Конспект лекций - Электромеханические системы
.pdf
Механические характеристики принято оценивать их жесткостью β = dM .
dω
Они бывают (рис.1.7) абсолютно жесткими β = ∞ (1), абсолютно мягкими β = 0 (2) могут иметь отрицательную β <0(3) или положительную (4) жесткость.
Рис.1.7. Механические характеристики с различной жесткостью
Вопросы для самопроверки
1)Как записывается уравнение движения электропривода?
2)Что такое динамический момент?
3)В каких случаях режим установившийся, а в каком переходный?
4)Для чего и как осуществляют привидение моментов?
5)Что называются механическими характеристиками электропривода?
6)Какие знаки имеют тормозящие и движущие моменты?
7)Какие моменты называют активными, а какие реактивными?
8)Как оценивается жесткость механической характеристики?
Список литературы:
1.Кацман М.М. Электрический привод: Учебник для студ. образоват. учреждений сред. проф. образования. – М.: Издательский центр «Академия», 2005. – 384с. ISBN 5-7695-2060-4
2.Москаленко В.В. Электрический привод: Учеб. пособие для проф. образования. – 3- е изд., стер. – М.: Издательский центр «Академия», 2005. – 368 с. ISBN 5-7695-2502-9.
11
Тема 1.3. Режимы работы электроприводов
Цель и задачи: познакомиться с основными режимами работы электроприводами и видами нагрузочных характеристик.
Учебные вопросы:
1 Нагрев и охлаждение двигателей в ЭП.
2 Длительный режим работы.
3.Кратковременный режим работы.
4.Повторно-кратковременный режим работы.
1.3.1 Нагрев и охлаждение двигателей в ЭП
При включении двигателя в сеть и наличии на его валу нагрузки происходит его нагрев, зависящий от тепловых потерь ∆Р, времени нагрева t, теплоемкости С и теплоотдачи двигателя А. Эти величины связаны между собой уровнем теплового баланса электродвигателя
, |
(1.6) |
где τ – превышение температуры двигателя над температурой охлаждающей среды, которую принимают, как правило, равной +400С.
τ, оС
τуст
t
Рис.1.8. Нагрев двигателя
Решение этого уравнения дает зависимость изменения превышения температуры D во времени:
|
, |
(1.7) |
||||
где τуст – |
установившееся превышение температуры, 0С; |
|
||||
τнач – |
начальное превышение температуры, 0С; |
|
||||
Тн – |
постоянная времени нагревания, с |
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Режимы работы ЭД стандартизированы и обозначаются S1, S2, … , S8. Из них основными являются S1, S2, S3.
1.3.2.Номинальные режимы работы электродвигателей
12
Длительный – это режим, в котором превышение температуры двигателя достигает установившегося значения.
Длительный режим подразделяют на 2 вида:
а) режим с постоянной нагрузкой S1
б) режим с переменной нагрузкой S6, S7, S8.
Ктипу а) относятся ЭП вентиляторов, насосов, компрессоров, транспортеров, текстильных станков и т.д.
Ктипу б) относятся ЭП поршневых насосов, прокатных станов, токарных, фрезерных, сверлильных станков.
Режим работы ЭП отражают при помощи нагрузочных диаграмм (НД), которые представляют собой зависимость мощности Р, момента М или тока двигателя I от времени t.
Нагрузочные диаграммы и кривые нагрева для длительных режимов представлены на рис.1.8.
|
Р |
P |
|
|
|
|
|
τуст |
|
|
|
|
|
S1 |
τ |
|
|
|
|
|
S6 |
tp |
txx |
tp |
txx |
||
t
t
P |
ω |
|
|
М
S7
tп |
tp |
tп |
S8 |
||||
|
tТ |
t |
|
|
|
|
t |
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис.1.8. Длительные режимы работы двигателя
S6 – режим продолжительной работы при переменной нагрузке двигателя. Цикл работы в этом режиме состоит из периодов работы при постоянной нагрузке и холостого хода;
S7 – режим, включающий последовательность идентичных рабочих циклов, каждый из которых состоит из периодов пуска, работы при постоянной нагрузке и торможениия;
S8 – режим при переодическом изменении скорости вращения и момента нагрузки. Этот режим включает последовательность идентичных циклов, каждый из которых состоит из периодов ускорения работы при постоянной нагрузке и торможения.
13
Кратковременный режим – S2 двигатель работает непродолжительное время, в течении которого превышение его температуры не достигает установившегося значения, а после отключения он успевает охладиться до температуры окружающей среды. В этом режиме работают ЭП шлюзов, задвижек нефте- и газопроводов и др.
P,τ |
Р,τ |
Р |
|
|
|
||
|
р |
|
|
S2 |
S3 |
|
|
τ |
|
|
|
|
τ |
|
|
|
|
|
|
|
t |
tр |
t |
|
|
|
0 |
t
Р |
М |
|
|
|
|
|
|
S5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
S4 |
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
tп tр |
tТ |
|
tп |
|||
|
tп tр |
t0 |
tп |
tр |
t0 |
||||
|
|
|
|
t |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
t
tц
Рис.1.9. Кратковременный и повторно-кратковременные режимы работы
Повторно-кратковременный режим – в котором кратковременный периоды включения двигателя чередуются с периодами пауз, причем в период нагрузки превышение температуры двигателя не достигает установившегося значения, а при отключении не успевает достичь температуры охлаждающей среды.
Свойства двигателей в повторно-кратковременном режиме зависят от про-
должительности включения (ПВ).
ПВ – это величина, равная отношению времени работы двигателя под нагрузкой ко времени цикла, измеряемое в %:
. |
(1.8) |
ПВ стандартизированы и составляют 15, 25, 40, 60 %. Значение ПВ указывается на паспорте двигателя.
Повторно-кратковременный режим более разнообразен.
14
S3 – характеризуется последовательностью идентичных циклов, каждый из которых состоит из периодов работы Д при постоянной нагрузке и периода отключения.
S4 – режим, включающий пуск двигателя i временем tп. Для этого режима:
. |
(1.9) |
S5 – режим, включающий пуск, период работы и торможения. Для него:
. |
(1.10) |
Вопросы для самопроверки
1)Как записывается уравнение теплового баланса двигателя?
2)Чем характеризуется длительный режим и на какие два вида он делится?
3)Дайте характеристику продолжительному режиму S1?
4)Дайте характеристику кратковременному режиму S2?
5)Дайте характеристику повторно-кратковременному режиму S3?
6)Как рассчитывается продолжительность включения и каковы ее стандартизированные значения?
Список литературы:
1.Кацман М.М. Электрический привод: Учебник для студ. образоват. учреждений сред. проф. образования. – М.: Издательский центр «Академия», 2005. – 384с. ISBN 5-7695-2060-4
2.Москаленко В.В. Электрический привод: Учеб. пособие для проф. образования. – 3- е изд., стер. – М.: Издательский центр «Академия», 2005. – 368 с. ISBN 5-7695-2502-9.
15
Тема 1.4. Расчет мощности и выбор электродвигателей
Цель и задачи: освоить методики расчет мощности электродвигателей для различных режимов работы.
Учебные вопросы:
1.Расчет мощности для длительного режима при постоянной нагрузки.
2.Расчет мощности для длительного режима при переменной нагрузки по методу средних потерь.
3.Расчет мощности для длительного режима при переменной нагрузки по методу эквивалентных величин.
4.Расчет мощности для повторно-кратковременного режима.
5.Расчет мощности для кратковременного режима.
Выбор электродвигателя предлагает:
а) выбор рода тока и номинального напряжения осуществляют, исходя из экономических соображений с учетом того, что самым простыми, дешевыми и надежными являются АД, а самыми дорогими и сложными ДПТ;
б) выбор номинальной частоты вращения; в) выбор конструктивного исполнения выполняют, учитывают 3 фактора: за-
щиту его от воздействия окружающей среды, способ и обеспечение охлаждения и способ монтажа.
1.4.1. Расчет мощности для длительного режима
а) При постоянной нагрузке определяется мощность Рс или момент Мс механизма, приведенные к валу двигателя, и по каталогу выбирается двигатель, имеющий ближайшую не меньшую номинальную мощность Рн: Рн≥Рс
Для тяжелых условий пуска осуществляется проверка величины пускового момента двигателя так, чтобы он превышал момент сопротивления механизма.
Пусковой момент: |
|
Мп=Мн·λ, |
(1.11) |
Мн=Рн·ωН, |
(1.12) |
где λ – кратность пускового момента двигателя, выбираемый по каталогу.
б) При длительной переменной нагрузке определение номинальной мощности
Dпроизводят
-по методу средних потерь
-по методу эквивалентных величин (мощности, момента или тока).
Расчет мощности по методу средних потерь.
Метод основан на предположении, что при равенстве номинальных потерь двигателя ∆Рн и средних потерь, определяемых по диаграмме нагрузки, температура двигателя не будет превышать допустимую:
16
(1.13)
где А – теплоотдача двигателя (Д). Алгоритм метода.
1)Определяется средняя мощность нагрузки:
|
|
|
|
|
, кВт |
(1.14) |
2) |
Предварительно подбирается двигатель с номинальной мощностью Рн. |
|||||
При этом: |
|
|
|
|
|
|
Рн=(1,2÷1,3) · Рср, кВт |
(1.15) |
|||||
3)Определяются номинальные потери подобранного двигателя
,кВт |
(1.16) |
где 
- номинальный КПД по паспорту
4)Рассчитывается коэффициент нагрузки для отдельных участков НД:
. |
(1.17) |
5)Из табличных данных выбирается коэффициент, характеризующий отношение постоянных потерь в двигателе к номинальным γ (зависит от типа двигателя
илежит в диапазоне γ=0,5÷1,5)
6)Рассчитываются потери мощности для участков НД:
(1.18)
другой вариант
. |
|
(1.19) |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
где |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
. |
|
|||||||||||||||||
|
7) Рассчитываются средние потери двигателя: |
|
||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
, кВт |
(1.20) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
8) Проверяется условие равенства средних и номинальных потерь. При их расхождении более чем на 10% подбирают другой двигатель и повторяют расчет.
Расчет мощности двигателя по методу эквивалентных величин.
Метод основан на понятии среднеквадратичного или эквивалентного тока (мощности, момента). Переменные потери в двигателе пропорциональны квадрату тока нагрузки.
17
Эквивалентным, неизменным по величине током называют ток, создающий в двигателе такие же потери, как и изменяющийся во времени фактический ток нагрузки.
Алгоритм метода
1)Определяют величину эквивалентного тока:
. |
(1.21) |
2)По каталогу выбирают двигатель, номинальный ток которого равен или несколько IЭ.
3)Двигатель проверяют по перегрузочной способности: отношение наибольшего момента сопротивления к номинальному не должно превышать допустимого значения, приводимого в каталогах.
Если мощность и вращающий момент двигателя пропорциональны величине тока, то для расчета можно воспользоваться выражениями для
- эквивалентной мощности:
, |
(1.22) |
- эквивалентного момента:
. |
(1.23) |
1.4.2 Расчет мощности двигателей для повторно-кратковременного режима работы
Алгоритм расчета
1)По нагрузочной диаграмме определяют среднюю мощность Рср.
2)Выбирают двигатель, номинальная мощность которого не меньше средней мощности.
3)Определяют эквивалентную мощность РЭ или момент МЭ.
4)Эквивалентную мощность, момент или ток пересчитывают для ближайшего стандартного значения ПВНОМ:
|
|
|
(по НД) |
(1.24) |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
, |
(1.25) |
||
|
|
|
, |
(1.26) |
||
18
(1.27)
ПВНОМ – указывается в паспорте двигателя (15,25,40,60 %)
5)По каталогу выбирают двигатель с номинальной мощностью РН при
ПВНОМ так, чтобы РН≥Р.
6)Выбранный двигатель проверяют по перегрузочной способности.
1.4.3Расчет мощности двигателей для кратковременного режима
работы
Для этого режима используются двигатели кранового типа с продолжительностью 15,30,60 и 90 минут, для которых указываются соответствующие номинальные мощности. Мощность двигателя определяется по методу эквивалентных величин.
В этом режиме могут использоваться и двигатели, рассчитанные на длительный режим работы. Двигатель выбирают заниженной мощности. Следовательно, ток двигателя в период работы в этом режиме может существенно превышать номинальный, однако превышение температуры при этом не должно быть больше допустимого:
(1.29)
где А – теплоотдача двигателя. Входящие величины определим далее.
- Ток двигателя в кратковременном режиме работы допустимый в течении времени tКР:
, |
(1.30) |
где |
, |
ТН – |
постоянная времени нагрева двигателя, с. (ТН=С·А С – теплоемкость). |
Вопросы для самопроверки
Список литературы:
1.Кацман М.М. Электрический привод: Учебник для студ. образоват. учреждений сред. проф. образования. – М.: Издательский центр «Академия», 2005. – 384с. ISBN 5-7695-2060-4
2.Москаленко В.В. Электрический привод: Учеб. пособие для проф. образования. – 3- е изд., стер. – М.: Издательский центр «Академия», 2005. – 368 с. ISBN 5-7695-2502-9.
19
Модуль 2. ЭЛЕКТРОПРИВОДЫ С ДВИГАТЕЛЯМИ ПОСТОЯННОГО ТОКА
В ЭП используются двигатели постоянно тока независимого (ДПТНВ), последовательного (ДПТПВ) и смешанного возбуждения (ДПТСВ), а так же двигатели с возбуждением от постоянных магнитов, которые по своим характеристикам близки к ДПТНВ. Электроприводы с ДПТНВ являлись до недавнего времени основным видом регулируемого ЭП.
Электротехническая промышленность выпускает следующие типы двигате-
лей:
1)Основная общепромышленная серия 2П в диапазоне мощностей от 0,13 до 200кВт различного исполнения. В частности эти двигатели имеют встроенных тахогенератор.
2)Усовершенствованная серия 4П, рассчитанная на напряжения 110 и 220
В, со скоростями 750÷3000 об/мин. И МНОМ 2÷15000 Н·м. Трудоемкость их изготовления по сравнению с 2П снижена в 2,5 раза.
3)Для металлических станков кроме серий 2П, 4П применяются ПБСТ и ПГТ (с гладким якорем), а также высокомоментные двигатели ПБВ, ДК1, ДК2 с возбуждением от постоянных магнитов.
4)Для крановых механизмов – серии Д и НВ и последующим возбуждени-
ем.
5)Для краново-металлических ЭП применяются также двигатели с независимым, последовательным и смешанным возбуждением серии ДПТ.
Тема 2.1. Схемы включения и основные соотношения для двигателей постоянного тока
Цель и задачи: изучить схемы включения, основные соотношения и виды характеристик двигателей постоянного тока различных включений
Учебные вопросы:
1.Двигатель постоянного тока независимого возбуждения.
2.Двигатель постоянного тока последовательного возбуждения.
Двигатели постоянного тока имеют две основные схемы включения: с независимым и последовательным возбуждением. Рассмотри каждую из них.
2.1.1 Двигатель постоянного тока независимого возбуждения.
Схема включения ДПТ НВ и его механическая характеристика представлены на рис.2.1.
Якорная цепь питается от независимого источника с напряжением U. В простейшем случае сопротивление цепи якоря R постоянно, магнитный поток Ф определяется лишь током возбуждения и не зависит от нагрузки (реакция якоря не проявляется), индуктивные параметры цепей пока не учитываются, поскольку рассматриваются лишь установившиеся (статические) режимы.
20