14. Электропривод и электроснабжение

14.1. Основные определения

14.1.1. Электрический двигатель преобразует электрическую энер­гию во вращательное движение, создает вращательный момент. Этот момент используется для работы исполнительного механизма.

Для совместной работы двигателя и исполнительного механизма не­обходимы механические согласующие элементы и элементы управле­ния двигателем, защиты и т. п.

Электроприводом называется электромеханическая система, ко­торая состоит из электродвигателя (электродвигателей), переда­точного механизма, аппаратуры и элементов управления, защиты и охлаждения.

14.1.2. Групповой привод предусматривает использование электро­двигателя для нескольких потребителей. В этом случае применяют дви­гатель очень большой мощности. Обычно КПД таких двигателей весь­ма высокий (значительно выше, чем КПД двигателей малой мощности). Но поскольку групповой привод нуждается в многочисленных механи­ческих согласующих устройствах, групповой привод в основном не ис­пользуется.

Одиночный (индивидуальный) привод предусматривает использо­вание меньших по габаритам и мощности электрических двигателей, которые имеют более низкий КПД. Но благодаря лучшей увязке с рабо­чей машиной такой привод в общем более экономичен.

При использовании в приводе только одного двигателя можно обхо­диться без механических согласующих устройств. Иногда это достига­ется использованием нескольких двигателей с разными характеристи­ками для отдельных рабочих органов исполнительного механизма. В ряде случаев передаточные устройства можно упростить или совсем не использовать благодаря применению двигателей с регулируемой ско­ростью вращения вала.

14.1.3. Управление исполнительным механизмом связано с измене­нием характеристик механического передаточного устройства (зубча­тые соединения, муфты, фрикционы и др.). Электропривод дает возможность заменить механическое управление электрическим или элект­ромеханическим. Такое управление можно автоматизировать, оно повышает темп работы механизма, выполняет функции защиты, контро­ля и в целом увеличивает эффективность работы исполнительного механизма.

14.1.4. Электрический двигатель приводит в движение передаточный механизм и рабочую машину. Нагрузка на валу двигателя состоит из ста­тической и динамической составляющих. Статическая составляющая (М_ст) обусловлена моментами сопротивления вращению вала (силы ре­зания, трения, веса и др.). Динамическая составляющая (М_дин) возникает при изменении оборотов всех подвижных частей привода, т. е.

где М— вращающий момент двигателя.

Динамический момент М_дин можно определить из соотношения

где J— момент инерции. Вообще момент инерции

где т — масса тела;

r— расстояние до оси симметрии. Величина

называется радиусом инерции тела.

Обычно момент инерции определяют по формуле

Радиусы инерции тел различной формы приведены в технических справочниках.

14.1.5. Обычно между высокоскоростным двигателем и низкоскоро­стной рабочей машиной есть передаточный механизм. Очень важно рас­считать момент инерции системы с разными скоростями вращения от­дельных частей привода. Пользуются искусственным способом

приведения системы, т. е. систему электропривода заменяют одним эле­ментом, который вращается с угловой скоростью двигателя. Условием приведения являются постоянные энергетические условия:

где М — приведенный мимснтраоочеи машины; со — угловая скорость вала двигателя;

— действительный момент рабочей машины;

— угловая скорость рабочей машины. Передаточный коэффициент

позволяет получить соотношение

По условию неизменности кинетической энергии, т. е. можно найти приведенный момент инерции этого привода

где J — приведенный момент инерции системы;

момент инерции электродвигателя; момент инерции рабочей машины.

14.2. Режимы работы электропривода

14.2.1. Потери в электрическом двигателе преобразуются в тепло­вую энергию. Нагревание двигателя изменяется по экспоненте (рис. 14.1). Считают, что мощность двигателя выбрана правильно, если его температура достигает допустимого значения при продолжитель­ной работе электропривода.

Охлаждение двигателей электропривода можно реализовать различ­ными путями.

Естественное охлаждение — это охлаждение двигателя за счет вращающегося ротора. Двигатель при этом не имеет специального уст­ройства для увеличения скорости воздуха.

При самоохлаждении в зазоры между статором и ротором воздух нагнетается вентилятором, расположенным на роторе.

При принудительном охлаждении холодный воздух нагнетается вен­тилятором, который имеет специальный привод.

14.2.2. Режимы работы электродвигателя различают по продолжи­тельности его включения и времени паузы. Можно привести три режи­ма работы:

продолжительный; кратковременный; повторно-кратковременный.

14.2.3. При продолжительном режиме двигатель работает с постоянной нагрузкой длительное время. Тепло, в которое преоб­разуются потери в двигателе, равно отведен­

ному теплу. Устанавливаются тепловое рав­новесие и постоянная температура двигателя

т_о(рис. 14.1).

При кратковременном режиме двигатель включается на постоян­ную нагрузку на короткое время. При этом не достигается тепловое рав­новесие. После выключения двигателя выдерживается такая пауза, за время которой машина полностью охлаждается.

Повторно-кратковременный режим характеризуется периодично­стью включения и выключения двигателя на нагрузку. Продолжитель­ность работы двигателя мала и тепловое равновесие в течение одного цикла не достигается. Температура двигателя также не достигает по­стоянного значения, а за время паузы двигатель не охлаждается до тем­пературы окружающей среды.

14.2.4. Вводят понятие относительной продолжительности включе­ния (ПВ), которую выражают в процентах

где

i -	время работы двигателя с нагрузкой время выключения двигателя (пауза).

Обычные стандартные значения ПВ = 15, 25, 40, 60%. Величина ПВ используется при выборе мощности двигателя электропривода.

14.3. Выбор мощности двигателя

14.3.1. При увязке двигателя с исполнительным механизмом нужно принимать во внимание:

мощность двигателя;

вращающий момент;

частоту вращения;

возможность изменения частоты вращения;

напряжение и род тока;

пусковые характеристики;

конструктивное исполнение и т. п.

Если мощность двигателя будет невелика, то произойдет недопусти­мое нагревание. При слишком большой мощности электропривод бу­дет неэкономичным. Вращающий момент должен обеспечить пуск под нагрузкой. Но если пусковой момент будет чересчур велик, могут про­изойти повреждения из-за толчкообразного пуска.

14.3.2. Основным критерием выбора мощности двигателя электропри­вода является нагревание двигателя. Если постоянная температура г₀ не превышает допустимую, то это можно считать основной зависимостью:

где [т] — допустимая температура работоспособности отдельных эле­ментов двигателя.

Наименьшее значение [т] обычно имеют изоляционные материалы (60... 70°С). Есть несколько методов выбора мощности двигателя.

1 4.3.3. Метод средних потерь базируется на условии, что средние потери мощности за цикл работы не превышают потерь при номиналь­ной нагрузке, т. е.

где

i	средние потери за цикл работы; номинальные потери при работе с постоянной нагрузкой

Средние потери рассчитывают по графику нагрузки.

14.3.4. Метод эквивалентных величин предусматривает абстракт­ное введение расчетных (эквивалентных) токов, мощности, момента.

Эквивалентным считают такой постоянный ток, при котором в дви­гателе возникают такие же потери, как и при работе с переменной на­грузкой.

Эквивалентный ток можно определить как

где Ik—реальный ток двигателя при нагрузке в k-ош интервале нагрузки;

— время цикла.

Условием правильного выбора двигателя электропривода является где /_н — номинальный ток двигателя.

14.4. Выбор типа электродвигателя

14.4.1. Выбор типа электродвигателя зависит от технических харак­теристик привода:

скорости вращения;

необходимости регулирования скорости вращения;

мощности;

условий пуска;

экономичности и т. п.

Анализ характеристик двигателя дает возможность согласовать элек­тродвигатель с исполнительным механизмом и по другим показателям (конструктивным, технико-экономическим, габаритным и др.).

14А.2. Асинхронный двигатель с короткозамкнутымротором — самый распространенный в нерегулируемых приводах. Его преимуще­ствами являются высокая надежность, простота эксплуатации, низкая стоимость. Двигатель имеет достаточно жесткую механическую харак­теристику в области устойчивой работы. Специальная конструкция «беличьего колеса» (глубокий паз или двойная «беличья клетка») зна­чительно повышают пусковой момент и уменьшают пусковые токи. Обслуживание, защита, пуск и регулирование таких двигателей очень просты. Поэтому около половины электроприводов используют асин­хронный короткозамкнутый двигатель. Нужно помнить, что для регу­лирования скорости вращения ротора можно использовать преобразо­ватель частоты. Ступенчато регулировать скорость вращения можно путем изменения пар полюсов обмотки статора.

14.4.3. Если привод нуждается в регулировании скорости вращения в нешироком диапазоне, можно использовать асинхронный двигатель с фазным ротором. Он имеет очень большой пусковой момент, может применяться при частых включениях. Двигатель с фазным ротором це­лесообразно использовать в приводах подъемных кранов, прессов, лиф­тов, прокатных станов и др.

Двигатель с фазным ротором значительно уменьшает КПД электро­привода из-за электрических потерь в регулировочном реостате. Нуж­но помнить, что регулирование скорости можно осуществить только в сторону уменьшения частоты от синхронной до нуля.

14.4.4. Двигатели постоянного тока удобно применять тогда, ког­да необходимы широкое регулирование скорости, частые пуски и ре­версирования.

Двигатель параллельного возбуждения имеет жесткую механичес­кую характеристику и используется в приводах больших станков, мощ­ных прокатных станов, мощных экскаваторов.

Двигатель последовательного возбуждения имеет мягкую меха­ническую характеристику, большой пусковой момент. Двигатели этого типа могут обеспечить очень высокую скорость вращения вала, устой­чиво работают при большой нагрузке со значительно уменьшенными оборотами ротора. Такие двигатели применяются на электротранспор­те, в приводах вспомогательных механизмов.

14.4.5. В электроприводах, требующих постоянную скорость враще­ния вала, применяют синхронные двигатели. Синхронные двигатели имеют очень высокие КПД и коэффициент мощности. Двигатель эф­фективно работает в приводах с нечастыми пусками средней и боль­шой мощности (компрессоры, мощные насосы и т. п.).

Синхронный двигатель имеет абсолютно жесткую механическую ха­рактеристику (обороты вала практически не зависят от нагрузки). Поэтому эти двигатели используются и в специальных приводах (часовые механизмы, программные механизмы и др.).

14.4.6. Иногда привод нуждается в двигателе, который питается как от переменного, так и от постоянного напряжения. В этом случае при­меняют универсальные двигатели и коллекторные двигатели пере­менного тока. Двигатели такого типа имеют мягкую механическую ха­рактеристику, очень просто регулируются, реверсируются и запускаются. Эти двигатели имеют невысокий КПД и работают в электроинструмен­тах, бытовых машинах, приборах. Как и двигатели постоянного тока последовательного возбуждения, они дают возможность достичь очень больших скоростей вращения (до десятков тысяч оборотов в минуту).

14.4.7. Конструкция двигателя выбирается в зависимости от усло­вий эксплуатации. Двигатели могут охлаждаться вентилятором, кото­рый смонтирован на роторе, или иметь принудительное охлаждение. Двигатели бывают с горизонтальной или вертикальной установкой вала, иного специального исполнения. Все двигатели специального испол­нения повышают стоимость электропривода.

14.5. Управление электроприводом

14.5.1. Управление электроприводом и защита двигателя от коротко­го замыкания и перегрузки могут быть ручными или автоматическими. Ручное управление менее эффективно и применяется в основном в при­водах небольшой мощности.

Автоматическое управление поддерживает необходимый режим ра­боты электропривода по заданной программе без участия оператора.

Управление электроприводом состоит из таких операций:

пуск и остановка двигателя;

регулирование скорости вращения ротора двигателя, торможение и реверсирование;

пуск асинхронного двигателя от источника постоянной ЭДС;

пуск двигателей постоянного тока от источника переменной ЭДС;

защита двигателей от короткого замыкания и перегрузки.

Электропривод управляется с помощью различных аппаратов и эле­ментов управления и защиты. Электрические аппараты, в отличие от электрических машин, не преобразуют электрическую энергию в механическое движение или наоборот. Электрические аппараты — это устройства, которые превращают электрическую энергию, имею­щую одни величины, в электрическую энергию с другими электри­ческими величинами.

14.5.2. Типичным примером автоматического управления электро­приводом является управление пуском короткозамкнутого асинхрон­ного двигателя.

Аппарат управления (магнитный пускатель) подает напряжение на трехфазную обмотку статора. При этом можно изменять чередование фаз, т. е. реверсировать двигатель. Пускатель имеет тепловые реле, ко­торые защищают двигатель от короткого замыкания и перегрузки.

Управление пуском асинхронного двигателя с фазным ротором осуществляется автоматическим включением ступеней пускового рео­стата через определенные промежутки времени. Такой аппарат имеет несколько реле времени, что обеспечивает плавный разгон двигателя. Переключение ступеней дает возможность изменять скорость враще­ния фазного ротора.

Автоматическое управление пуском двигателя постоянного тока

также состоит в последовательном включении ступеней пускового рео­стата.

14.5.3. Применение современных тиристорных схем управления дает возможность значительно улучшить характеристики двигателей.

Скорость вращения ротора асинхронного двигателя зависит от ско­рости вращения поля

С помощью тиристорного преобразователя частоты можно из­менять частоту тока в обмотке статора/j, а следовательно, и скорость вращения ротора. Это значительно расширяет сферу применения асин­хронных короткозамкнутых двигателей.

Тиристорным преобразователем можно также преобразовать посто­янное напряжение в трехфазное или многофазное переменное напря­жение. Таким образом через тиристорный преобразователь можно вклю­чать асинхронный короткозамкнутый двигатель на постоянное напряжение и регулировать скорость вращения его ротора.

Тиристорный преобразователь можно использовать как управляемый выпрямитель трехфазного напряжения. Через такую тиристорную схе­му можно включить двигатель постоянного тока на трехфазное синусо­идальное напряжение. Путем изменения времени задержки включения тиристора можно изменять скорость вращения якоря двигателя посто­янного тока.