9.6. Номинальные режимы двигателей. Нагрузочные диаграммы электроприводов

Практические задачи эквивалентирования режимов двига­телей в тепловом отношении возникают как на стадии проек­тирования при предварительном выборе двигателей для произ­водственного механизма и при проверке его по нагреву после окончательного расчета системы, так и в процессе эксплуа­тации.

В любом случае выбор или проверка двигателя по условиям нагрева состоит в сопоставлении определенным образом пара­метров режима работы, для которого двигатель проектиро­вался и изготовлялся (этот режим называется номинальным), с параметрами режима, в котором двигатель работает в конкрет­ной системе привода.

Данные, содержащиеся в паспорте электрической машины, относятся к определенному номинальному режиму и называют­ся номинальными данными двигателя. Заводы-изготовители гарантируют при работе двигателя в номинальном режиме при номинальной нагрузке полное использование его в тепло­вом отношении.

Для выпускаемых в настоящее время электрических дви­гателей предусматриваются восемь номинальных режимов, которые в соответствии с международной классификацией имеют условные обозначения S1 —S8.

Рассмотрим краткую характеристику режимов.

1.Продолжительным номинальным режимом (S1) работы электри­ческой машины называется режим работы ее при неизменной нагрузке такой продолжительностью, что превышения температуры всех частей электрической машины достигают установившихся значений. Иллюстрация этого режима дана на рис. 9.21.В паспортных данных двигателей продолжительного номинального режима работы указы­ваются номинальные мощности Р_ном,кВт, частота вращенияn_ном, об/мин, напряжениеUн_ом, В токI_ном,A. Номинальному продолжитель­ному режиму работы, как следует из рис. 9.21,соответствует простей­ший график превышения температуры, принимающей установившееся значение_у =Р_ном/A. Так как условиями номинального режима определено, что температура охлаждающей среды_{среды, ном} 40°С, то температура лимитируется значением  <_{среды, ном} +Р_ном/A, при котором обеспечивается номинальный срок службы изоляции. Одновременно указанное значение является наибольшим для данного номинального режима.

2.Кратковременным номинальным режимом работы (S2) электри­ческой машины называется режим, при котором период неизменной номинальной нагрузки чередуется с периодом отключения машины, при этом периоды нагрузки не настолько длительны, чтобы превышения температуры машины могли достигнуть установившихся значений, а периоды отключения настолько длительны, что все части ее охлаждаются до температуры окружающей среды (рис. 9.22).Для кратковре­менного. режима работы рекомендуются продолжительности рабочего периода tp 15, 30, 60, 90мин. Соответственно номинальные данные содержат указания о мощности, напряжении, токе, частоте вращения при определенной длительности включения. Как видно из условий определения номинального кратковременного режима работы, крите­рием здесь является не срок службы изоляции, а значение максимальной температуры изоляции, достигаемое в конце рабочего участка и рав­ное с учетом (9.68)

где T_н –среднее значение постоянной времени нагрева на начальном и конечном участках кривой нагрева.

3.Повторно-кратковременным номинальным режимом работы электрической машины (S3)называется режим, при котором кратковре­менные периоды неизменной номинальной нагрузки —рабочие перио­ды —чередуются с периодами отключения машины —паузами, причем как рабочие периоды, так и паузы не настолько длительны, чтобы превышения температуры частей машины могли достигнуть устано­вившихся значений. Повторно-кратковременный режим работы харак­теризуется относительной продолжительностью включения (рис. 9.23):

где t_p —время работы;t₀ —время паузы;t_ц —время цикла.

Нормируемые значения продолжительности включения 15, 25, 40, 60%.

Для режима S3номинальные данные соответствуют только определенному значению ПВ и относятся к рабочему периоду. Причем важно, что вводится ограничение на допустимую длительность цикла Гц < 10мин. Этим лимитируются и среднеквадратические потери

Таким образом, совокупность номинальных данных режима с уче­том принятой расчетной температуры охлаждающей среды _{среды, ном} = 40С определяет температурный режим, обеспечивающий номиналь­ный срок службы изоляции при ограничении максимальных температур.

Режимы S1 — S3являются в настоящее время основными, номи­нальные данные на которые включаются в паспорт машины и каталоги отечественными электромашиностроительными заводами.:

Номинальные режимы S4 — S8введены для того, чтобы впослед­ствии упростить задачу эквивалентирования произвольного режима номинальным, расширив и номенклатуру последних. Ограничимся здесь лишь упоминанием этих режимов.

4.Повторно-кратковременным номинальным режимом работы электрической машины с частыми пусками (S4) называется режим, при котором в отличие от режима S3пусковые потери оказывают существенное влияние на превышение температуры частей машины.

5.Повторно-кратковременным номинальным режимом работы электрической машины с частыми пусками и электрическим тормо­жением (S5) называется режим, при котором периоды пуска, кратко­временной неизменной нагрузки и электрического торможения чере­дуются с периодами отключения машины, причем как рабочие периоды, так и паузы не настолько длительны, чтобы превышения Температуры частей машины могли достигнуть установившихся значе­ний. В этом режиме пусковые потери и потери при электрическом торможении оказывают существенное влияние на превышения темпера­туры частей машины.

6.Перемежающимся номинальным режимом работы электриче­ской машины (S6) называется режим работы, который отличается от повторно-кратковременного номинального режима S3тем, что после периода работы двигатель не отключается, а продолжает работать вхолостую.

7.Перемежающимся номинальным режимом работы электриче­ской машины с частыми реверсами (S7) называется режим, при котором периоды реверса чередуются с периодами неизменной номинальной нагрузки, причем периоды нагрузки не настолько длительны, чтобы превышения температуры частей машины могли достигнуть уста­новившихся значений. В этом режиме потери при реверсировании оказывают существенное влияние на превышение температуры частей машины, которая работает без остановки, находясь постоянно под напряжением.

8.Перемежающимся номинальным режимом работы электрической машины с двумя или более скоростями (S8) называется режим, при котором периоды работы с одной нагрузкой на одной ско­рости чередуются с периодами работы на другой скорости при соответствующей этой скорости нагрузке. Периоды нагрузки на каждой из скоростей не настолько длительны, чтобы превышения температуры частей машины могли достигнуть установившихся значений.

Первичной информацией для расчета параметров реального режима, необходимых для выбора двигателей по мощности, являются зависимости от времени статического момента, на валу двигателя на всех этапах работы и данные о харак­тере движения электропривода, задаваемые обычно в виде Зависимости <a(t). График Мд(0 является нагрузочной диаграм­мой механизма, которая может быть задана на основании опытных данных или данных, позволяющих построить расчет­ный графикMe (t)(рис. 9.24,о, б).

Напомним, что на отдельных этапах работы значения

(9.94)

где М_р,оi, F_p.oi — соответственно момент или сила на рабочем органе; т), — КПД механической части; i, p — передаточное отношение и радиус приведения.

В соответствии с уравнением движения механической части электропривода, представленной одномассовой обобщенной расчетной схемой, момент двигателя М (t)может быть определен соотношением

(9.95)

На этапах статического режима работы двигателя М =Мс, в переходных и установившихся динамических режимах мо­мент двигателя определяется и динамическим моментомЗависимость М (t)называется нагрузочной диаграммой двигателя и, как следует из (9.95),может быть построена при известных графикахM_c(t) и(t). Надо заметить, что на этапе предварительного выбора двигателя получение точного значения динамической составляющей момента двигателя невоз­можно, так как момент инерции ротора двигателя входит в значениеJ. Поэтому только при проверке двигателя по усло­виям нагрева имеется возможность полностью учесть вклад. динамического момента в нагрузочную диаграмму двигателя.

Для анализа нагрузочных диаграмм удобно все многооб­разие реальных режимов электроприводов разделить на две группы. Так, можно выделить диаграммы, соответствующие механизмам непрерывного действия, для электроприводов .которых характерен продолжительный режим работы с некото­рой средней скоростью _ср, (рис. 9.24,а). Для таких режимов время пуска и торможения мало по сравнению с общим временем работы, и поэтому эти этапы в построении нагру­зочной диаграммы можно не учитывать.

Рис. 9.24.Нагрузочные диаграммы электроприводов непрерывного (а) и циклического (б) действия

Чтобы установить связь между моментом статического сопротивления М_си моментом двигателя М, рассмотрим вначале электропривод с двигателем, имеющим линейную механическую характеристику, приT_э = 0,с_Т2 =оо (рис. 9.25,а). Пусть, тогда связь между М_си М легко устанавливается с помощью АЧХ передаточной функции, связывающей М и М_с(рис. 9.25,б). При М_ср=М_с,срамплитуда колебаний момента двигателя равна:

(9.96)

где Т_м,с —период изменения статического момента;M— амплитуда изменений момента двигателя. При значениях электромеханической постоянной времени Т_мкогда Т_м << 1, график момента двигателя будет близок к нагрузочной диаграм­ме механизмаM_c(t), при этом максимальное значение электро­магнитного момента двигателя приближается к максимальному значению статического момента, приведенного к валу двига­теля (рис. 9.25,в).

Рис. 9.25.Нагрузочные диаграммы двигателя с линейной механиче­ской характеристикой при Т_э =0,с₁₂ =оо и периодическом из­менении М_с

Соотношение между электромеханической постоянной Т_ми длительностью отдельных участков нагрузочной диаграммы механизмаt_iопределяет степень приближения графикаM(t) к графикуM_с(t). При изменении статической нагрузки на валу при Т_э = 0;c₁₂ =оо переходный процесс изменения скорости и момента заканчивается за времяt_п,п ЗТ_м. Поэтому приt_i» 3T_мнагрузочная диаграмма двигателя близка к нагрузоч­ной диаграмме механизма (рис 9.25,в); при ЗТ_м >t_i, электромагнитный момент двигателя в любой момент времени меньше М_с(рис. 9.25,г).

В тех случаях, когда электропривод непрерывного режима работает с мало меняющейся скоростью, т.е. const., статиче­ская мощность пропорциональнаM_синформацией для по­строения нагрузочной диаграммы двигателя может служить зависимость Р_с(t).

Зависимости (t) для механизмов циклического действия исключительно многообразны, причем общим для них яв­ляется наличие одного или нескольких включений двигателя и соответствующего числа пауз в каждом цикле, поэтому в качестве типового цикла может быть принят цикл работы сhвключениями иnпаузами, с заданным законом измене­ния скорости₃(t) на каждом участке цикла и с возможным изменением направления движения механизма. Примерная тахограмма механизма циклического действия представлена на рис. 9.24,б (штриховая линия). Там же показан примерный вид нагрузочной диаграммы механизмаMy(t) (тонкая линия). Нагрузочная диаграмма двигателя М (t)также может быть рассчитана с помощью уравнения движения и имеет вид, показанный на рис. 9.24,б (утолщенная линия).

Рассматривая (9.95)и рис. 9.24,б, можно заключить, что механическая инерция электропривода циклического действия является фактором, увеличивающим нагрузки двигателя. Суще­ственная неравномерность графикаM(t) вследствие наличия динамических нагрузок увеличивается.

Приведенный анализ нагрузочных диаграмм электроприво­дов позволил выявить принципиально разное влияние инерцион­ных масс привода на нагрузочные диаграммы двигателей механизмов непрерывного и циклического режимов работы.