книги из ГПНТБ / Кузнецов Б.В. Электрооборудование и электроснабжение торфопредприятий учеб. пособие

Так как электродвигатели при данной мощности, но большей скорости, имеют меньше габариты и вес, а следовательно, и стои­ мость, то целесообразно применять более быстроходные электро­ двигатели. Однако увеличение быстроходности электродвигателя приводит к более громоздкой передаче, что удорожает редуктор. Однозначного решения эта задача не имеет.

Для электроприводов с редкими пусками выбор номинальной скорости вращения электродвигателя производится из условия наи­ меньшей стоимости электродвигателя и редуктора.

Для приводов с частыми пусками наиболее существенным является сокращение общего времени переходных процессов. Если исходить из этого положения, то определение номинальной скоро­ сти вращения электродвигателя находит свое конкретное решение.

а— коэффициент, учитывающий момент инерции пе­ редач;

Ум и Мс-м— маховый момент инерции и момент сопротивле­ ния, отнесенные к валу рабочей машины;

пы— частота вращения рабочей машины, об/мин.

Анализ выражения (2-38) показывает, что единственной пере­ менной величиной в нем, которая может меняться при разных но­ минальных частотах вращения электродвигателя, будет Уд&2.

Таким образом, найдя в каталоге все электродвигатели данно­ го типа и заданной номинальной мощности Рю можно найти для них минимальную величину Уд&2, а. следовательно, и наивыгодней­ шую частоту вращения (из условия минимального времени, пере­ ходного процесса).

Пример 2-2. Определить оптимальное передаточное число (т. е. номиналь­ ную частоту вращения электродвигателя) из условия минимального общего вре­ мени процессов пуска и торможения для механизма, имеющего частоту вращения «м = 300 об!мин и мощность Рс =6,8 кВт.

20

Р е ш е н и е . Принимаем асинхронный электродвигатель единой серии А02 (закрытое обдуваемое исполнение). Ближайшая номинальная мощность электро­

Вопросы для самопроверки ■

1. Что называется моментом инерции массы? Какова его размерность?

2.Поясните физический смысл и знаки каждой составляющей уравнения вращательного движения — Ма, Мс и Л4ДШ1.

3.В каких режимах будет работать система электропривода при различных соотношениях между Л4Д и Л4С?

4.Для какой цели производится приведение моментов сопротивлений и мо­ ментов инерции?

'5. Почему для приведения статических моментов надо в одном случае вво­

дить. коэффициент полезного действия передач в знаменатель, а во втором — ■в числитель?

6. Поясните выбор оптимального передаточного числа между электродвига­ телем и рабочей машиной.

7. Укажите способы уменьшения времени переходных процессов при пуске и яри торможении электроприводов.

\

Глава 3

МЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ

§ 3-1. Механические характеристики производственных механизмов и электродвигателей

При выборе электродвигателя к производственному механизму необходимо выяснить,чнасколько механические свойства электро­ двигателя соответствуют і механическим характеристикам рабочей машины и характеру ее работы. Соответствие механических харак­ теристик электродвигателя производственному механизму позволит обеспечить наиболее высокую производительность механизма. Не­ соответствие характеристик сковывает производительность рабочей машины, ухудшает экономические показатели работы электро­ привода.

Механические, или статические, характеристики производст­ венного механизма представляют зависимость статического момен­ та сопротивления механизма от скорости на его валу, т. е.

Мс = / (со) или со = f(Mc).

Различают четыре основных вида (класса) этих характеристик

иметь, например, привод генератора постоянного тока, работающе­ го на постоянное сопротивление. Здесь мощность пропорциональ­ на квадрату скорости.

22

3. Нелинейно возрастающая (параболическая) механическая характеристика (линия 3) —Mc m cw 2. В эту группу входят все машины, работа которых сводится к преодолению сопротивления воздуха или жидкости (вентиляторы, центробежные насосы, •судо­ вые винты, центрифуги и др.). Момент сопротивления у таких ма­

жущие станки токарной группы, моталки в металлургической про­ мышленности, электроиакат в бумажной промышленности. Мощ­ ность на валу у подобных машин приблизительно постоянна.

щего момента, т. е. <у«=/(Л4д).

Механические характеристики электродвигателя разделяют на естественные и искусственные. Естественная механическая харак­ теристика соответствует работе электродвигателя с номинальными параметрами при нормальной схеме включения. Искусственная ме­ ханическая характеристика создается при работе электродвигателя с параметрами, отличнкми от номинальных (например, при введе­ нии сопротивления в цепь ротора, при изменении напряжения или частоты питающей сети и т. д.).

Для оценки изменения скорости при изменении момента на ва­ лу служит так называемая жесткость характеристики, которая рав­ на отношению приращения момента к соответствующему прираще­ нию скорости (рис. 3-2):

Ш

(3-1>

d со

Естественные механические характеристики электродвигателей по степени жесткости разделяются на следующие группы (рис. 3-3):

1.Абсолютно жесткая характеристика (линия 1), при которой скорость электродвигателя с изменением момента нагрузки оста­ ется неизменной (ß = —); к этой группе относятся синхронные элект­ родвигатели.

2.Жесткая характеристика (линия 2), при которой скорость электродвигателя с изменением момента нагрузки уменьшается на небольшую величину (ß = 40—10). К этой группе относятся, напри­ мер, асинхронные электродвигатели, работающие при скольжени­

ях, меньших критического, и электродвигйтели постоянного тока

спараллельным возбуждением.

3.Мягкая механическая характеристика (линия 3), при кото­ рой скорость электродвигателя резко уменьшается при увеличении момента нагрузки (ß< 10); примером может служить электродви­ гатель постоянного тока с последовательным возбуждением.

23

При совместной работе электродвигателя с производственным механизмом в установившемся режиме вращающий момент элек­ тродвигателя уравновешивается статическим моментом сопротивле­ ния. Этому состоянию равновесия моментов соответствует опреде-

I

буждения. 1

ленная скорость вращения электродвигателя. При изменении мо­ мента сопротивления на валу электродвигателя равновесие моментов нарушается. Согласно закону сохранения энергии, изме­ нившемуся статическому моменту должно соответствовать новое значение момента электродвигателя. Возникает переходный режим,

электродвигателя параллельного возбуждения и две механические характеристики 1 и 2 производственного механизма с моментами Л4с1 и Мс2, не зависящими от скорости (например, подъемная ле­ бедка) .

Характеристика 1 соответствует статическому моменту Мс1. Ток якоря электродвигателя при работе с моментом Мс1 равен

24

М К1 =

Этому состоянию равновесия моментов соответствует устано­

идти за счет возрастания тока якоря. При постоянных напряже­ ниях сети U и сопротивлении цепи якоря R возрастанию тока долж­ но соответствовать снижение э. д. с. Еі или при <£>= const снижение скорости вращения электродвигателя. Уменьшение скорости и со­ ответствующее увеличение тока якоря будут происходить автома­ тически, пока моменты электродвигателя и сопротивления механиз­ ма не уравновесятся. Новому моменту электродвигателя Мд2 бу­ дет соответствовать установившаяся скорость сос2.

Таким образом, в электродвигателе роль автоматического ре­ гулятора, осуществляющего устойчивую работу системы, выпол­ няет э. д. с. якоря (ротора).

Рассмотренные условия работы электропривода в установив­ шемся режиме характеризуют статическую устойчивость привода, когда изменение во времени скорости и момента происходит отно­ сительно медленно в отличие от динамической устойчивости, имею­ щей место при переходных режимах.

Устойчивая работа электропривода в пределах определенных скоростей и моментов сопротивления производственного механизма требует подбора соответствующей механической характеристики электродвигателя. Это может быть достигнуто выбором электро­ двигателя определенного типа и изменением электрических пара­ метров его цепей.

§ 3-2. Электромеханические свойства электродвигателей

При совместной работе электродвигателя с производственным механизмом к электродвигателю могут предъявляться требования, обусловленные задачами технологического процесса. Электродвига­ тель должен не только приводить в движение рабочую машину, но и обеспечивать ее производительную и экономичную работу. Вы­ полнение этих задач требует от электродвигателя определенных механических и регулировочных свойств.-

Осуществляя привод рабочей машины, электродвигатель мо­ жет выполнять две основные функции: двигателя и тормоза.

При работе в режиме двигателя электрическая 'энергия, посту­ пающая из сети, преобразуется электродвигателем в механическую,

25

и на залу привода создается вращающий момент, обеспечивающий движение рабочей машины.

При работе в тормозном режиме к валу электродвигателя под­ водится механическая энергия (кинетическая энергия, запасенная в электродвигателе и в движущихся элементах приводимого им ме­ ханизма), которая превращается в электрическую. Электромагнит­ ный момент при этом, являясь уравновешивающим, препятствует движению, г. е. выполняет "роль тормоза. В зависимости от усло­ вий работы привода и схемы включения электродвигателя разли­

жении подводится частично из сети, а частично со стороны вала электродвигателя; вся энергия при этом расходуется в сопротивле­ нии якорной (роторной) цепи электродвигателя.

К основным показателям, характеризующим электродвигатель, относятся его регулировочные свойства. Регулирование скорости имеет первостепенное значение для многих производственных меха­ низмов, так как при этом обеспечиваются их наилучшие технико­ экономические показатели.

Под регулированием скорости вращения электродвигателя сле­ дует понимать принудительное ее изменение согласно требованиям технологического процесса.

Регулирование скорости необходимо отличать от естествен­ ного ее изменения, связанного с изменением нагрузки на валу электродвигателя. Регулирование скорости всегда связано с изме­ нением положения механической характеристики электродвигателя. На рис. 3-5 показан переход с естественной механической характе­ ристики 1 на искусственную механическую характеристику 2 элек­ тродвигателя параллельного возбуждения при заданной нагрузке Мс. Такой переход позволяет осуществить изменение скорости с соі на игИменно в этом заключается цель создания искусствен­ ных механических характеристик, обеспечивающих ту. или иную скорость вращения при заданном моменте нагрузки.

26

При сравнении и оценке регулировочных свойств электродви­ гателя необходимо учитывать следующие показатели регулирсь вания:

диапазон и плавность регулирования; экономичность; статическую устойчивость;

направление регулирования скорости по отношению к номинальной скорости;

мощность и момент электродвигателя при регулировании. Диапазон регулирования при номинальном моменте нагрузки

определяется отношением максимальной скорости сомакс к миниі. мальной сомин, т. е.

D ®макс/®мин‘ (3-3^

Существует несколько способов выражения отношения D:

1. Отношение наименьшей скорости к наибольшей обозначается, в виде дроби с числителем, равным единице, например, 1:10, 1:100 и т. д. Это означает, что наибольшая скорость при номинальном токе выше наименьшей при том же токе в 10, 100 раз. Иногда принимают знаменатель дроби равным единице и получают соот­ ветственно 10:1, 100:1. Для многоскоростных асинхронных элек: тродвигателей знак деления заменяется косой черточкой, например, 2/1. В последнее время используется более простая запись диапа: зона регулирования: £> = 2; 3; 10 и т. д.

2.Наибольшая или наименьшая скорости иногда указываются

впроцентах от номинальной скорости, принимаемой за 100%. На­ пример, пределы регулирования 100—50%, т. е. снижение скорости вниз на 50%; для многоскоростных электродвигателей соответствен­

но 100/50%.

Плавность регулирования характеризуется отношением сосед; них скоростей при заданном моменте нагрузки. Чем меньше эт$ отношение, тем выше плавность. Плавность регулирования повы­ шается с увеличением числа ступеней в одном и том же диапазону скоростей. '

Экономичность регулирования определяется стоимостью регу­ лировочных устройств и величиной суммарных потерь мощности при регулировании.

Потери мощности связаны с к.п.д. электродвигателя

где Р — мощность на валу электродвигателя; Ар — потери мощности в электродвигателе и регулирующих,

устройствах.

Потери мощности различны для разных способов регулирова­ ния. Они особенно заметны при реостатном регулировании, когда переключение сопротивления производится в цепи главного тока.

27.

(тока якоря или ротора). В этом случае потери, а следовательно, и к.п.д. будут пропорциональны снижению скорости.

Статическая устойчивость работы электродвигателя на данной регулировочной ступени связана с жесткостью его механической характеристики. Чем больше жесткость характеристики, тем мень­ ше сказывается влияние колебания момента нагрузки на скорость электродвигателя, тем устойчивее будет работа привода.

Направление регулирования скорости по отношению к номи­ нальной в сторону ее уменьшения или увеличения связано со спо­ собом регулирования.

При реостатном регулировании, когда в цепь якоря (ротора) вводится дополнительное сопротивление, скорость вращения элек­ тродвигателя снижается, т. е. имеет место регулирование вниз от номинальной скорости.

При регулировании скорости электродвигателя постоянного то­ ка ослаблением магнитного потока его регулирование осуществля­ ется вверх от номинальной скорости.

При регулировании скорости асинхронного электродвигателя изменением числа пар полюсов все регулировочные скорости мож­ но принимать за номинальные, поэтому здесь понятие «направле­ ние регулирования по отношению к номинальной» не имеет смысла.

Мощность и момент электродвигателя при регулировании зави­ сят от способа регулирования. В одном случае с переходом на дру­ гую скорость момент электродвигателя остается неизменным, а мощность меняется пропорционально изменению скорости. В дру­ гом случае, наоборот, меняется момент, а мощность остается не­ изменной. Первый случай соответствует регулированию с постоян­ ным моментом, второй — регулированию с постоянной мощностью.

Поясним эти положения подробнее. В процессе регулирования скорости необходимо, чтобы электродвигатель работал на всех регулировочных ступенях с номинальным током. При этом темпе­ ратура электродвигателя достигает допустимого предела и элек­ тродвигатель будет использован наиболее полно в отношении нагрева.

Вращающий момент электродвигателя, работающего с посто­

Из уравнения (3-5) следует, что момент электродвигателя ирк постоянном значении тока пропорционален магнитному потоку. Если при регулировании скорости поток остается неизменным, то регулирование будет осуществляться с постоянным моментом.

Электромагнитная мощность при /= / н равна

28

= const, будет осуществляться при постоянной мощности, которую можно получить от электродвигателя на всех регулировочных сту­ пенях.

Производственные механизмы при регулировании скорости предъявляют разные требования к регулируемому электроприводу. Одни механизмы требуют от электродвигателя постоянства мощ­ ности на всех регулировочных скоростях, например многие меха­ низмы главного привода металлорежущих станков (токарные, ка­ русельные, фрезерные). Другие механизмы требуют одного и того же момента вращения, например приводы механизмов подъема, передвижения, механизмы подач станков.

Поясним эти положения на примере механизма барабанной сушилки, применяемой на торфобрикетных заводах.

Сушилка требует регулирования скорости при постоянном мо­ менте. Это требование для электропривода постоянного тока можно удовлетворить путем изменения сопротивления или подводимого к электродвигателю напряжения. При этом предельно допустимый по нагреву момент Мд= аФІн = Mz = const и не зависит от скоро­ сти.

Если для электропривода данного механизма регулирование осуществлять воздействием на магнитный поток (в сторону его сни­ жения), то для сохранения неизменным момента на валу электро­ двигателя (при Мс = const) ток якоря по мере снижения потока дол­ жен возрастать. Так как при этом ток превысит номинальное значение, такой способ регулирования скорости применять в дан­ ном случае нельзя.

Таким образом, при выборе того или иного способа регулиро­ вания скорости необходимо предварительно знать те требова­ ния, которые предъявляет производственный механизм в отношении регулирования к электродвигателю. Если, например, механизм работает в процессе регулирования скорости с постоянным момен­ том, то с точки зрения наиболее полного использования электро­ двигателя и наиболее производительной и экономичной работы механизма необходимо выбрать такой способ регулирования ско­ рости электродвигателя, чтобы момент на его валу также оставался постоянным.

При рассмотрении вопросов о допускаемой нагрузке электро­ двигателя в процессе регулирования предполагалось, что условия охлаждения электродвигателя остаются неизменными на всем диа­ пазоне скоростей вращения. Следует, однако, иметь в виду, что для электродвигателей с внутренней 'самовентиляцией, имеющих собственный вентилятор для охлаждения, снижению скорости вра­ щения должно соответствовать уменьшение нагрузки. Если нагруз­ ку уменьшить нельзя (например, работа механизма при Мс =

. = const), то прибегают к установке продуваемых электродвигате­ лей или обдуву электродвигателя от специального вентилятора.

Для оценки электродвигателей имеют также значение пуско­ вые характеристики, которые определяются следующими величи­ нами:

29