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. 5 страница

4. Проверка выбранного двигателя по нагреву.

По упрощенной нагрузочной диаграмме двигателя методом эквивалентного тока или момента проводят проверку двигателя по нагреву.

Для метода эквивалентного момента:

. (1.54)

Для двигателей, с самовентиляцией, в которых теплоотдача в переходных режимах ухудшается, реальное в цикле следует уточнить:

, (1.55)

где: , , – суммарное время пуска, установившегося движения и торможения на всех рабочих участках цикла;

– коэффициент ухудшения теплоотдачи двигателя закрытого исполнения с самовентиляцией при остановке.

Полученные эквивалентные значения тока или момента следует привести к каталожному номинальному значению ( ) предварительно выбранного двигателя.

. (1.56)

Двигатель проходит по нагреву при условии:

. (1.57)

Литература: 1, с. 479-483; 4, с. 343-352.

СРС: Расчет динамической нагрузки.

Литература: 1, с. 479-483; 4, с. 343-352.

Контрольные вопросы:

1.Как учитывают ухудшение теплоотдачи в переходных режимах?

2.Как пересчитать момент на стандартное значение ПВ?

3. Можно ли использовать в режиме двигатель номинального режима ?

4.Какова максимальная продолжительность цикла в режиме ?

5.Необходима ли проверка двигателя по перегрузочной способности ?

ЛЕКЦИЯ 11

Определение допустимой частоты включения асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором.

При малых продолжительностях циклов t_ц повторно-кратковременных режимов возрастает доля пусковых и тормозных потерь в балансе потерь энергии за цикл. Тепловой режим при этом лимитируется числом включения двигателя в час. Особенно это важно для АД с короткозамкнутым ротором при прямом пуске, т.к. все потери выделяются в объеме двигателя и идут на его нагрев, поскольку у него нет внешних добавочных сопротивлений.

По условиям технологического процесса некоторых механизмах частота их включения достигает 600-800 раз в час (через каждые 4-6 секунд). Например, в металлообрабатывающих станках (сверлильные, строгальные), кранах, во вспомогательных механизмах прокатных станов.

Для короткозамкнутых АД, работающих с большой частотой включения, методы эквивалентных величин дают существенную погрешность. Более точным является метод, основанный на непосредственном учете потерь, возникающих в двигателе.

Практически расчет сводится к проверке предварительно выбранного двигателя на допустимое число включенный в час, при котором средняя температура равна максимально допустимой (для данного класса изоляции) и двигатель полностью используется по нагреву. Потери энергии, выделяющиеся в двигателе за цикл состоят из потерь энергии при пуске ΔА_П, торможении ΔА_Ти потерь установившегося режима движения при любой нагрузке .

Потери в двигателе при любой нагрузке

, (1.58)

где: = I_H²R – номинальные переменные потери - потери в меди при номинальной нагрузке;

– коэффициент загрузки двигателя.

Потери в двигателе при номинальной нагрузке

(1.59)

Энергия потерь, выделяемая в окружающую среду, если двигатель работает с номинальной скоростью, равна

Потери в двигателе будут отданы в окружающую среду, на соответствующих участках цикла t_П, t_Т, t_Уи t_0.

Ухудшение условий охлаждения самовентилируемого двигателя при остановке и в переходных режимах учитывается коэффициентом ухудшения теплоотдачи .

Энергия, отдаваемая в окружающую среду во время паузы - ΔР_Н t_0.

При пуске и торможении теплоотдача меняется от А₀ к А, поэтому коэффициент ухудшения теплоотдачи выразится:

, (1.60)

где , – коэффициенты ухудшения теплоотдачи пуске и торможении;

– теплоотдачи неподвижного двигателя;

– теплоотдаче двигателя, вращающегося с номинальной скоростью.

В среднем, количество тепла, отводимого в окружающую среду при пуске составляет:

а при торможении:

Уравнение энергетического баланса содержит в левой части энергию, выделяющуюся в двигателе за цикл, а в правой - отдаваемую в окружающую среду:

(1.61)

Время цикла и число включений двигателя в час h связаны соотношением:

. (1.62)

Выразим время паузы t₀и установившегося движения t_У через ε и h:

(1.63)

(1.64)

Подставляя выражения для времён цикла (1.63), (1.64) в уравнение энергетического баланса (1.61) и решая его относительно h получим:

, (1.65)

где

Вследствие больших потерь при пуске и торможении (ΔА_П, ΔА_Т) значением , можно принебречь, тогда

(1.66)

Если в установившемся режиме двигатель работает с номинальной нагрузкой (P_X=P_H) то = и число включений двигателя в час:

(1.67)

Потери энергии в переходных режимах ΔА_Пи ΔА_Трассчитываются в каждом конкретном случае в зависимости от условий пуска и вида торможения.

Для повышения числа включенный двигателя в час h необходимо увеличивать допустимые потери за счёт применения двигателя с изоляцией повышенной теплостойкости и усиления вентиляции двигателя. Повысить коэффициент до единицы возможно за счет применения независимой вентиляции.

Уменьшить потери переходных режимов возможно за счёт уменьшения момента инерции двигателя (применение двигателей с удлинённым ротором, замена одного двигателя двумя двигателями половинной мощности, при этом суммарный момент инерции уменьшается за счет уменьшения диаметра ротора), а также использования двухскоростных АД при ступенчатом пуске.

Работа электропривода с маховиком при ударной нагрузке

Нагрузочные диаграммы некоторых механизмов представляют собой чередующиеся периоды резкого повышения и снижения нагрузки. К таким механизмам, обладающим так называемой ударной нагрузкой, относятся прокатные станы, прессы, электрические молоты, поршневые насосы и др. Выравнивание ударной нагрузки, приходящейся на двигатель, может быть достигнуто искусственным увеличением момента инерции электропривода путем установки на валу двигателя маховика. В электроприводах, с маховиком в период резкого увеличения нагрузки часть ее покрывается маховиком, а часть электродвигателем. Происходит это вследствие снижения скорости электропривода во время пика нагрузки, благодаря чему часть кинетической энергии, запасенной маховиком, передается на вал привода. При перепаде скорости от до энергия маховика, отдаваемая на вал привода, составит:

(1.68)

В период спада нагрузки, когда скорость электропривода возрастает, запас кинетической энергии в маховике вновь увеличивается.

Ударная нагрузка, вызывает колебания момента и тока двигателя и приводит к увеличению переменных потерь в двигателе и сети, поскольку эти потери пропорциональны квадрату тока. Выравнивание графика нагрузки ведет к снижению этих потерь. Рассмотрим пример снижения потерь при выравнивании нагрузки. Пусть график работы механизма с ударной нагрузкой имеет вид, показанный на рис. 1.28:

Рис. 1.28 График работы механизма с ударной нагрузкой.

Допустим, что время одного цикла состоит из двух равных частей (t/2) и что в течение первой половины времени — при пике нагрузки — мощность в 3 раза превышает мощность холостого хода . При постоянном напряжении сети переменные потери будут пропорциональны квадрату мощности и для графика, приведенного на рис. 1.28, за время одного цикла энергия потерь будет равна:

где с — коэффициент пропорциональности.

При выравнивании графика нагрузки до некоторой средней величины

потери энергии за время цикла составили бы:

Таким образом, выравнивание графика нагрузки в этом примере привело бы к уменьшению потерь на 20%. При большей неравномерности графика уменьшение потерь после его выравнивания было бы более значительным.

Благодаря уменьшению потерь в двигателе при наличии маховика двигатель может быть выбран с меньшей номинальной мощностью и меньшим перегрузочным моментом.

Определим значение момента инерции маховика, необходимого для выравнивания ударной нагрузки.

На рис. 1.29 представлена часть типичной нагрузочной диаграммы прокатного стана.

Рис. 1.29 Нагрузочная диаграмма прокатного стана.

Момент холостого хода соответствует потерям на трение в подшипниках стана.

Момент прокатки, оставаясь постоянным в течение каждого отдельного пропуска, изменяется от пропуска к пропуску, и поэтому решение проводят последовательно по отдельным участкам.

Если пренебречь электромагнитными процессами в двигателе и принять его характеристику линейной, то момент, развиваемый двигателем для любого участка работы, определяется:

При возрастании нагрузки от до :

(1.69)

При спаде нагрузки от до :

(1.70)

Значение величин моментов, входящих в эти уравнения, пояснено на рис.1.29. Величина является электромеханической постоянной времени.

Изменение нагрузки двигателя происходит по экспоненциальным кривым, чему соответствует распределение нагрузки между двигателем и маховиком, представленное на рис. 1.30. Заштрихованные участки со знаком минус означают энергию, отдаваемую маховиком, а со знаком плюс — дополнительную энергию, идущую от двигателя на зарядку маховика.

Рис. 1.30 Распределение нагрузки между двигателем и маховиком.

Расчет момента инерции маховика основан на предпосылке, что в точке наибольшей перегрузки А, двигатель должен развивать максимальный момент, равный произведению номинального момента двигателя на его коэффициент перегрузки .

Для конца периода нагрузки с наибольшим моментом и определенной длительностью будет справедливо следующее уравнение:

, (1.71)

где — момент двигателя в начале периода наибольшей нагрузки (рис. 1.29). Этот момент может быть ориентировочно принят равным М₀.

Решая уравнение (1.71) относительно , получим:

откуда :

(1.72)

Имея в виду, что электромеханическая постоянная времени выражается через параметры АД следующим образом:

, (1.73)

находим искомое выражение для величины суммарного приведенного момента инерции электропривода:

(1.74)

Подставляя в (1.74) значение из (1.73) получим величину суммарного момента инерции :

(1.75)

Для определения момента инерции маховика необходимо из полученной по (1.75) величины вычесть значение приведенного момента инерции движущихся частей привода, в том числе и ротора двигателя .

В целях уменьшения размеров маховика обычно несколько увеличивают номинальное скольжение двигателя , так как в случае жесткой механической характеристики энергия, отданная маховиком, будет мала, вследствие малого перепада скорости. Однако значительное снижение скорости при мягкой характеристике ведет к уменьшению производительности механизма, и поэтому практически допускаемое скольжение , обычно не превышает 10—12%, а максимальное 15—20%.

Литература: 1, с. 480-481, с.483-488; 4, с. 315-326.

СРС: Поясните работу маховичного синхронного привода.

Литература: 1, с. 480-481, с.483-488; 4, с. 315-326.

Контрольные вопросы:

1. Почему методы эквивалентных величин дают существенную ошибку при расчетах мощности АД при малых продолжительностях циклов?

2. Назовите пути повышения допустимой частоты включения. для АД.

3. Назовите основные составляющие уравнения энергетического баланса.

4. В каких случаях возникает необходимость в применении электропривода с маховиком?

5. Каким должно быть скольжение электродвигателя в электроприводе с маховиком?

ЛЕКЦИЯ 12

РАЗДЕЛ 2. РЕГУЛИРОВАНИЕ КООРДИНАТ ЭЛЕКТРОПРИВОДА

Тема 2.1. Основные показатели регулирования координат и типовые структуры электропривода

ЭП осуществляет не только преобразование электрической энергии в механическую, но и управление рабочим процессом приводимого в движение механизма.

Технологические требования определяют необходимость с требуемой точностью поддерживать на заданном уровне те или иные механические переменные ЭП (скорость рабочего органа, ускорение, момент, или усилие, развиваемые двигателем); принудительно изменять эти переменные в процессе управления технологическим процессом; ограничивать переменные на заданном уровне. Таким образом, управление технологическим процессом и реализация ограничений на допустимые нагрузки технологического оборудования определяют необходимость регулирования координат ЭП.

В зависимости от задач управления механизмом, регулирование координат осуществляется с целью:

1) Поддержания заданного уровня переменной.

2) Изменения переменной по требуемому закону.

3) Ограничение переменной предельно допустимым значением.

4) Отработка произвольного закона движения с заданной точностью (следящий привод).

Возможные способы управления переменными делятся на две большие группы:

1) Параметрические способы управления, которые реализуются в разомкнутых системах.

2) Способы автоматического регулирования координат с использованием обратных связей.

Под параметрическим управлением понимают изменения заданного уровня регулируемой переменной путем установки нового значения параметра двигателя, от которого зависит его механическая характеристика.

Параметрические способы управления широко применяются в ЭП благодаря простоте их реализации, однако их недостатком является низкая точность регулирования координат.

В связи с совершенствованиям технологии требования к точности регулирования постоянно растут, поэтому области применения разомкнутых ЭП сужаются, а замкнутых – постоянно расширяются.

В ЭП применяются замкнутые системы с регулированием по отклонению и комбинированные системы (по отклонению и возмущению)

Основные показатели регулирования координат ЭП

1) Точность регулирования переменных ЭП определяется возможными её отклонениями от заданного значения под действием возмущающих факторов

Рис. 2.1

Точность регулирования оценивается как отношение наибольшего отклонения к среднему значению координаты:

(2.1)

Следует отметить, что количественная оценка точности зависит от среднего значения уровня регулируемой переменной и определяется конкретными пределами изменения возмущения .

2) Диапазон регулирования

Характеризует пределы изменений средних значений переменных достижимые при данном способе регулирования.

(2.2)

При определении диапазона D можно использовать не только среднее значение, но и значение переменной при определенном возмущении.

Верхнее значение диапазона регулирования ограничивается максимально реализуемыми значениями переменной, допустимыми для двигателя.

Нижний предел диапазона регулирования ограничивается требуемой точностью при данном способе регулирования.

3) Плавность регулирования – характеризуется числом дискретных значений регулируемого параметра, реализуемых при данном способе регулирования.

4) Очень важным дополнительным показателем регулирования скорости является допустимая нагрузка при регулировании (условия нагрузки).

Необходимость оценки допустимой нагрузки возникает в связи с тем, что при регулировании скорости, нагрузка приводимого механизма в общем случае не является постоянной, а также зависит от скорости (Рис 2.2).

Рис. 2.2 Зависимости мощности и момента нагрузки от скорости.

Известно, что регулирование скорости можно осуществлять при постоянном моменте (за счет изменения напряжения якоря ДПТ) или при постоянной мощности P=const (за счет изменения потока возбуждения).

Поэтому для полного использования двигателя по мощности способ регулирования скорости должен соответствовать условию изменения нагрузки.

5) Экономичность регулирования.

Применение регулируемого ЭП связано с повышенными первоначальными затратами на систему регулирования и эксплуатационными расходами. При принятии решения о применении регулируемого ЭП необходимо провести технико-экономическое сравнение вариантов.

При автоматическом регулировании координат учитываются

следующие показатели качества регулирования:

1.Характер переходного процесса (рис. 2.3)

Рис. 2.3 Кривые переходных процессов.

На рис. 2.3 обозначены следующие виды переходных процессов:

1 – апериодический переходный процесс; 2 – апериодический процесс с перерегулированием; 3 – колебательный; 4 – монотонный.

1. Быстродействие системы характеризуетсяся следующими временами переходного процесса:

– время переходного процесса – время от начала переходного процесса до момента попадания переменной в зону 5% от ее установившегося значения – Хуст.

–время регулирования или время установления – время, когда регулируемая переменная впервые достигает уровня установившегося значения.

– время, за которое регулируемая переменная впервые достигла максимального значения.

2. Перерегулирование – выраженное в процентах отношение максимального значения отклонения регулируемой величины:

(2.3)

Перерегулирование характеризует плавность протекания переходного процесса. Иногда перерегулирование недопустимо по технологическим требованиям.

3. Колебательность переходного процесса.

Рассматривается как отношение двух соседних максимумов колебательного процесса:

(2.4)

4. Число полных колебаний регулируемой величины за время переходного процесса.

Типовые структуры замкнутых систем управления координатами ЭП

1. Структура с суммирующим усилителем (рис. 2.4).

Рис. 2.4 Структура с суммирующим усилителем.

На рис. 2.4 обозначено: ПрУ – преобразовательное устройство;

ДУ – двигательное устройство; ПУ – передаточное устройство (редуктор);

ИО – исполнительный орган; K1- K4 – коэффициенты обратных связей.

Особенностью структуры является наличие на входе системы одного суммирующего усилителя (СУ), на вход которого подаётся как сигнал задания – X_зад, так и сигналы всех обратных связей. Этот суммирующий усилитель, по сути, выполняет роль управляющего устройства ЭП.

Технически суммирующие усилители могут быть реализованы :

1. Путем магнитного суммирования сигналов, поступающего на обмотки ЭМУ, МУ.

2. Электрическим суммированием сигналов (Рис. 2.5):

Рис. 2.5 Электрическое суммирование сигналов.

3. Построением СУ на основе операционного усилителя.

Операционный усилитель (ОУ) представляет собой усилитель напряжения с большим коэффициентом усиления (сигналы на входе усиливаются в сотни тысяч раз), охваченный глубокой отрицательной обратной связью через сопротивление Rос (Рис. 2.6):

⇐ Предыдущая 1 2 3 456 7 8 9 Следующая ⇒