Elektrichesky_privod_Kosmatov_V_I_2012

Приближѐнно время пуска, торможения можно определить по формулам

210

Глава восьмая. Основы выбора мощности двигателей

в электроприводе

8.1. Общие сведения

При разработке систем электропривода задача правильного определения мощности электропривода и выбора двигателей, обладающих достаточной мощностью и перегрузочной способностью, имеет исключительно важное практическое значение. Ограничения, накладываемые на процесс преобразования энергии по условиям нагрева, условиям коммутации тока на коллекторах машин постоянного тока, по максимальному моменту двигателей переменного тока, при выборе двигателей должны учитываться достоверно, с разумным запасом, обоснованным анализом вероятных изменений факторов, определяющих нагрев и перегрузочную способность двигателей, а также оценкой точности используемых методов расчѐта.

Ошибки в сторону занижения требуемой мощности электропривода снижают надѐжность его работы, вызывают ускоренный износ изоляции и выход двигателей из строя. Ошибки же в сторону запаса также приводят к издержкам, связанных с недоиспользованием дорогостоящего оборудования, ухудшением энергетических показателей недогруженных двигателей и увеличением динамических нагрузок механизмов. От правильности выбора двигателей при проектировании существенно зависят производительность, надѐжность и экономичность приводимых в движение машин.

Необходимые сведения о перегрузочной способности различных двигателей, достаточные для правильного выбора двигателей по перегрузочной способности, изложены в разделах 3,4,5 пособия, а также в каталогах, справочниках и клиентских формулярах на электрические двигатели. Главное внимание в данном разделе уделяется выбору двигателей по нагреву, который при работе электропривода определяется потерями энергии в двигателе – обмотках, магнитопроводах, коллекторах и т.п.

211

При работе электропривода как в установившихся, так и в переходных режимах в двигателе выделяются потери

где Рпос - постоянные потери, обусловленные потерями в магнитопроводе, механическими потерями, потерями на возбуждение;

Рпер.н - номинальные переменные потери (потери в обмотках якоря, статора и ротора),

Рпер.н I ян2 Rя - для двигателей постоянного тока;

Рпер.н 3I12н R1 3I2'2н R2' - для асинхронных двигателей;Рпер.н Ic Rc - для синхронных двигателей.

В переходных режимах переменные потери могут быть определены как

0

Под действием выделяемых в двигателе потерь энергии происходит его нагрев, который зависит с одной стороны от количества, выделяемого в нѐм тепла, а с другой – от условий отвода тепла в окружающую среду, т.е. от условий охлаждения. В отношении термостойкости наиболее слабым элементом конструкции двигателя является изоляция его обмоток, которая лимитирует допустимую температуру двигателя и, в конечном итоге, допустимую нагрузку на его валу. Максимально допустимая по нагреву нагрузка на валу двигателя указывается в

его паспортных данных как номинальная мощность Рн .

212

8.2. Нагревание и охлаждение двигателей

Для приближѐнных тепловых расчѐтов в практике проектирования используются упрощѐнные модели тепловых процессов в двигателе (тепловые модели) с учѐтом следующих допущений

1)двигатель – сплошное однородное тело, обладающее бесконечно большой теплопроводностью;

2)количество тепла, отдаваемое двигателем в окружающую среду пропорционально разности температур двигателя и окружающей среды;

3)окружающая среда обладает бесконечно большой теплоѐмкостью, т.е. в процессе нагрева двигателя температура еѐ не изменяется;

4)потери мощности Р , теплоѐмкость двигателя С и коэффициент теплоотдачи от температуры двигателя не зависят.

В этом случае уравнение теплового баланса для некоторого интервала времени dt запишется виде

где Рdt - количество тепла, выделяемое двигателем, Дж;

A dt - количество тепла, отдаваемое двигателем в окружающую среду, Дж;

cd - количество тепла, запасаемое двигателем, Дж; A – коэффициент теплоотдачи;

С – теплоѐмкость двигателя;- разность температур двигателя и окружающей среды.

Разделив (8.1) на Adt , получим дифференциальное уравнение нагревания (охлаждения) двигателя

уст – установившееся превышение температуры двигателя над

температурой окружающей среды.

Решением дифференциального уравнения (8.2) является переходная функция

уст(1 e t / TTн ) ,

Вслучае отключения двигателя с самовентиляцией от сети про-

цесс охлаждения протекает медленнее ( A1 > A2 )

начe t / TT 0 .

Для двигателей с принудительной вентиляцией A1 А2 ,

ТТ ТТн ТТ 0 , при этом продолжительность нагревания и охлажде-

ния одинакова и составляет t (3 4)ТТ .

Уравнение (8.2) позволяет представить динамическую тепловую модель двигателя в виде передаточной функции

Рис. 8.1 Процесс нагрева и охлаждения двигателя

214

Рассмотренные процессы соответствуют Р const , т.е. продолжительной работе двигателя с постоянной нагрузкой на валу и с постоянной скоростью. Это частный случай, характерный для значительной группы электроприводов конкретных производственных механизмов. Для широкого класса электроприводов характерна работа с переменной нагрузкой на валу, с частыми пусками и торможениями двигателя. Для таких механизмов тепловые процессы в двигателе протекают при изменяющемся во времени тепловыделении. Для расчѐта процессов нагревания и охлаждения в этих условиях необходимо определение закона изменения во времени потерь энергии, выделяющихся в двигателе. Тогда решение уравнения (8.2) должно производиться при переменной

правой части Р f (t) . Определение этой зависимости производит-

ся на основе нагрузочных диаграмм электропривода.

Структурная схема динамической тепловой модели двигателя представлена на рис. 8.2.

Рис. 8.2 Структурные схемы динамической тепловой модели двигателя

8.3. Допустимые по нагреву режимы работы электродвигателей

В зависимости от габаритов и исполнения двигателей их тепловые постоянные времени имеют значения от нескольких десятков минут до нескольких часов, т.е. процессы нагрева и охлаждения являются инерционными. В связи с этим степень нагрева двигателя зависит не только от перечисленных факторов, но и от времени его работы с той или иной нагрузкой.

215

Влияние времени работы на тепловые процессы иллюстрирует рис. 8.3.

Здесь показаны процессы нагрева и охлаждения двигателя в двух различных режимах работы: при работе с постоянной нагрузкой P на

тельной паузой.

В первом случае температура двигателя успевает достигнуть практически установившегося значения. Поэтому критерий допустимости данного режима работы двигателя по условиям нагрева в данном случае имеет вид

vуст vдоп ,

где vдоп - допустимая температура нагрева двигателя.

Во втором случае максимальное значение температуры vmax

оказывается ниже установившегося значения, соответствующего данной нагрузке.

В связи с этим наиболее общим критерием допустимости использования электрического двигателя для выполнения некоторого заданного графика нагрузки является следующий критерий

vmax vдоп ,

где vmax - максимальная температура двигателя в процессе выполнения заданного графика нагрузки.

Из общего выражения температуры двигателя м vокр как

суммы температуры окружающей среды и превышения температуры, зависящего от нагрузки на валу, очевидно, что нагрузки, допустимые по нагреву двигателя, должны указываться не только с учѐтом временных факторов графика нагрузки, но и температуры окружающей среды. При этом имеют значения также и условия охлаждения двигателя (естественное, самовентиляция, принудительное охлаждение), исполнение двигателя (открытое, защищенное, закрытое и т.д.), поскольку темп изменения температуры определяется коэффициентом теплоотдачи А.

216

Рис. 8.3. Влияние времени работы на тепловые процессы а) длительный режим; б) кратковременный

Изолирующие материалы, лимитирующие нагрев двигателя, по степени нагревостойкости делятся на 6 основных классов по предельно

допустимой температуре: А - 105 С , Е – 120 С , В – 130 С , F -

155 С , H - 180 С , C>180 С .

Температурный режим является важным, но не единственным фактором старения изоляции. На еѐ долговечность существенно влияют величина и характер изменения во времени рабочего электрического

напряжения с высокими значениями du / dt (например, частотноуправляемые асинхронные и синхронные двигатели). К числу значимых факторов износа относятся и механические напряжения, способ крепления и вибрация изолированных токоведущих проводников в машине, разрушение изоляции под действием влаги, влиянием электрической короны и внутренних электрических микроразрядов в пазах высоковольтных машин и т.д. Поэтому выбор класса изоляции и еѐ номинального температурного режима – это лишь один из взаимосвязанных во-

217

просов комплексной проблемы обеспечения качества и надѐжности работы электрических двигателей в электроприводе.

В связи с большим разнообразием реальных графиков нагрузки различных производственных механизмов ГОСТ 183-7 предусматривает указание номинальных данных двигателей для ряда стандартных видов графиков нагрузки, отражающих специфику нагрева и охлаждения двигателей с учѐтом временных и некоторых других параметров. Они обозначаются следующим образом:

S1 – продолжительный режим;

S2 – кратковременный режим с длительностью периода неизменной нагрузки 10, 30, 60 и 90 мин;

S3 – повторно-кратковременный режим с продолжительностью включения (ПВ) 15, 25, 40 и 60%; продолжительность одного цикла принимают равной 10 мин;

S4 – повторно – кратковременный режим с частыми пусками с продолжительностью включения 15, 25, 40 и 60%; продолжительность одного цикла принимают равной 10 мин при коэффициенте инерции F1 1,2; 1,6; 2,0; 2,5; 4; 6,3; и 10,0;

S5 – повторно-кратковременный режим с частыми пусками и электрическим торможением с продолжительностью включения 15, 25, 40 и 60%; числом включений в час 30,60, 120 и 240 при коэффициенте инерции F1 1,2; 1,6; 2,0; 2,5; 4;

S6 – перемежающийся с продолжительностью нагрузки 15, 25,40и 60%; с продолжительностью одного цикла равной 10мин;

S7 – перемежающийся с частыми реверсами при электрическом торможении с числом реверсов в час 30, 60, 120 и 240 при коэффициен-

те инерции F1 1,2; 1,6; 2,0; 2,5; 4;

S8 – перемежающийся с двумя и более частотами вращения с числом циклов в час 30, 60, 120 и 240 при коэффициенте инерции F1 1,2; 1,6; 2,0; 2,5; 4.

Номинальные данные электрических машин для этих режимов даются при работе их на высоте до 1000м над уровнем моря, температу-

ре окружающей среды +40 С и охлаждающей воды +30 С . При отличии реальных условий работы от указанных выше, допустимая нагрузка машины должна быть скорректирована с учѐтом коэффициентов пересчѐта.

218

8.4. Общая методика выбора двигателей

Важнейшей задачей при проектировании электропривода является выбор двигателей по мощности. В большинстве случаев возникает задача предварительного выбора двигателя по мощности с последующей проверкой его по условиям нагрева и допустимой перегрузки, которая в большинстве случаев может быть решена методом последовательного приближения. Действительно, для выбора двигателя по мощности необходимо знать величину момента М на валу двигателя, возникающего в процессе работы механизма в соответствии с уравнением движения одномассовой системы с постоянным моментом инерции

1 - скорость вала двигателя.

Как видно из уравнений (8.5), (8.6), определить значение M при рассчитанных значениях M c невозможно, так как в величину приве-

219