Теорія електропривода: Підручник / М. Г. Попович, М. Г. Борисюк, В. А. Гаврилюк та ін.; За ред. М. Г. Поповича. – К.: Вища шк., 1993. – 494 с. 3 страница

1. Определить параметры дискретизации для контроля энергоэффективности электропривода.

2. Обосновать и предложить систему ведения базы данных.

3. Исследовать и разработать методы определения сферы экономической работы и ее границ для любых технологических процессов на базе электропривода.

4. Разработать и исследовать технические средства контроля энергоэффективности электропривода.

Сегодняшнее состояние развития технических средств позволяет решить эти задачи на аппаратном уровные с помощью микроконтроллеров. Микроконтроллер должен содержать энергетическую модель электромеханического устройства, которое учитывает четыре составляющих: сеть, преобразовательное устройство, двигатель и технологический механизм в плоскостях потребления энергии, ее использования и энергоуправления.

Основные расходы при разработке таких микропроцессорных систем приходятся не на создание аппаратной части контролера, а на разработку программного обеспечения.

Применение программных алгоритмов контроля и анализа эффективной работы контролируемой системы позволяет создать универсальную конструкцию микропроцессорного устройства контроля. При этом для конкретного применения изменяются только настройки программы (программные решения разрешают легко адаптировать систему к конкретной задаче) и набор датчиков.

Появление развитых сетевых интерфейсов, встроенных в современные микроконтроллеры, позволяет решить задачу обмена информацией между контролерами и персональным компьютером в реальном времени и объединить нескольких контролеров в локальную сеть, что очень важно при комплексной автоматизации производства. Перспективные системы контроля и анализа электроприводов должны разрабатываться с ориентацией на комплексную автоматизацию технологических процессов и согласованную работу нескольких приводов в составе промышленной сети.

К микроконтроллеру поступает информация от технологических датчиков. В общем случае измеряются следующие физические величины:

- электрические (ток, напряжение, мощность);

- механические (момент, скорость, перемещение);

- технологические (давление, производительность).

Асинхронные двигатели , как правило, рассчитанные на срок службы 15-20 лет без капитального ремонта при условии их эксплуатации согласно номинальным параметрам. Однако в реальной жизни имеет место значительное отклонение от номинальных режимов эксплуатации. Это, прежде всего, низкое качество напряжения питания и нарушение правил технической эксплуатации: технологические перегрузки, условия окружающей среды (повышенные влажность, температура), снижение сопротивления изоляции, нарушение условий охлаждения.

Применение инструмента контроля и анализа позволяет осуществлять предупредительное обслуживание электроустановки. Насыщенность парка электрическими машинами, которые были в ремонте, определяет довольно высокие расходы на ремонт электрооборудования. В результате аварий ежегодно выходят из строя до 10 % используемых электродвигателей. Это приводит к серьёзным авариям и значительному материальному ущербу из за простоя оборудования, затрат на устранение последствий аварий и ремонт электродвигателя, который вышел из строя. Ремонт электрической машины мощностью до 1 кВт стоит 250-300 грн. Кроме этого, работа на аварийных режимах приводит к повышенному энергопотреблению и увеличению потребляемой реактивной мощности.

Переход к цифровым системам мониторинга привода на базе специализированных микроконтроллеров позволяет обеспечить новый, существенно более высокий уровень энергоэффективности. Преимущества такого подхода состоят в следующем:

- создается система постоянного контроля энергоэффективности;

- создается история состояния и поведения системы; это позволяет выявить тенденции, которые формируются, для проведения предупредительных профилактических мероприятий. В частности, например, предупреждение незапланированных остановок является крайне важной ресурсосберегающей задачей. Также предупредительное обслуживание содействует снижению суммарного времени простоя критически важного оборудования;

- информируется ответственный персонал в режиме реального времени об уже существующих и возникающих проблемах путем получения сообщений на терминалы персональных компьютеров;

- повышается надежность и срок службы привода (до 20 лет и более);

- быстро и качественно привод интегрируется в систему комплексной автоматизации производства с помощью унифицированных интерфейсов соединения с системами управления более высокого уровня;

- формируются достоверные данные для принятия таких ответственных решений, как приобретение нового оборудования, планирование расширения системы;

- обеспечивается местная и дистанционная диагностика, т.е. встроенный и отдаленный по сети мониторинг состояния привода;

- существует возможность предупреждения аварийных ситуаций в технологическом оборудовании. Данные, собранные в ходе мониторинга, помогают поставить точный диагноз причин, приводящих к аварии.

Литература: 1, с. 450-453; 3, с. 301.

СРС: Привести примеры энергосбережения средствами электропривода

Литература: 1, с. 450-453; 3, с. 301.

Контрольные вопросы:

1. Приведите основные пути энергосбережения в ЕМС.

2. Объясните механизм энергосбережения в конвейерных установках.

3. Объясните механизм энергосбережения в центробежных механизмах с управлением скоростью.

4. Поясните, в чем суть энергетического менеджмента.

5. Чем обусловлена высокая эффективность энергетического менеджмента.

ЛЕКЦИЯ 6

Тема 1.2. Нагрев и номинальные режимы работы электродвигателей

Правильный выбор мощности электродвигателя обеспечивает надежную и экономичную работу приводимого механизма. Основным требованием при выборе электродвигателя является соответствие его мощности условиям технологического процесса. При выборе двигателя заниженной мощности, снижается производительность приводимой машины, возникает повышенный нагрев двигателя, что приводит к быстрому старению изоляции и выходу двигателя из строя.

При завышении мощности двигателя увеличиваются первоначальные капитальные затраты, а также потери энергии за счет снижения КПД двигателя. Для асинхронных двигателей при снижении нагрузки ухудшается также и коэффициент мощности ( ) , что приводит к дополнительной непроизводительной загрузке питающей сети и генераторов электростанций.

Мощность электродвигателей выбирают из условия обеспечения нормального теплового режима двигателя в процессе работы и допустимой кратковременной перегрузки. Для асинхронных двигателей двигатель должен также иметь достаточный пусковой момент, чтобы обеспечить пуск и не затянуть время пуска.

Нагрев и охлаждение электродвигателей.

Изучение характера нагрева и охлаждения ЭД позволяет провести анализ распределения тепловых потоков в ЭД во времени, выявить условия и характер нагрева ЭД, рационально выбрать ЭД по мощности из условий его нагрева.

Нагрев двигателя происходит за счет потерь, которые возникают в нем при преобразовании электрической энергии в механическую. Электрические потери (в меди) вызывают нагрев обмоток, магнитные потери - нагрев стали ротора, статора, якоря, полюсных наконечников; механические - подшипников, щеток коллектора, поверхности якоря или ротора - всех частей, где происходит трение.

Особое значение имеет нагрев изоляции обмоток. Мощность двигателя должна быть выбрана такой, чтобы он всегда работал при температуре, допустимой для класса изоляции, используемой в данном двигателе. Перегревание обмоток на 8-10 градусов выше допустимой температуры изоляции вызывает интенсивное ее старение и снижение срока службы некоторых видов изоляции в два раза. Недопустимым является даже кратковременное превышение предельно допустимой температуры для данного класса изоляции, поскольку это приводит к ее разрушению.

Электроизоляционные материалы по нагревостойкости делятся на несколько классов. Материалы класса А имеют предельно допустимую температуру 105 С (пропитанная маслом хлопчатобумажная ткань, волокнистые материалы из целлюлозы и шелка). Класс H - свыше 180 С (слюда, керамика, стекло, асбест без вяжущих составов). Новые классы – 200, 220, 250 имеют такую же предельно допустимую температуру.

В процессе работы двигателя происходит непрерывный износ и старение изоляции, вызываемый ее нагревом. Скорость износа определяется температурным режимом двигателя. Под допустимым тепловым режимом ЭД понимают такой режим, при котором срок службы изоляции будет не менее заданного. Срок службы изоляции (Т) экспоненциально уменьшается с ростом ее температуры:

где R – постоянный коэффициент;

– температура изоляции;

– функция, определяемая классом изоляции.

Чем выше класс изоляции, тем больший ток можно пропустить через обмотки, а соответственно и большую мощность будет иметь двигатель при прочих равных условиях. Таким образом, номинальная мощность ЭД зависит от ее тепловой нагрузки, т.е. от допустимой температуры обмоток.

Тепловая модель электродвигателя.

Конструктивно электрические машины изготавливают из материалов, имеющих существенно различную теплоемкость и теплопроводность. Неоднородность тепловых свойств объема машины и неравномерность распределения источников теплоты приводит к сложному распределению температуры по объему машины. Поэтому тепловая модель электродвигателя получается достаточно сложной.

При исследовании тепловых процессов с целью упрощения принимают следующие допущения: двигатель рассматривается как однородное тело, которое нагревается равномерно. Теплоотдача во внешнюю среду пропорциональная первый степени разности температур двигателя и среды. Теплоемкость двигателя и его коэффициент теплоотдачи не зависят от температуры двигателя.

При работе ЭД часть тепловой энергии, которая выделяется в двигателе, отдается в окружающую среду, а другая часть аккумулируется в двигателе, повышая его температуру.

Уравнение теплового баланса.

Уравнение теплового баланса двигателя при продолжительной неизменной нагрузке имеет вид;

(1.18)

где Q – общее количество теплоты, которая выделяется в двигатель за единицу времени [Дж/с] - это есть мощность потерь (∆Р [Вт]);

А – теплоотдача двигателя - количество теплоты, которое выделяется в окружающую среду, в единицу времени при разности температур в 1 С [Дж/с*град] (пропорциональна площади поверхности и зависит от вентиляции ЭД);

С – теплоемкость двигателя - количество тепла, необходимое для повышения температуры двигателя на 1 С [Дж/град] (пропорциональна объему двигателя)

τ = tдв-tср – превышение температуры двигателя tдв над температурой окружающей среды tср.

Стандартно температура окружающей среды принимается равной t_ср= 40ºС.

Разделив обе части (8.1) на Adt получим линейное дифференциальное уравнение первой степени относительно перегрева τ:

(1.19)

Обозначив через Т_н постоянную времени нагрева:

(1.20)

и установившееся превышение температуры, когда температура двигателя уже не повышается , получим дифференциальное уравнение первого порядка в канонической форме:

(1.21)

Решением уравнения (1.21) будет выражение:

(1.22)

где τ₀– начальное значение превышения температуры, при t=0.

Как вытекает с (1.22) нагрев двигателя происходит по экспоненте с постоянной времени Тн.

Физический смысл постоянной времени нагрева - время, за которое, двигатель достиг бы установившейся температуры, если бы отдача тепла в окружающую среду отсутствовала А=0).

Теоретически процесс нагрева ЭД длится бесконечно долго, а практически заканчивается через ( 4-5) Т_н (погрешность при этом не превышает 1-2%).

Постоянная нагрева реальных ЭД - Т_н составляет от нескольких минут до нескольких часов. Ее можно определить по экспериментально снятой кривой нагрева двигателя, проведя подкасательную в любой точке кривой нагрева ЭД, или как время нагрева ЭД до уровня 0,632 τ_y(рис.1.18 )

Рис. 1.18 Определение постоянной времени нагрева.

Выражение (8.3) может использоваться для исследования как процесса нагрева двигателя так и его охлаждения. Необходимо лишь подставить соответствующие значения τ₀ и τ_y.

Для двигателя с самовентиляцией постоянная времени охлаждения в 2-3 раза больше чем постоянная времени нагрева из-за ухудшения условий теплоотдачи при остановке двигателя.

При переменной нагрузке температура двигателя непрерывно изменяется. Уравнение (1.22) позволяет рассчитать кривую нагрева ЭД при изменении нагрузки. Прямой метод проверки ЭД по нагреву заключается в расчете по (1.22) кривой нагрева ЭД, определение из нее значения максимального перегрева τ_max и проверки условия:

где τ_доп– допустимый перегрев для данного класса изоляции обмотки двигателя.

На практике для проверки двигателей по нагреву используют менее точные, но существенно более простые инженерные методы расчета.

Литература: 1, с. 453-457; 4, с. 304-305.

СРС: Получить решение уравнения теплового баланса.

Литература: 1, с. 453-457; 4, с. 304-305.

Контрольные вопросы:

1.Приведите уравнение теплового баланса.

2.Что показывает теплоотдача двигателя.

3.Что показывает теплоемкость двигателя .

4.Чему равняется постоянная времени нагрева.

5.Как экспериментально определить постоянную времени нагрева.

ЛЕКЦИЯ 7

Номинальные режимы работы электродвигателей.

Тепловой режим двигателя определяется мощностью внутренних потерь , характер изменения которой определяется режимом работы электропривода и нагрузкой механизма. Рост температуры ЭД прекращается, когда количество тепла, отдаваемое двигателем в окружающую среду (а оно увеличивается, пропорционально его температуре), становится равным количеству тепла, выделяемого в двигателе.

Такой тепловой режим установившейся температуры достигается при длительной работе ЭД. Во многих случаях работа двигателя прекращается до достижения им установившейся температуры, или происходит снижение нагрузки на двигатель, а, следовательно, уменьшение потерь и снижение температуры ЭД. В связи с этим при выборе мощности двигателя выделены наиболее характерные режимы работы ЭД.

Реальные режимы работы электроприводов различаются огромным разнообразием: по характеру и продолжительности циклов, значению нагрузок, режимам пуска, соотношением потерь в период пуска и установившегося движения и т.д. На основании их анализа выделен специальный класс режимов – номинальные режимы, для которых и проектируются двигатели. ГСТУ предусматривает 9 номинальных режимов работы, обозначаемых как S1– S9. Основными из них являются четыре режима S1– S3 и S6, а остальные – дополнительные или рекомендованные. Они введены для упрощения эквивалентирования произвольного режима номинальным.

Каждый из режимов характеризуется диаграммой мощности и графиком изменения температуры двигателя.

1. Продолжительный номинальный режим – режим работы двигателя с постоянной номинальной нагрузкой, которая длится до тех пор, пока превышение температуры двигателя над окружающей средой не достигнет установившегося значения (рис. 1.19).

Рис. 1.19 Характеристики режима

2. Кратковременный номинальный режим – режим работы двигателя, при котором периоды постоянной номинальной нагрузки чередуются с периодами отключения двигателя. При этом за время работы двигателя превышение температуры не успевает достичь установившегося значения, а за время отключения двигатель успевает остыть до температуры окружающей среды (рис. 1.19).

Рис. 1.20 Характеристики режима .

3. Повторно-кратковременный номинальный режим – режим работы двигателя, при котором кратковременные периоды неизменной номинальной рабочей нагрузки (рабочие периоды ) чередуются с периодическими отключениями двигателя (паузами ). При этом, как рабочие периоды, так и паузы не такие продолжительные, чтобы превышение температуры могло достичь установившегося значения (рис. 1.21).

Рис. 1.21 Характеристики режима

Максимальная продолжительность цикла в повторно-кратковременном режиме равняется 10 мин.

Режим характеризуется относительной продолжительностью включения:

(1.23)

Эту величину часто выражают в процентах и в каталогах указывают, как продолжительность включения – . Двигатели для режима проектируются для стандартных продолжительностей включения .

4. Повторно-кратковременный номинальный режим работы электродвигателя с частыми пусками – S4. Отличается от режима S3 тем, что пусковые потери начинают оказывать существенное влияние на нагрев двигателя.

Кроме значения , режим S4 дополнительно характеризуется следующими параметрами:

1) количеством включений в час (если нет специально установленных) – Z=30; 60; 120; 240 вкл/час;

2) коэффициентом инерции (соответственно значениям Z) – (FJ)=1.2; 1,6; 2,5; 4.

Коэффициент инерции представляет собой отношение суммы приведенного к валу двигателя момента инерции механизма и якоря (ротора) к моменту инерции якоря (ротора).

5. Повторно-кратковременный номинальный режим работы электродвигателя с частыми пусками при наличии электрического торможения – S5 .

6. Перемежающийся номинальный режим работы электродвигателя – S6.

Отличается от режима S3 тем, что в периоды пауз нагрузки электродвигатель не отключается от сети, а работает в режиме холостого хода.

7. Перемежающийся номинальный режим работы электродвигателя с

частыми реверсами – S7 .

8. Перемежающийся номинальный режим работы при использовании

электродвигателя с двумя и более скоростями – S8.

9. Режим с не периодическими изменениями нагрузки и скорости – S9.

Режим работы, при котором нагрузка и скорость обычно изменяются не периодически в границах допустимого рабочего диапазона. Этот режим часто включает перегрузки, которые могут значительно превысить полную нагрузку.

Литература: 1, с. 456-458; 4, с. 306-312.

СРС: Приведите нагрузочные диаграммы и графики изменения температуры номинальных режимов S4-S9.

Литература: 1, с. 456-458; 4, с. 306-312.

Контрольные вопросы:

1.Чем обусловленная необходимость введения номинальных режимов?

2. Приведите характеристики режима , .

3. Приведите характеристики режима .

4. Как определяется продолжительность включения?

5. Какие номинальные режимы являются основными, а какие – дополнительные или рекомендованные?

ЛЕКЦИЯ 8

Тема 1.3 Выбор электродвигателей по мощности

Методы, используемые для расчета или выбора мощности ЭД по нагреву, определяются режимом работы и типом двигателя.

Только для длительного режима S1 при постоянной нагрузке используют метод непосредственного расчета требуемой мощности двигателя по аналитическим формулам для заданных параметров технологической установки.

Для остальных режимов работы (S2- S9) выбор необходимой мощности двигателя осуществляется путем предварительного выбора двигателя с использованием нагрузочной диаграммы механизма и последующей проверки правильности этого выбора по нагреву и перегрузочной способности.

Проверку предварительно выбранного двигателя по нагреву производят методом средних потерь или методом эквивалентных величин (тока, момента или мощности). Для режима S2 используют метод проверки двигателя по коэффициенту тепловой перегрузки.

Для короткозамкнутых АД при частых пусках применяют метод определения допустимого числа включений в час.

Для позиционных приводов, работающих по заданной программе перемещений, используются специальные методы расчета мощности.

Нагрузочные диаграммы.

Основой для расчета мощности двигателя являются нагрузочная диаграмма и диаграмма скорости (тахограмма) рабочей машины.

Нагрузочной диаграммой называется зависимость момента на валу двигателя, мощности или тока якоря (ротора) от времени.

Различают два вида нагрузочных диаграмм:

1. Нагрузочная диаграмма механизма – зависимость статического момента на валу двигателя, мощности или тока якоря (ротора) от времени: , .

2. Нагрузочная диаграмма двигателя – зависимость момента, развиваемого двигателем, его мощности или тока якоря (ротора) от времени: , .

Диаграммой скорости (тахограммой) называется зависимость линейной или угловой скорости исполнительного органа от времени. После приведения скорости исполнительного органа к валу двигателя, получаем зависимость угловой скорости вала двигателя от времени .

По тахограмме и нагрузочной диаграмме механизма проводят предварительный выбор двигателя с учетом значения установившейся угловой скорости :

и расчетной мощности :

, (1.24)

где – коэффициент динамичности, учитывающий запас мощности на динамические нагрузки. Величина принимается в зависимости от количества и характера переходных режимов конкретного механизма.

– величина средней (среднеквадратичной) статической мощности или момента нагрузки механизма.

Предварительный выбор двигателя позволяет построить упрощенную нагрузочную диаграмму двигателя, которая учитывает увеличение или уменьшение момента на валу двигателя в переходных режимах пуска и торможения на величину динамического момента:

(1.25),

где – суммарный момент инерции:

, (1.26),

где – момент инерции предварительно выбранного двигателя (из каталога),

– момент инерции механизма, приведенный к валу двигателя.

Для построения упрощенной нагрузочной диаграммы двигателя, рассчитанное значение динамического момента необходимо суммировать со статическим моментом на участках пуска, и вычесть из на участках торможения. Участки пуска и торможения определяются по тахограмме рабочей машины или двигателя.

Пример нагрузочной диаграммы и тахограммы двигателя приведен на рис. 1.22.

Рис. 1.22 Пример нагрузочной диаграммы и тахограммы двигателя.

После построения нагрузочной диаграммы двигателя следует проверить предварительно выбранный двигатель на перегрузочную способность.

Двигатель проходит по перегрузочной способности, если максимальный момент, полученный из нагрузочной диаграммы двигателя не превышает максимальный момент двигателя:

(1.27),

где – перегрузочная способность двигателя.

Максимальный момент двигателя ограничивается его перегрузочной способностью :

Для двигателей постоянного тока с независимым возбуждением , для двигателей постоянного тока с последовательным возбуждением и асинхронных двигателей .

⇐ Предыдущая 1 234 5 6 7 8 9 Следующая ⇒