Библиотека / Красовский основы электропривода

Даже в тех случаях, когда в соответствии с технологическим процессом не требуется регулирование скорости, плавное измене­

ние скорости ro0 в переходных процессах, для реализации которо-

го обычно используют индивидуальные регулируемые преобразо­

ватели, часто бывает оправданным с энергетической точки зрения.

В качестве примера можно привести электроприводы насосов для перекачки холодной и горячей воды в коммунальном хозяйстве

современных городов, где только за счет обеспечения плавного

пуска и торможения двигателей достигнута значительная эконо­

мия энергии.

7.4. Выбор двигателей по мощности

7.4.1. Общие сведения о выборе двигателей

При проектировании электропривода одной из важнейших

задач является правильный выбор двигателя по роду тока, номи­

нальным значениям мощности, напряжения и скорости, виду есте­

ственной механической характеристики, регулировочным возмож­

ностям и особенностям их практической реализации, конструктив­ ному исполнению и т. д. Выбранный двигатель должен полностью

удовлетворять требованиям технологического процесса и услови­

ям окружающей среды, в которой он будет находиться при экс­ плуатации, быть наиболее простым по устройству и управлению, обладать необходимым запасом надежности, иметь минимальные габариты, массу и стоимость.

Обычно находится некий компромисс между перечисленными

показателями, поскольку они часто являются противоречивыми и

имеют противоположные тенденции. Материал предшествующих

глав в отношении принципа действия основных типов электриче­

ских машин постоянного и переменного тока, их характеристик в

статических и динамических режимах, регулировочных возможно­

стей и необходимых устройств для их практической реализации

может служить основой творческого подхода к этому вопросу.

Наиболее простыми конструктивно и надежными в широком

диапазоне мощностей являются асинхронные двигатели с коротко­

замкнутым ротором. Их масса на единицу мощности примерно

в 1,5- 2 раза меньше, чем у машин постоянного тока. Особенно

374 Глава 7. Энергетика электропривода и выбор двигателя

эти преимущества заметны в массовых нерегулируемых электро­

приводах, поскольку эти двигатели могут работать непосредствен­

но от трехфазной промышленной сети, тогда как для двигателей постоянного тока необходим выпрямитель.

Широко известные недостатки асинхронных двигателей -

большие пусковые токи, нелинейность характеристик - в насто­

ящее время успешно преодолеваются современными методами

частотного управления: векторным управлением и его дальней­

шим развитием - прямым управлением моментом. Эти методы

рассмотрены здесь поверхностно, поскольку требуют более глубо­

кого проникновения в физику процессов в двигателе. Они основы­

ваются на достаточно сложном математическом аппарате, реали­

зуются на быстродействующих специализированных контроллерах и высокоэффективных силовых преобразователях. Благодаря чему

доля асинхронных электроприводов постоянно расширяется и они

уже с успехом применяются во многих отраслях промышленности:

в робототехнике, станкостроении, прокатном производстве и т. п.

Асинхронные двигатели с фазным ротором конструктивно зна­

чительно сложнее короткозамкнутых, и их применение в боль­

шинстве случаев оказывается оправданным лишь там, где их кон­

структивные особенности удается использовать наиболее удачно,

например в рассмотренных выше каскадных схемах включения

машин большой мощности. Особого внимания заслуживает воз­

можность их использования в специальных установках как машин

двойного питания. Интересным и перспективным в этой связи мо­

жет быть применение таких электрических машин в установках

нетрадиционных источников питания, использующих, например,

энергию ветра. В общепромышленном же применении их доля не­

значительна.

Для механизмов средней и большой мощности, где не требует­

ся регулирования скорости, традиционным является применение

синхронных двигателей. Их достоинства - жесткая механическая

характеристика, большая перегрузочная способность, меньшая,

чем у асинхронных двигателей, зависимость развиваемого момен­

та от напряжения питания (момент пропорционален первой степе­ ни напряжения, а не второй, как у асинхронных двигателей), воз­

можность компенсации реактивной энергии. Также традиционно

отмечаемый их основной недостаток - отсутствие пускового мо­ мента и возникающие в этой связи сложности пуска при питании

от промышленной сети - в настоящее время преодолевается при

их питании от индивидуальных преобразователей частоты.

Многие годы для механизмов, к которым предъявляются по­

вышенные требования в отношении регулирования скорости, ка­ чества переходных процессов, наиболее удачным выбором были

коллекторные двигатели постоянного тока независимого возбуж­

дения. Однако, учитывая достигнутый прогресс в электроприводах переменного тока, а также меньшую надежность, большие габари­ ты и массу двигателей постоянного тока, в настоящее время пред­

почтение им, очевидно, следует отдавать только после тщательно­

го и всестороннего технико-экономического обоснования.

В ряде специальных установок сборочного оборудования, в робототехнике, атомной энергетики и др. наилучшие результаты

могут быть достигнуты при использовании относительно мало

распространенных типов двигателей: шаговых, гистерезисных, с

полым ротором и т. д. Описание их конструкции, принципа дей­

ствия и характеристик большей частью осталось за рамками дан­ ной книги, однако при необходимости можно воспользоваться

специализированной литературой.

Номинальное напряжение электродвигателя должно выбирать­ ся максимально близким к номинальному напряжению источника

питания или преобразователя. Номинальные фазные напряжения

асинхронных двигателей малой и средней мощности обычно со­

ставляют 127 или 220 В. Номинальное напряжение асинхронных и

синхронных двигателей средней и большой мощности может со­ ставлять 3000, 6000, 1000 В. Наиболее распространенными номи­

нальными напряжениями двигателей постоянного тока являются

11 о, 220, 440 в.

При выборе номинальной скорости двигателя необходимо од­ новременно учитывать несколько обстоятельств: рабочую ско­

рость производственного механизма, наличие или отсутствие ре­

дуктора, направление регулирования скорости в регулируемом

электроприводе. При одинаковой выходной мощности более высо­ коскоростные двигатели имеют меньшие габариты и массу, по­

скольку они определяются не его номинальной мощностью Рн, а номинальным моментом Мн. Из теории проектирования электри-

ческих машин известно соотношение между Мн, диаметром D и

длиной ротора L , а также принятыми линейной (токовой) нагруз­ кой А (см. гл. 2) и максимальной индукцией в магнитопроводе В:

376 Глава 7. Энергетика электропривода и выбор двигателя

где k - коэффициент пропорциональности. Однако при попытке

полущпь за счет применения высокоскоростного двигателя выиг­

рыш в суммарной массе и габаритах проектируемого оборудования

при его заданной рабочей скорости для исключения неверных вы­

водов следует обязательно учитывать изменение передаточного от­

ношения согласующего редуктора, также влияющего на его сум­

марную массу и габариты. Окончательное решение в этом вопросе

следует принимать только на основе технико-экономического срав­

нения различных вариантов с учетом удобства компоновки разных частей проектируемого оборудования в целом. В некоторых отрас­

лях промьппленности целесообразным может быть применение

специализированных мотор-редукторов, представляющих собой

единый конструктивный узел из двигателя и редуктора.

По конструктивному исполнению двигатели различаются по

расположению вала и способу защиты от воздействия окружаю­

щей среды. При необходимости можно использовать двигатели с

горизонтальным или вертикальным расположением вала.

По степени защиты от окружающей среды различают откры­ тые, защищенные и герметичные двигатели. Открытые двигатели

не имеют специальных приспособлений для исключения сопри­

косновения с токоведущими и вращающимися частями и попада­

ния внутрь посторонних предметов. Защищенные двигатели для

этой цели имеют специальные короба, решетки и сетки. Разновид­ ностью этих двигателей являются каплезащищенные и брызгоза­

щищенные двигатели. Однако эти двигатели не защищены от попадания внутрь пыли, влаги и агрессивных газов. Закрытые дви­

гатели не имеют специальных отверстий для воздухообмена с окружающей средой, они наиболее сложны в конструктивном от­ ношении и имеют большие габариты и массу. Разновидностью их

являются взрывозащищенные двигатели со специальным кожухом,

препятствующим распространению пламени при взрыве внутри двигателя; водозащищенные двигатели имеют специальные рези­ новые уплотнения и сальники для исключения попадания внутрь

их воды. Самая совершенная защита в герметичных двигателях,

исключающая всякое сообщение между внешней средой и внут­ ренним пространством двигателя. Они остаются в рабочем состоя­ нии даже будучи полностью погруженными в воду. Кроме того,

промышленностью выпускаются двигатели для работы в специ­

альных условиях тропического климата, для работы в химически

агрессивных средах и т. д.

В отношении способа вентиляции двигатели бывают с есте­

ственной вентиляцией, с самовентиляцией и с независимой венти­

ляцией. При естественной вентиляции двигателя какие-либо спе­

циальные устройства для его охлаждения не предусматриваются.

При самовентиляции двигатель обдувается вентилятором, распо­

ложенным на его валу. При закрытом исполнении вентилятор рас­

полагают снаружи. Такие двигатели получили название обдувае­

мых. В случае независимой вентиляции вентилятор приводится в

движение специальным дополнительным двигателем.

Отдельной и очень важной задачей является выбор двигателя по мощности. Необходимое условие при этом - правильный вы­ бор двигателя, который в процессе эксплуатации должен обеспе­

чить выполнение технологического процесса в течение заданного

срока службы при минимальных массе, габаритах, капитальных

затратах и эксплуатационных издержках. С этой точки зрения ис­ пользование двигателя завышенной мощности ведет не только к

удорожанию оборудования, завышению его габаритов и стоимо­

сти, но снижает КПД, а у асинхронных двигателей еще и ухудшает

коэффициент мощности. При перегрузке двигателя сокращается

срок его службы, нарушаются ход технологического процесса,

условия безопасной работы оборудования.

Длительная нагрузка на двигатель ограничивается его нагре­

вом, а кратковременная - его перегрузочной способностью. Пере­ грузочная способность двигателя по моменту определяется отно­ шением максимального момента, который способен развить двига-

Для двигателей постоянного тока максимальный момент Мmax

ограничивается условиями безопасной коммутации в коллекторе. При номинальном потоке возбуждения, как правило, кратковре­ менно допустимый момент не должен более чем в 2,5 раза превы­ шать номинальный момент двигателя Мн. Следует отметить, что у двигателей последовательного и смешанного возбуждения из-за усиления магнитного потока обмоткой последовательного возбуж­ дения перегрузочная способность по моменту всегда выше, чем перегрузочная способность по току.

378 Глава 7. Энергетика электропривода и выбор двигателя

У асинхронных двигателей значение Мтах. ограничено значени­

ем критического момента. С учетом возможного снижения напря­ жения питания до О,9Ин у асинхронных двигателей кратковременно

допустимый момент Мmax ограничивают на уровне 0,8 от критиче-

ского момента, поэтому их перегрузочная способность на есте­

ственной характеристике составляет около 1,7...2,5. У синхронных

двигателей кратковременная перегрузка ограничивается возможно­

стью их выхода из синхронизма. Поскольку они, как правило, про­ ектируются так, что их номинальный момент составляет 0,25 ...0,3

от максимального значения синхронизирующего момента, то их

перегрузочная способность л, составляет около 3.

Ограничение по нагреву двигателей определяется теплостой­

костью их изоляции, которая делится на шесть классов: А, Е, В, F,

Н, С с предельно допустимой температурой 105... 175 °С. При вы­

полнении необходимых условий срок службы изоляции обычно

составляет около 1О - 15 лет. Нагрев изоляции выше допустимых

температур ведет к ее «старению», что проявляется в ее постепен­

ном разрушении и сокращении срока службы двигателя. Так, по­

стоянное превышение температуры изоляции всего на 1О 0С со­

кращает срок службы двигателя почти в 2 раза. Этим обусловлена необходимость оценки максимальной температуры изоляции об­

моток и сравнения ее с допустимой температурой.

Двигатели проектируют так, что предельная температура их об­

моток достигается при протекании по ним номинальных токов и

температуре окружающей среды в 40 °С. Строго говоря, мощность

двигателя, указываемая на его щитке и в каталогах, соответствует

именно этой температуре окружающей среды. Поэтому при значи­ тельно меньшей температуре окружающей среды допустима неко­

торая перегрузка по отношению к номинальной мощности, а при

более высокой температуре, наоборот, нагрузку необходимо уменьшать, либо принимать дополнительные меры для охлаждения.

7.4.2. Построение нагрузочных диаграмм и предварительный выбор двигателя по мощности

Исходные данные для выбора двигателя по мощности представляются в виде нагрузочных диаграмм Mc(t) и тахограмм дви­ жения co(t) механизма, приведенных к валу двигателя. Они опре­ деляются предварительно на основании анализа технологии рабо-

ты механизма. В частном случае, когда двигатель работает пре­

имущественно с постоянной скоростью ro и с постоянным момен­

том нагрузки Мс на валу, выбирать двигатель можно непосред­

ственно по требуемым значениям момента и скорости.

Если же работа двигателя с переменной скоростью составляет заметную долю во времени работы привода, как следует из урав­ нения движения электропривода момент на валу двигателя М

отличается от момента нагрузки Мс на величину динамического

момента. Поэтому для оценки перегрузочной способности двига­

теля и его нагрева необходимо для каждого момента времени

определить зависимость M(t), т. е. построить нагрузочную диа­

грамму двигателя.

В общем случае нагрузочная диаграмма двигателя может иметь

любой вид, однако практически всегда в ней можно выделить

цикл, т. е. интервал времени, через который она повторяется. В тех

случаях, когда режимы работы привода воспроизводятся плохо, ее

обычно строят для наиболее вероятного либо наиболее нагружен­ ного режима его работы.

Построение зависимости M(t) осложняется тем, что динамиче­ ский момент определяется суммарной инерционностью всех по­

движных частей привода, включая и момент инерции ротора, ко­ торый до выбора двигателя неизвестен. Поэтому в тех случаях,

когда динамические режимы составляют заметную долю во вре­

мени работы привода, задачу выбора двигателя по мощности

решают в два этапа. На первом этапе осуществляют предваритель­

ный выбор двигателя по мощности с грубой оценкой влияния ди­

намических режимов, а на втором этапе проверяют его по перегру­

зочной способности и по нагреву.

При предварительном выборе двигателя по мощности необхо­

димо по нагрузочной диаграмме механизма достоверно оценить

требуемый номинальный момент двигателя. В простейшем случае

для этого можно определить средний за цикл момент нагрузки

L i=/p i + ~to

где Мс.ер - средний момент сопротивления нагрузки с учетом пау­

зы; Мс i - момент сопротивления нагрузки на i-м рабочем интер­ вале; fp i - длительность i-го рабочего интервала; п - число ин-

380 Глава 7. Энергетика электропривода и выбор двигателя

тервалов; ~ - коэффициент ухудшения теплоотдачи неподвижно­

го двигателя; t0 - длительность паузы. Далее, умножив Мс.ер на

некоторый коэффициент запаса k3 , можно учесть в требуемом мо­

менте двигателя его динамическую составляющую и определить

нижнюю граничную оценку номинального момента двигателя:

(7.15)

Выбор значения коэффициента k3 в каждом конкретном случае

зависит от доли динамических режимов в цикле работы привода. Его выбирают с учетом опыта решения аналогичных задач из диа­ пазона 1,1... 1,3. Номинальную скорость двигателя сон выбирают

из условия сон ~ сотах при регулировании скорости вниз от основ­

ной скорости; из условия сон ~ сотах при регулировании вверх от

основной скорости; либо выбирают между сотах и comin при двух­

зонном регулировании скорости. Здесь сотах , comin - максималь­

ное и минимальное значения скорости из тахограммы движения

механизма.

По найденным значениям Мн и сон оценивают номинальную

мощность двигателя:

по которой выбирают двигатель по каталогу, а далее с учетом его

параметров переходят к построению нагрузочной диаграммы дви­ гателя, сводящейся к решению известного уравнения движения привода. Поясним сказанное на примере.

Пример. Осуществить предварительный выбор двигателя по

каталогу и построить его нагрузочную диаграмму для некоторого

механизма, тахограмма движения и нагрузочная диаграмма кото­

рого Mc(t), приведенные к валу двигателя, показаны на рис. 7.2, а и б соответственно. Момент инерции механизма задан.

Как видно, время работы механизма состоит из двух рабочих

интервалов длительностью tP1 с моментом нагрузки Мcl и tP2 с

моментом нагрузки Мcl , а также паузы длительностью t0 . Поэтому