- •9.1. Общие сведения
- •9.2. Баланс мощностей и энергетические характеристики электропривода
- •9.3. Потери энергии в установившихся и переходных процессах электропривода
- •9.4. Нагревание и охлаждение двигателей
- •9.5. Влияние температуры на срок службы изоляции. Эквивалентирование тепловых режимов
- •9.6. Номинальные режимы двигателей. Нагрузочные диаграммы электроприводов
- •9.7. Выбор по мощности двигателей номинального продолжительного режима работы
- •9.8· Выбор по мощности двигателей номинального кратковременного режима работы
- •9.9. Выбор по мощности двигателей номинального повторно-кратковременного режима работы
- •9.10. Определение допустимой частоты включений короткозамкнутых асинхронных двигателей
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 Рном,кВт, частота вращенияnном, об/мин, напряжениеUном, В токIном,A. Номинальному продолжительному режиму работы, как следует из рис. 9.21,соответствует простейший график превышения температуры, принимающей установившееся значениеу =Рном/A. Так как условиями номинального режима определено, что температура охлаждающей средысреды, ном 40°С, то температура лимитируется значением <среды, ном +Рном/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 Tн –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 tp —время работы;t0 —время паузы;tц —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 = 40С 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 Мр,оi, Fp.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 графикахMc(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 Мси моментом двигателя М, рассмотрим вначале электропривод с двигателем, имеющим линейную механическую характеристику, приTэ = 0,сТ2 =оо (рис. 9.25,а). Пусть, тогда связь между Мси М легко устанавливается с помощью АЧХ передаточной функции, связывающей М и Мс(рис. 9.25,б). При Мср=Мс,срамплитуда колебаний момента двигателя равна:
(9.96)
где Тм,с —период изменения статического момента;M— амплитуда изменений момента двигателя. При значениях электромеханической постоянной времени Тмкогда Тм << 1, график момента двигателя будет близок к нагрузочной диаграмме механизмаMc(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 Тэ =0,с12 =оо и периодическом изменении Мс
Соотношение между электромеханической постоянной Тми длительностью отдельных участков нагрузочной диаграммы механизмаtiопределяет степень приближения графикаM(t) к графикуMс(t). При изменении статической нагрузки на валу при Тэ = 0;c12 =оо переходный процесс изменения скорости и момента заканчивается за времяtп,п ЗТм. Поэтому приti» 3Tмнагрузочная диаграмма двигателя близка к нагрузочной диаграмме механизма (рис 9.25,в); при ЗТм >ti, электромагнитный момент двигателя в любой момент времени меньше Мс(рис. 9.25,г).
В тех случаях, когда электропривод непрерывного режима работает с мало меняющейся скоростью, т.е. const., статическая мощность пропорциональнаMсинформацией для построения нагрузочной диаграммы двигателя может служить зависимость Рс(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 скорости3(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.