2. Выбор электродвигателя

Выбор электродвигателя производится в следующей после­довательности;

1) Ориентировочно определяется номинальный момент двигателя:

,

где - эквивалентный момент нагрузки;

- коэффици­ент запаса, учитывающий динамические режимы электродвигателя, ког­да он работает с повышенными моментами.

Если же момент нагрузки изменяется во времени и нагрузочная диаграмма имеет несколько участков, то определяется как среднеквадратич­ная величина по следующему выражению:

,

где - момент и длительность i-гo участка на­грузочной диаграммы.

2) Определяется номинальная скорость двигателя:

3) Определяется номинальная расчетная мощность двигателя:

Из каталога выбирается двигатель ближайшей большей мощно­сти и скорости, имеющий конструктивное исполнение, соответствующее условиям работы данной рабочей машины.

3. Проверка выбранного электродвигателя

После выбора электродвигателя производится его проверка по перегрузочной способности. Для проверки двигателя строится зависимость момента двигателя от времени М(t) с помощью уравнения движения, записанного в виде:

,

Динамический момент определяется суммарным приведенным моментом инерции и заданными ускорениями на участке разгона и замедления на участке торможения двигателя ω(t).

Для проверки выбранного электродвигателя по перегрузочной способности сопоставляется максимально допустимый момент двигателя M_max с максимальным моментом, взятым на построенной зависимости M(t). Для рассматриваемого случая должно выполнять следующее соотношение:

Если последнее условие выполняется, то двигатель обеспечит ускорение на участке разгона; если нет, график движения на этом участке не может быть обеспечен данным двигателем и необходимо выбрать другой двигатель.

При выборе АД с короткозамкнутым ротором двигатель должен быть проверен также по условиям пуска, для чего сопоставляется его пусковой момент М_п с моментом нагрузки при пуске М_с.п.. Для рассматриваемого случая должно выполнять следующее соотношение:

Если выбранный двигатель удовлетворяет вышеперечисленным условиям, то далее осуществляется его проверка по нагреву. Для рассматриваемого случая должно выполнять следующее соотношение:

,

где - эквивалентный момент на валу электродвигателя

Последний определяется по следующему выражению:

Если указанное выше соотношение выполняется, то при выше перечисленных условиях нагрев двигателя не превысит допустимого уровня и двигатель считается выбранным правильно. Если двигатель не проходит хотя бы по одному условию проверки, то выбирается другой электродвигатель.

4. Построение механических характеристик

Для построения механической характеристики электродвигателя необходимо определить ее характерные точки. В начале определяются синхронная ω₀ и номинальная ω_ном угловая скорость электродвигателя по следующим выражениям:

,

где n₀ и n_ном – синхронная и номинальная частота вращения двигателя, об/мин.

Затем определяют номинальную величину скольжения:

Для определения критического скольжения используют формулу Клосса:

,

где

В некоторых случаях при построении механической характеристики используют приближенные формулы. Упрощение может быть получено, если пренебречь активным сопротивлением статора, т.е. считать R₁ = 0. В этом случае выражение принимает следующий вид:

Если вместо текущих значений момента и скольжения подставить их номинальные значения М_ном и s_ном и обозначить кратность максимального момента М_кр/М_ном через _м, то критический момент может быть найден по следующему выражению:

Угловая скорость двигателя при критическом моменте находится по следующему выражению:

Далее с учетом пускового момента двигателя М_п, определяющегося по справочным данным (при s = 0), производят построение механической характеристики электродвигателя.

Как указывалось ранее, частота вращения асинхронного двигателя может быть определена по следующему выражению:

Наиболее перспективным и широко используемым в настоящее время способом регулирования скорости АД является частотное регулирование. Принцип его заключается в том, что, изменяя частоту f₁ питающего АД напряжения, можно изменять его синхронную скорость w₀, получая тем самым различные искусственные характеристики. Этот способ обеспечивает плавное регулирование в широком диапазоне, получаемые характеристики обладают высокой жесткостью. Частотный способ к тому же отличается и еще одним весьма важным свойством при регулировании скорости АД не происходит увеличения его скольжения, поэтому при этом способе регулирования потери скольжения оказываются небольшими, в связи с чем частотный способ является наиболее экономичным.

Для лучшего использования АД и получения высоких энергетических показателей его работы – коэффициентов мощности, полезного действия, перегрузочной способности следует также учесть, что с изменением частоты напряжения питания изменяется и поток двигателя Ф₁:

Поэтому в большинстве случаев одновременно с изменением частоты напряжения питания необходимо регулировать и его амплитуду. Регулирование напряжения при уменьшении частоты ниже но­минальной частоты необходимо потому, что из-за уменьшения индуктивного сопротивления обмоток двигателя ток намагничи­вания будет возрастать, что приведет к насыщению магнитопровода двигателя и его перегреву. Регулирование напряжения следу­ет проводить таким образом, чтобы скольжение двигателя было минимальным.

Для реализации способа частотного регулирования асинхрон­ный короткозамкнутый двигатель включают в сеть с параметрами Uc = const и fс = const через преобразователь частоты UZ. Современные серийно выпускаемые преобразователи частоты, как правило, выполнены на базе транзисторного инвертора, а в качестве силовых ключей используются биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT).

Рис.7. Структурная схема

Рассмотрим наиболее распространенные законы управле­ния, применяемые при частотном регулировании.

Закон Костенко — характеристики асинхронного дви­гателя при частотах питающего напряжения, отличных от номинальной, зависят от соотношения между напряжением сети U₁ и частотой f₁. При выборе соотношения между частотой и напряжением, подводимым к статору АД, часто исходят на условия сохранения его перегрузочной способности, которая определяется отношением критического момента двигателя М_к к моменту нагрузки М_с,

Как известно из теории электрических машин максимальный момент электродвигателя описывается следующим выражением:

Если пренебречь активным сопротивлением статора и учесть, что x_к ~ f₁ и w₀ ~ f₁, то выражение для перегрузочной способности можно записать как:

где A – постоянная, не зависящая от f₁.

Из последнего выражения следует, что для любых двух значений частоты f_1i и f_1к должно соблюдаться следующее соотношение:

где M_ci, M_cк – моменты нагрузки при скоростях АД, соответствующих частотам f_1i и f_1к.

Отсюда следует основной закон изменения напряжения при частотном способе регулирования скорости АД:

С помощью последнего выражения могут быть получены частные законы изменения напряжения и частоты при различных зависимостях момента нагрузки М_с от скорости. При постоянном моменте нагрузки М_с = const уравнение принимает вид:

т.е. напряжение на статоре должно изменяться пропорционально его частоте.

Для вентиляторного характера момента нагрузки соотношение уравнение имеет вид

а при моменте нагрузки, обратно пропорциональном скорости, соотношение запишется в виде

Важно отметить, что приведенные выше выражения получены при пренебрежении активным сопротивлением статора. Это допущение мало сказывается при большой (близкой или выше номинальной) частоте, в то время как при малых частотах оно заметно отражается на характеристиках электропривода, что приводит к снижению критического момента АД. Причина этого заключается в уменьшении магнитного потока АД при низких частотах вследствие влияния активного сопротивления статора, вызывающего из-за падения напряжения на R₁ уменьшение ЭДС АД. Для компенсации этого влияния следует с уменьшением частоты снижать напряжение в меньшей степени. В этом случае используют закон IR – компенсации.

Закон IR – компенсации.

Регулирование скорости двигателя при сохранении постоянства максимального момента двигателя должно осуществляться путем уменьшения напряжения в меньшей степени, чем частоты, тем самым компенсируя падение напряжения на активном сопротивлении статора:

,

где – относительная частота напряжения питания,

– относительная величина напряжения.

Следует иметь в виду, что величина IR зависит от , которая для двигателей мощностью более 100 кВт незначительна, и ею, как правило, можно пренебрегать; для двигателей мощностью до 15 кВт учет обязателен.

Номинальный момент двигателя:

Номинальное скольжение двигателя:

Формула для расчета механических характеристик при переменных значении и частоте напряжения питания:

где – регулируемые скорость поля и скольжения;

– номинальные сопротивления короткого замыкания и контура намагничивания;

– сопротивление статора и приведенное сопротивление ротора.

Максимальный момент двигателя:

Критическое скольжение:

,

где знак «+» соответствует двигательному режиму, знак «–» – режиму рекуперативного торможения.