрами робочого механізму, ЕП є замкнутим і називається автоматизованим електроприводом. Зв'язки, що забезпечують надходження сигналів на КП від інших елементів, називаються зворотними зв'язками. ЕП залежно від їхніх ознак ділять на класи. Розглянемо, на які класи підрозділяють приводи за видами регулювання. Нерегульованими називають ЕП, швидкість робочих механізмів у яких незмінна. Вони забезпечують виконання найпростіших операцій (пуск, останов, іноді реверсування двигуна). При цьому в сталому режимі частота обертання визначається природною механічною характеристикою і моментом статичного навантаження. Регульованими називають ЕП, в яких частота обертання двигуна здатна змінюватися під впливом сигналу керування. Стежачими називають ЕП, здатні забезпечувати автоматичне перетворення будь-якого не заданого заздалегідь вхідного сигналу на рух виробничого механізму. Програмно-керованими називають ЕП, у яких лінійне або обертове переміщення здійснюється за заданою програмою. Програма являє собою послідовність траєкторій (або законів) руху виробничого механізму, відтворюваних приводом. Адаптивним називають ЕП, здатний здійснювати автоматичний вибір найкращого режиму роботи двигуна шляхом зміни структури і параметрів системи керування. Залежно від способу передачі механічної енергії від двигунів до робочих органів виробничих машин ЕП діляться на три класи: груповий, одиночний і багатодвигуно- вий привод. Груповим називається ЕП, в якому один двигун надає руху за допомогою трансмісій або передач групі робочих машин або групі робочих органів однієї машини. Одиночним називається ЕП, в якому електродвигун надає руху тільки одному робочому органу машини. У ряді випадків електродвигун конструктивно вбудований у механізм так, що утворює з робочим органом єдине ціле. Прикладами електрифікованих робочих органів можуть служити електричні ручні машини (див. тему 18), електроталь, електрошпиндель та ін. Багатодвигуновим називається ЕП, в якому робочі органи однієї машини приводяться до руху декількома електродвигунами. ^ Механічна частина ЕП передає механічну енергію від електричного двигуна до виробничої машини, де ця енергія реалізується в корисну роботу. Конструктивне виконання механічної частини ЕП може бути досить різним, проте, вона містить певні ланки з загальними для різних приводів функціями. Електродвигун як ланка механічної частини привода являє собою джерело або споживач механічної енергії. До механічної частини привода входить лише його обертовий елемент (ротор або якір), який має певний момент інерції, може обертатися з деякою швидкістю і розвивати рушійний або гальмуючий момент. Передатний пристрій здійснює перетворення руху в механічній частині електропривода. За допомогою передатного пристрою може збільшуватися або зменшуватися швидкість, змінюватися вид руху, наприклад, здійснюватися перетворення обертового руху на поступальний та ін. До передавальних механізмів належать редуктори, гвинтові, зубчасто-рейкові або пасові передачі, барабан із тросом, кривошипно-шатунний механізм та ін. Передавальний механізм характеризується коефіцієнтом передачі, що представляє собою відношення швидкості на виході до швидкості на вході, механічною інерційністю і пружністю його елементів, зазорами і тертям у зачетленнях пристрою. Робочий орган виробничої машини реалізує підведену до нього механічну енергію в корисну роботу. Найчастіше він є споживачем енергії. Ця функція робочого органа характерна для механізмів, які здійснюють обробку матеріалів, підйом або переміщення вантажів та ін. При цьому потік механічної потужності спрямований від двигуна до робочого органа. Іноді робочий орган може бути джерелом механічної енергії. У цьому випадку він віддає механічну енергію, яка була накопичена, наприклад при підйомі вантажу, або надійшла до механізму ззовні, наприклад, при вітровому навантаженні на поверхню крана. Потік механічної потужності при цьому спрямований від робочого органа до двигуна. Робочий орган характеризується певною інерційністю, робочим моментом при його обертовому русі або робочим зусиллям при поступальному русі. В кожному конкретному механізмі він має своє конструктивне виконання. Зокрема, на підйомному крані робочим органом є гак, грейфер механізмів підйому, візок, міст механізмів пересування, поворотна платформа механізмів повороту. На підйомнику - це кабіна, кліть, скіп. На екскаваторі-ківш механізмів напору, тяги і підйому одноковшевих екскаваторів, робоче колесо роторних екскаваторів, поворотна платформа механізмів повороту. Передача механічної енергії від вала двигуна до робочого органа або назад пов'язана з втратами в механічних ланках. Причина втрат-тертя в підшипниках, напрямних, зачепленнях та ін. У механічних ланках, які мають пружність, виникають додаткові втрати, обумовлені в'язким тертям у елементах, що деформуються. У результаті цього потік потужності, проходячи від джерела до споживача, поступово зменшується. Очевидно, що втрати механічної енергії покриваються джерелом енергії - двигуном при прямому потоці енергії і робочим органом при зворотному. Робота, яка виконується двигуном або робочим органом, визначається за формулами: де F - сила, Н; М- момент, Нм; ω - кутова швидкість, рад/с; v - лінійна швидкість, м/с.  Механічна потужність визначається як похідна роботи за часом, тобто  Завдання ЕП полягає у виконанні заданих за технологічними вимогами законів руху робочого органа. При цьому найчастіше виходять з того, що закон руху ротора двигуна пропорційний зазначеному закону для робочого органа. Коли вважати, що механічна частина ЕП складається з абсолютно жорстких елементів, що не деформуються і не містять повітряних зазорів, то рух одного елемента подає повну інформацію про рух всіх інших елементів, тобто функціональні залежності, що відповідають законам руху всіх ланок кінематичного кола привода, пропорційні один одному і від руху одного елемента можна перейти по заздалегідь відомому взаємозв'язку між координатами до руху будь-якого іншого елемента. Це дозволяє розглядати рух ЕП на будь-якому одному механічному елементі. Звичайно за такий елемент приймають вал двигуна, і до нього приводять всі зовнішні моменти або сили, а також всі інерційні маси механічних ланок. Для приведення до вала двигуна моменту або зусилля навантаження робочого органа виробничої машини скористаємося балансом потужності в механічній частині привода  де Рс - потужність на валу двигуна; Рро - потужність на робочому органі; ∆Р - потужність втрат у механічних ланках. Якщо для механічної частини привода відомий ККД η, то рівність (14.5) може бути представленою у вигляді  При обертовому русі робочого органа потужність на робочому органі і на валу електродвигуна визначають в такий спосіб:  де ωро - кутова швидкість робочого органа; Мро - момент навантаження на робочому органі; ω - кутова швидкість вала двигуна; Моп - момент опору на валу двигуна, називаний також статичним моментом.  де ір = ω/ ωро — передатне відношення (коефіцієнт) редуктора. Аналогічні співвідношення можуть бути отримані для випадку поступального руху робочого органа. Потужність на робочому органі  де Fpo - зусилля навантаження на робочому органі; vро - лінійна швидкість руху робочого органа.  де ρ = v/ω - радіус приведення зусилля навантаження до вала двигуна. Величина Моп, обумовлена співвідношенням (14.9), називається моментом опору (або статичним моментом), приведеним до вала двигуна. Значення ip і ρ визначають за конструктивними параметрами передавальних механізмів. Зміст приведення інерційних мас і моментів інерції механічних ланок до вала двигуна полягає в тому, що ці маси і моменти інерції замінюються одним еквівалентним моментом інерції J на валу двигуна. Умовою приведення є рівність кінетичної енергії, обумовленої еквівалентним моментом інерції, сумі кінетичних енергій всіх елементів механічної частини привода, що рухаються. ^ Прикладами обертових елементів у механічній частині привода можуть служити, крім роторів двигунів, сполучні муфти, гальмові шківи, барабани, поворотні платформи екскаваторів і кранів. До елементів, що рухаються поступально, належать мости, візки і вантажі кранів, конвеєрів та ін. ^ При вивченні руху ЕП виникає необхідність визначення різних механічних величин - шляху і кута повороту, швидкості і прискорення, а також моментів і сил, що викликають рух і визначають його характер. Рух ЕП визначається дією двох моментів: моменту, що розвивається двигуном, і моменту опору. Залежно від причини, що обумовлює виникнення моменту опору, розрізняють реактивний і активний моменти опору. Реактивний момент опору з'являється тільки внаслідок руху - це протидіюча реакція механічної ланки на рух, наприклад, моменти тертя, що виникають в обертових елементах та ін. Реактивний момент спрямований завжди проти руху, тобто має знак, протилежний знаку швидкості. Елемент, що створює реактивний момент, може бути тільки споживачем енергії. Активний момент опору з'являється незалежно від руху електропривода і створюється сторонніми джерелами механічної енергії. Це, наприклад, момент, обумовлений вагою переміщуваного по вертикалі вантажу, момент, створюваний силою вітру. Напрямок активного моменту не залежить від напрямку обертання, тобто знак активного моменту не зв'язаний із знаком кутової швидкості. При зміні напрямку обертання знак цього моменту зберігається. Джерело, що створює активний момент, може як споживати, так і віддавати енергію. У системах ЕП основним режимом роботи електричної машини є режим двигуна. При цьому момент опору має гальмуючий характер відносно руху ротора і діє назустріч моменту двигуна. Тому позитивний напрямок моменту опору приймають протилежним позитивному напрямку моменту двигуна і основне рівняння руху ЕП має вигляд  У рівнянні (14.10) моменти є алгебраїчними, а не векторними величинами, оскільки обидва моменти М і Моп діють відносно тієї ж самої осі обертання. Праву частину рівняння (14.10) називають динамічним моментом Мдин, тобто  де момент інерції — визначається як  де r - відстань від осі симетрії, m - маса тіла. З рівняння (14.11) випливає, що при М = Моп швидкість обертання електропривода буде незмінною (ω=соnst), а динамічний момент відсутній, тому що  .Такий режим називається сталим.  При М > Моп маємо , що відповідає прискоренню двигуна. Динамічний момент в цьому випадку спрямований протилежно моменту двигуна, обмежуючи прискорення. Якщо М < Моп, то , і двигун уповільнюється.   Динамічний момент при цьому діє згідно з моментом двигуна. Режим роботи ЕП при швидкості обертання, що змінюється , називається перехідним. Перехідний режим має місце при пуску, гальмуванні, зміні навантаження, регулюванні швидкості та ін. Тривалість перехідного режиму залежить від моменту інерції мас, що рухаються. На підставі рівняння руху (14.11) може бути вирішене важливе практичне завдання про залежність швидкості від часу в перехідному режимі або про час перехідного режиму ЕП:  Однак для його розв'язання необхідно знати залежності момента двигуна М і момента опору Моп від кутової швидкості вала двигуна а, які визначаються механічною характеристикою двигуна (див. підрозділи 10.5 і 11.8) і механічною характеристикою робочого механізму, характер якої визначається винятково властивостями виробничого механізму (див. підрозділ 14.4). Для випадку поступального переміщення робочого органа (лінійний електропривод) основне рівняння руху ЕП має вигляд  де F - сила, створювана електродвигуном; Fст - сила статичного опору; Fдин - динамічна сила; m - маса тіл, що рухаються поступально; а - прискорення. У виразі (14.14) динамічна сила Рдин залежить від маси m частин, що рухаються, і ступеня зміни швидкості їхнього переміщення, що виражається прискоренням а. ^ При розгляданні роботи електродвигуна, що приводить до дії виробничий механізм, необхідно насамперед виявити відповідність механічних характеристик двигуна характеристиці виробничого механізму. Механічною характеристикою виробничого механізму називають залежність між швидкістю і приведеним до вала двигуна моментом опору механізму ω = f(Моп). Механічні характеристики виробничих механізмів ділять на наступні групи. Механічна характеристика, в якої момент опору Моп не залежить від швидкості (пряма 1 на рис. 14.2). Таку характеристику мають, наприклад, підйомні крани, лебідки та ін. Сюди ж можуть бути віднесені з певним наближенням всі механізми, де основним моментом опору є момент тертя. Лінійно зростаюча механічна характеристика (пряма 2 на рис. 14.2). В цьому випадку момент опору лінійно залежить від швидкості ω, збільшуючись з її зростанням. Нелінійно зростаюча (параболічна) механічна характеристика (крива 3 на рис. 14.2). Момент опору Моп тут залежить від квадрата швидкості. Механізми, які мають таку характеристику, називають іноді механізмами з вентиляторним моментом, оскільки у вентиляторів момент опору залежить від квадрата швидкості. До механізмів, які мають таку механічну характеристику, належать також відцентрові насоси, гребні гвинти, екскаватори та ін. Як вже відзначалось в розділі 10.5, під механічною характеристикою електродвигуна розуміють залежність його кутової швидкості від обертового моменту, тобто ω = f(М). Для електродвигунів є характерним зниження швидкості обертання при зростанні моменту навантаження. Однак ступінь зміни швидкості із зміною моменту у різних двигунів різна і характеризується показником, що називають жорсткістю. Під жорсткістю механічної характеристики електропривода розуміють відношення різниці електромагнітних моментів, що розвиваються елек- тродвигуновим пристроєм, до відповідної різниці кутових швидкостей електропривода. Тобто жорсткість в визначається співвідношенням  Звичайно на робочих ділянках механічні характеристики двигунів мають від'ємну жорсткість β < 0. Лінійні механічні характеристики мають постійну жорсткість. У випадку нелінійних характеристик їхня жорсткість не постійна і визначається в кожній точці як похідна моменту за кутовою швидкістю  Поняття жорсткості може бути застосоване і до механічних характеристик виробничих механізмів. Ці характеристики можна оцінювати жорсткістю  Механічні характеристики електродвигунів можна розділити на чотири категорії:
Якщо є механічні характеристики двигуна і виробничого механізму, неважко знайти точки (М, ω), що характеризують сталий режим. Для цього досить скласти графічно за моментом дві характеристики. Отриману в результаті криву називають спільною характеристикою електродвигуна і виробничого механізму. Там, де спільна характеристика перетинає вісь частоти обертання ω, буде точка сталого режиму, в якій сума моментів двигуна і механізму дорівнює нулю. Отже відповідно до виразу (14.10) частота обертання в часі змінюватися не буде. На рис. 14.4 як приклад наведені механічні характеристики двигуна 1, механізму подачі токарного верстата 2 і крива спільної характеристики 3. Спільна характеристика перетинає вісь ω у точці з частотою обертання ω', де момент дорівнює нулю. Отже при цій частоті обертання виконується умова (14.10) і здійснюється сталий режим. Використовуючи характеристики 1 і 2, неважко визначити момент М'дв, що розвивається електродвигуном, і М'вм виробничого механізму в цьому режимі. Умова (14.10) виконується, якщо абсолютне значення М дорівнює Мвм. Отже, якщо в механічній характеристиці виробничого механізму перед моментом опустити знак мінус, точка сталого режиму виявиться там, де перетнуться знову отримана характеристика і механічна характеристика двигуна. Графічно перехід від від'ємних моментів статичного опору до додатного полягає в дзеркальному відбитті кривої 2 відносно осі ω у першому квадранті. На рис. 14.4 цією характеристикою є крива 4 і, отже усталений режим відображається точкою А з координатами М'дв, ω` Роботі електричного двигуна і виробничого механізму в сталому режимі відповідає рівновага моменту опору механізму і обертового моменту двигуна при певній швидкості, тобто Моп = М. Зміна моменту опору на валу двигуна приводить до того, що швидкість двигуна і момент, який він розвиває, можуть автоматично змінюватися, і привод буде продовжувати стійко працювати при іншій швидкості з новим значенням моменту. В електричних двигунах роль автоматичного регулятора може виконувати ЕРС двигуна. Нехай М = М1 і двигун працює із швидкістю ω1. Із збільшенням навантаження двигун гальмується, швидкість його знижується, завдяки чому зменшується ЕРС. При зменшенні ЕРС зростають струм у якірному колі двигуна і момент, що розвивається двигуном. Зростання моменту двигуна триває доти, поки не наступить рівновага моментів М = М2, що відповідає новій швидкості ω2. Розглянуті умови роботи електропривода в сталому режимі характеризують статичну стійкість привода, коли зміна в часі швидкості і моменту відбувається відносно повільно на відміну від динамічної стійкості, що має місце при перехідних режимах. ^ розуміють такий стан сталого режиму роботи привода, коли при появі випадкового відхилення швидкості від сталого значення привод повернеться до точки сталого режиму. При нестійкому русі будь-яке, навіть найменше, відхилення швидкості від сталого значення приводить до зміни стану привода - він не повертається до точки сталого режиму.  Рис.14.4 - Спільна характеристика електродвигуна і виробничого механізму Привод є статично стійким, якщо в точці сталого режиму виконується умова  Умова (14.18) означає, що привод статично стійкий, якщо при позитивному збільшенні кутової швидкості момент двигуна виявиться меншим за статичний момент (момент опору) і привод внаслідок цього загальмується до колишнього значення швидкості. При негативному збільшенні кутової швидкості момент двигуна виявиться більшим за момент опору, і привод внаслідок цього розженеться до колишнього значення швидкості. При постійному моменті навантаження (пряма 1 на рис. 14.2) статична стійкість буде визначатися тільки жорсткістю механічної характеристики двигуна, тому що Якщо вона від'ємна, то робота в сталому режимі стійка   Звичайно при проектуванні електропривода механічна характеристика виробничого механізму відома. Тому для одержання усталеної роботи в сталому режимі для певних швидкостей і моментів опору виробничих механізмів необхідно підбирати механічну характеристику електродвигуна відповідної форми. Це може бути досягнуте шляхом підбору електродвигуна відповідного типу і зміною електричних параметрів його кіл. ^ Вибір двигуна при проектуванні ЕП є важливим етапом. Ніякі елементи системи керування або зворотних зв'язків не здатні забезпечити необхідні обертові моменти, потрібні швидкості і прискорення механізму, якщо двигун, основний силовий вузол привода не створює для цього умов. Правильний вибір двигуна визначається як економічними, так і технічними вимогами до його параметрів і показників. Насамперед, при виборі віддають перевагу найбільш простим, дешевим і надійним двигунам - асинхронним і синхронним. Якщо ці машини не можуть задовольнити технічним вимогам, вибирають двигуни постійного струму. До вимог, що ставляться до параметрів двигуна, належать: номінальна напруга, що відповідає напрузі мережі; потужність, що забезпечує подолання моментів опору при необхідних швидкостях і прискореннях; перевантажувальна здатність, що забезпечує роботу привода при короткочасних навантаженнях; діапазон зміни швидкості при регулюванні, що відповідає вимогам технологічного процесу та ін. Найбільш істотним параметром, за яким вибирають двигун, є потужність. Машина вважається обраною правильно за потужністю, якщо вона виконує необхідні функції і не перегрівається. Розглянемо фізичний зміст вибору двигуна за потужністю. Істотною частиною конструкції будь-якої електричної машини є ізоляційні матеріали, які мають фізико-хімічні властивості, що дозволяють ізолювати окремі провідники обмоток один від одного. Якщо ізоляційні матеріали втрачають свої властивості, відбувається закорочення окремих ділянок обмоток, і машина виходить з ладу. Ізоляційні матеріали втрачають свої діелектричні властивості, якщо їхня температура виявляється вище за гранично припустимою температуру. Здатність матеріалів зберігати свої властивості при гранично припустимій температурі називається нагрівостійкістю. Якщо в процесі роботи двигуна з ізоляцією відповідного класу нагрівос- тійкості температура його нагрівання виявиться меншою (або рівною) гранично припустимій температурі цього класу, двигун буде працювати в нормальних умовах. Якщо ж температура двигуна виявиться вище гранично припустимої, ізоляція починає втрачати свої діелектричні властивості і виходити з ладу. Після підключення електричної машини до джерела живлення по її обмотках проходить струм, перемагнічується сталь і відбуваються інші фізичні процеси, в результаті яких частина електричної і механічної енергії, що називається втратами ∆Р, перетворюється на теплову. Деяка кількість теплової енергії віддається до навколишнього середовища, а інша витрачається на нагрівання двигуна. У перший момент часу після підключення до джерела живлення двигун інтенсивно нагрівається, потім цей процес уповільнюється. Нарешті наступає період, коли зміна температури двигуна τ практично не відбувається (рис .14.5). Слід зазначити, що коли мова йде про нагрівання або охолодження електричних машин, то звичайно замість дійсної температури користуються відносною величиною, перевищенням температури τ, що представляє різницю температур машини і навколишнього середовища. З деяким допущенням характеристика нагрівання електричної машини має вигляд експоненти (рис. 14.5). Як видно з рисунка, перевищення температури τ прагне до максимального значення τ= τст.  Електрична машина не перегрівається протягом тривалого часу, якщо її стале значення перевищення температури τст менше (або дорівнює) припустимого τc.t≤τприп Дотепер розглядався випадок, коли момент навантаження, а отже, і потужність, що розвивається двигуном, не змінюються в часі. Якщо ці величини збільшити, зросте стале перевищення температури двигуна, оскільки збільшаться струми, що проходять по обмотках, отже зростуть втрати. У випадках, коли момент навантаження перевищує припустимі для двигуна значення, збільшується потужність, споживана двигуном, і, в результаті збільшення втрат у двигуні, τст може перевищити τприп і двигун почне перегріватися. Межею збільшення навантаження є номінальна потужність двигуна, тобто якщо в процесі роботи двигун розвиває потужність, яка не перевищує номінальної, то завод-виготовлювач гарантує його нормальну роботу без перегріву. При навантаженні двигуна можна орієнтуватися також на номінальний струм і номінальний момент двигуна. Струм і момент двигуна не повинні перевищувати його номінальних значень. Це справедливо, якщо температура навколишнього середовища відповідає 40°С. Саме на таку температуру навколишнього середовища орієнтуються при теплових розрахунках двигуна в процесі його конструювання. При постійному навантаженні для вибору електродвигуна досить визначити потужність на валу виробничого механізму і вибрати за каталогом двигун тієї ж номінальної потужності або найближчої більшої. При змінному навантаженні вибір двигуна ускладнюється. В цьому випадку використовують навантажувальну діаграму, яка визначає графічну залежність потужності опору робочого механізму від часу, а також навантажувальні діаграми потужності, втрати потужності і струму двигуна. Вибір двигуна полягає в наступному. Відому з навантажувальної діаграми змінну потужність Р(t) механізму (рис. 14.6) замінюють постійною середньою потужністю, обчисленою за цикл tц за формулою  Потім ^ сер множать на коефіцієнт запасу k3= 1,14÷1,3; Р'сер = Рсер Далі за Р'сер вибирають двигун, будують для нього одну з навантажувальних діаграм і виконують перевірочний розрахунок. Для більш точного вибору двигуна використовують метод середніх втрат. Для цього методу беруть діаграму потужності двигуна, що відрізняється від навантажувальної діаграми потужності виробничого механізму появою динамічного моменту при зміні швидкості привода. Дійсно, у перехідних режимах потужність двигуна затрачується не тільки на подолання статичного моменту опору, але і на подолання динамічного моменту. Звичайно цією відмінністю знехтують, а для методу середніх втрат використовують діаграму виробничого механізму. Спочатку для кожної ділянки навантажувальної діаграми з постійною потужністю за допомогою характеристики ККД η(Р) визначають втрати двигуна ∆Р, а потім середні втрати для всієї навантажувальної діаграми за виразом  де ∆Р1 ÷∆Р6 - втрати на ділянках 1 ÷ 6 діаграми; t1 ÷ t6 - час ділянок 1 ÷ 6 діаграми (рис.14.6). Далі визначають номінальні втрати ∆Рном за номінальною потужністю двигуна і ηнom у номінальному режимі і порівнюють значення ∆Рном і ∆Рсер. Якщо ∆Рном ≥ ∆Рсер, вважають, що τст ≤ τприп, і двигун обраний правильно. Якщо ∆Рном < ∆Рсер, необхідно вибрати з каталогу наступний двигун найближчої більшої потужності і повторити розрахунок. Також використовують менш точні, але більш прості методи еквівалентних величин: струму, моменту і потужності.  В кожному з цих методів з побудованої для попередньо обраного двигуна діаграми визначають значення еквівалентної величини (струму, моменту або потужності) за наступними виразами:  Отримані значення еквівалентних величин порівнюють з відповідними номінальними значеннями. Якщо вони виявляється не менше еквівалентних, двигун за потужністю обраний правильно. Необхідно пам'ятати, що правильно обраний двигун за потужністю може бути непридатним для використання у приводі, якщо його перевантажувальна здатність незадовільна. Перевірку двигуна за припустимим перевантаженням у методі еквівалентного струму виконують за виразом  де ^ mах - максимальне значення струму при змінному навантаженні; λi - припустимий коефіцієнт перевантаження двигуна за струмом (для двигунів постійного струму загального призначення λi = 2 ÷ 2,5; для спеціальних двигунів він може бути більшим). Якщо умова (14.25) не виконується, необхідно вибрати за каталогом наступний двигун більшої потужності і перевірити його тільки за перевантажувальною здатністю. При виборі асинхронного двигуна необхідно перевірити, щоб його максимальний момент був більшим за найбільший момент навантажувальної діаграми. Для двигунів постійного струму незалежного або паралельного збудження, а також асинхронних і синхронних може бути застосований кожний з розглянутих методів. Для двигунів постійного струму послідовного і змішаного збудження придатний тільки метод середніх втрат і метод еквівалентного струму. Ми розглянули вибір двигуна при тривалому режимі роботи, коли температура двигуна встигає досягти сталого значення. Але двигун може також працювати у короткочасному режимі, коли за робочий період він не встигає нагрітися до сталого значення, а за час відключення встигає охолонути до температури навколишнього середовища. У короткочасному режимі двигун необхідно навантажувати потужністю вище за номінальну, щоб він був повністю використаний за нагрівом. Максимальне дозування навантаження здійснюють з умови τmах < τприп. Двигуни загального призначення використовувати в короткочасному режимі недоцільно, тому що вони мають невисоку перевантажувальну здатність і вимагають завищеної потужності. Для короткочасних режимів промисловість випускає спеціальні двигуни з підвищеною перевантажувальною здатністю і вказівкою номінальної нормованої тривалості роботи (10, 30, 60 і 90 хв). Вибір двигуна здійснюють так само, як і в тривалому режимі, використовуючи номінальні дані, що відповідають дійсному часу роботи. Якщо час роботи відрізняється від нормованого, реальні параметри двигуна (потужність, струм, момент) приводять до найближчого обраного нормованого часу. Існує ще один режим роботи двигуна - повторно-короткочасний, при якому робочі періоди (tр) чергуються з паузами (tп); причому в робочий період двигун не встигає нагрітися до сталої температури, а в період паузи - охолонути до температури навколишнього середовища. Повторно-короткочасний режим характеризується відносною тривалістю включення, що визначається як  Для повторно-короткочасного режиму так само, як і для короткочасного, випускають спеціальні двигуни з підвищеними пусковими моментами. Нормована відносна тривалість включення таких двигунів 15, 25, 40, 60%. При цьому враховується, що час циклу не перевищує 10 хв, у противному випадку режим вважають тривалим. У каталогах для двигунів повторно-короткочасного режиму вказують їхні номінальні дані для кожного нормованого (стандартного) значення ПВст. Вибір двигуна виконують так само, як і для тривалого режиму, використовуючи номінальні дані для відповідного значення ПВст. Якщо дійсна тривалість включення (ПВ) відрізняється від стандартної (ПВст), двигун вибирають за номінальними даними, відповідними найближчому ПВст. При цьому реальні параметри двигуна (потужність, струм, момент) приводять до обраного значення ПВст. Контрольні запитання з теми 14
Задачі до теми 14 і приклади їхнього розв'язання Задача 14.1. Електродвигун навантажений постійним моментом опору Моп, який не залежить від швидкості. Сумарний приведений момент інерції J. Визначити час розгону двигуна до номінальної швидкості пн із стану спокою, якщо середній обертовий момент двигуна під час розгону М. Вихідні дані наведені в таблиці 14.1.  Розв'язання задачі для варіанта К. Для визначення часу розгону скористаємося рівнянням руху електропривода (14.13), з якого випливає   Номінальне значення кутової швидкості визначимо в такий спосіб:  Підставляючи значення ωн в (14.27), одержимо час розгону '  Задача 14.2. Визначити приведені до вала двигуна М момент статичного опору і момент інерції механізму піднімальної лебідки з вантажем (рис. 14.7). Відомі: вага вантажу G, швидкість підйому вантажу V, швидкість обертання двигуна n, момент інерції двигуна Jд, момент інерції муфти і механізму лебідки Jмех, ККД лебідки ηлеб. Вихідні дані наведені в табл.14.2.  Розв'язання задачі для варіанта К. Приведений момент інерції елементів, що переміщаються поступально, визначається з рівності  Визначимо кутову швидкість двигуна й масу вантажу   Тоді момент інерції вантажу, що переміщається поступально  Сумарний приведений момент інерції Приведений статичний момент опору на валу двигуна відповідно до (14.9) дорівнює   Визначимо ρ за формулою  . Задача 14.3. Механізм працює в тривалому режимі за графіком навантаження. Вибрати для даного привода асинхронний короткозамкнений двигун серії АТ. Швидкість обертання п, тривалість ступенів навантаження t, та відповідні величини моменту навантаження М, наведені в табл. 14.3.  Розв'язання задачі для варіанта К. На рис. 14.8 показаний графік моменту навантаження. Визначимо еквівалентний момент навантаження  Еквівалентна потужність двигуна визначається за формулою  Змінами швидкості двигуна при змінах навантаження зневажаємо. За каталогом приймаємо двигун АТ63-6, Рн = 10 кВт; n = 980 об/хв, η= 87%, Мк/Мн = 2,2, Мп/Мн = 1,4. Зробимо перевірку за перевантажувальною здатністю і пусковим моментом:    За перевантажувальними і пусковими властивостями двигун підходить. Задача 14.4. Користуючись каталогом, вибрати асинхронний короткоза- мкнений двигун для піднімального механізму, що працює в повторно- короткочасному режимі за графіком навантаження. Швидкість обертання n, тривалість ступенів навантаження t, та відповідні величини потужності навантаження Р наведені в табл. 14.4. Розв'язання задачі для варіанта К.  Графік навантаження показаний на рис. 14.9. Визначимо еквівалентну потужність за робочий період  Фактична тривалість включення   Перерахуємо еквівалентну потужність на стандартне значення ПВ2=25%  За величиною Рекв'=3,46 кВт з каталогу вибираємо асинхронний коротко-замкнений двигун кранової серії типу МТК12-6, для якого при ПВ = 25% Рн = =3,5 кВт, п = 883 об/хв:  Обраний двигун підходить також за перевантажувальними і пусковими властивостями |
