Министерство образования и науки Российской Федерации
УРАЛЬСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
НИЖНЕТАГИЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ
Тимофеев В.Л., Махорский Ю.Л.
Энергетика электропривода.
Выбор двигателей по мощности
Нижний Тагил, 2015г.
Введение
Современный электропривод представляет собой сложный электромеханический комплекс. Под работоспособностью электропривода понимается его способность обеспечивать нормальное функционирование производственного механизма в течение сравнительно большого (десять и более лет) срока службы.
Электропривод работоспособен, если:
Не превышается перегрузочная способность элементов силовой (энергетической) части;
элементы силовой части не перегреваются;
элементы информационной части обладают необходимыми показателями надежности;
показатели качества регулирования соответствуют требованиям;
при возникновении аварийных ситуаций соответствующие участки принципиальной схемы отключаются.
При проектировании электропривода элементы энергетического канала (двигатели, трансформаторы, реакторы, дроссели, полупроводниковые преобразователи) выбираются таким образом, что наиболее слабым звеном этого канала является двигатель. Поэтому работоспособность энергетического канала оценивается по работоспособности двигателя.
Работоспособность информационного канала обеспечивается за счет правильного подбора элементов, наладки и тестирования.
Заданные показатели качества регулирования удовлетворяются применением определенных процедур синтеза регуляторов.
Способность электропривода сохранять неповрежденными наиболее дорогостоящие элементы при возникновении аварийных ситуаций («живучесть» электропривода) обеспечивается системой защит, которая создается на основе принципа разумной достаточности.
Вопросы проектирования систем управления, исходя из условий обеспечения их «физического» функционирования, рассматриваются в курсе «Основы теории надежности». Синтез систем управления изучается в курсе «Теория автоматического управления». Проектирование защит рассматривается в дисциплинах «Преобразовательная техника», «Элементы систем управления» и «Системы управления электроприводов». Исходя из изложенного, в дальнейшем остановимся лишь на вопросах обеспечения и проверки работоспособности энергетического канала электропривода и, в соответствии с условиями выбора элементов этого канала, на работоспособности двигателя.
От правильного выбора электрического двигателя по мощности зависят надежность работы электропривода и его энергетические показатели в процессе эксплуатации. Если нагрузка двигателя существенно меньше номинальной, двигатель недоиспользуется по мощности, что приводит к снижению коэффициента полезного действия, а при использовании регулируемого электропривода постоянного тока, и к снижению коэффициента мощности электропривода, то есть к завышенным капитальным затратам и неоправданным потерям электрической энергии. Применение двигателя недостаточной мощности может привести к нарушению нормальной работы механизма, к росту токов в обмотках двигателя и увеличению потерь мощности. При существенном превышении нагрузки двигателя по отношению к номинальной может возникнуть перегрев машины. Рост температуры выше определенных значений приводит к снижению электрической прочности электроизоляционных материалов вследствие изменения из физико-химических свойств, что связано с опасностью пробоя изоляции обмоток и выходом двигателя из строя.
Задача выбора электродвигателя по мощности и оценки его работоспособности осложняется тем обстоятельством, что нагрузка на его валу в процессе работы, как правило, изменяется во времени. Для обоснованного решения вопроса работоспособности электродвигателя необходимо знать характер изменения нагрузки. В тех случаях, когда рабочие машины работают в циклическом режиме, оценка работоспособности двигателя осуществляется на основе их нагрузочных диаграмм.
Работоспособность электрических двигателей по условиям перегрузки
1.1. Работоспособность двигателей постоянного тока
Электрические двигатели имеют ограниченную пропускную способность. Для двигателя постоянного тока это означает, что с увеличением мощности потока энергии через двигатель возрастает искрение у контактных поверхностей щеток, и при некоторой мощности степень искрения превышает допустимый уровень. Степень искрения зависит от величины коммутируемого тока. Исходя из этого, в качестве главного фактора, ограничивающего перегрузочную способность двигателя постоянного тока, рассматривается коммутация тока на коллекторе.
Причины искрения
на щетках связаны с характером протекания
электромагнитных процессов в коммутируемых
секциях. Определяющая роль в формировании
процессов коммутации принадлежит
реактивной электродвижущей силе,
величина которой зависит от коммутируемого
тока и скорости вращения якоря. При
одном и том же значении тока увеличение
скорости вращения приводит к увеличению
реактивной э.д.с.
,
что в свою очередь, приводит к повышению
степени искрения. При одном и том же
значении скорости вращения рост тока
также приводит к увеличению реактивной
э.д.с. и степени искрения. Отмеченные
особенности процессов коммутации
приводят к тому;, что одной и той же
степени искрения соответствует
постоянство произведения тока I на
скорость вращения якоря
.
Кратковременно допустимому току
соответствует степень искрения 2.
Следовательно, допустимая по условиям
коммутации/область работы двигателя
ограничена гиперболами
(рис. 1)
Рис.1. Область безотказной (по условиям коммутации) работы
двигателя.
Для оценки
работоспособности двигателя по условиям
перегрузки вводится понятие о перегрузочной
способности по току
(1.1). В ряде случаев в первой зоне
регулирования скорости
перегрузочная способность по току
,
принимается постоянной и равной значению
этой величины при номинальной скорости
(рис.2). Здесь характеристика
,
приводится лишь для первого квадранта,
так как для остальных квадрантов эта
характеристика аналогична.
Рис.2. Перегрузочная способность двигателя.
При двухзонном
регулировании обязательно нужно
учитывать снижение перегрузочной
способности двигателя. Так соответствующая
скорости вращения
перегрузочная способность равна
|
|
(1.2) |
Для электроприводов важной характеристикой является перегрузочная способность двигателя по моменту
|
|
(1.3) |
Здесь
,
-
номинальный и допустимый момент
соответственно.
В первой зоне регулирования перегрузочная способность по моменту равна перегрузочной способности по току:
|
|
(1.4) |
Во второй зоне регулирования при одном и том же значении допустимого тока величина допустимого момента снижается из-за снижения потока возбуждения:
|
|
(1.5) |
С учетом снижения
значения
обратно пропорционально значению
скорости получим зависимость
|
|
(1.6) |
Из (1.6) следует, что при значительном увеличении скорости за счет снижения потока возбуждения допустимый по условиям перегрузки момент резко снижается. Вследствие этого переход во вторую зону регулирования должен сопровождаться снижением нагрузки на валу.
Для двигателей
постоянного тока общепромышленного
применения и для крупных двигателей
;
для двигателей краново-металлургических
серий
.
Машины специального применения могут иметь более высокую перегрузочную способность.