Меню

Какую мощность преобразует привод

Электродвигатели. Преобразование энергии.

Электродвигатель – это механизм, который служит для преобразования электрической энергии в механическую. В основе принципа работы любого электродвигателя находится закон электромагнитной индукции. Обычно электродвигатель состоит из неподвижной части (статора) и ротора (или якоря), в которых создаются неподвижные или вращающиеся магнитные поля. Электродвигатели бывают самых различных типов и модификаций, широко применяются во многих отраслях человеческой деятельности, и представляют собой один из главных компонентов в механизмах и приводах самого различного назначения. ОТ характеристик электродвигателя напрямую зависит эффективность производства.

Классификация электродвигателей

Главными частями, из которых состоит Электродвигатели , являются статор и ротор. Ротор — та часть двигателя, которая вращается, а статор – которая остается неподвижной. Принцип работы электродвигателя заключен во взаимодействии вращающегося магнитного поля, создаваемого обмоткой статора и электрического тока, который находится в замкнутой обмотке ротора. Этот процесс инициирует вращение ротора в направлении поля.

Основные виды электродвигателей:

  • Двигатель переменного тока;
  • Двигатель постоянного тока;
  • Многофазный двигатель;
  • Однофазный двигатель;
  • Вентильный двигатель;
  • Шаговый двигатель;
  • Универсальный коллекторный двигатель.

Если говорить о таких электродвигателях как асинхронные электродвигатели, то они относятся к виду двигателей переменного тока. Такие двигатели бывают как однофазные электродвигатели, так и двух- и трехфазные. В асинхронных электродвигателях частота переменного тока в обмотке не совпадает с частотой вращения ротора. Процесс работы асинхронного электродвигателя обеспечивается разницей во времени генерации магнитных полей статора и ротора. Вращение ротора из-за этого задерживается относительно поля статора. Купить электродвигатель асинхронного типа можно для машин, в которых не требуются особые условия работы пускового механизма.

Виды электродвигателей по степени защищенности от внешней среды:

  • Взрывозащищенные;
  • Защищенные;
  • Закрытые.

Взрывозащищенные электродвигатели имеют прочный корпус, который если случится взрыв двигатели, предотвратит поражение всех других частей механизма и воспрепятствует возникновению пожара.

Защищенные электродвигатели при эксплуатации закрыты специальными заслонками и сетками, которые защищают механизм от попадания инородных предметов. Используются в среде, где нет повышенной влажности воздуха и примесей газов, пыли, дыма и химических веществ.

Закрытые электродвигатели имеют специальную оболочку, которая не дает проникать пыли, газам, влаге и другим веществам и элементам, которые способны причинить вред механизму двигателя. Такие электродвигатели бывают герметичными и негерметичными.

Электродвигатели siemens и электродвигатели able выпускаются в большинстве вышеперечисленных видов электродвигателей, и среди них довольно просто выбрать самый оптимальный вариант.

Электродвигатели с тормозом

Тормозные электродвигатели обычно устанавливаются на таком оборудовании, которому необходимо иметь возможность осуществить мгновенную остановку. Это может быть конвейерное или станочное оборудование, или другое оборудование, где остановка обусловлена требованиями техники безопасности. Они активно применяются в транспортных лифтах, подъемных кранах, складских укладочных машинах, прокатном и швейном оборудовании, эскалаторах, станках для дерева и металла, задвижках, прокатном оборудовании – одним словом везде, где необходима быстрая остановка системы в определенном положении и в определенное время.

Если не вдаваться в подробности, электродвигатель с тормозом представляет собой обычный промышленный асинхронный электродвигатель, в котором установлен электромагнитная тормозная система. Это обуславливает тот факт, что от обычных двигателей электродвигатель с тормозом отличается только длиной, тогда как все посадочные и соединительные элементы остаются на прежнем месте. Длина изменяется из-за необходимости установки на двигатель специального кожуха. Как и обычные двигатели, в зависимости от типа питания, электродвигатели с тормозом делятся на двигатели, питаемые переменным током, и электродвигатели, питаемые постоянным током.

Главными элементами тормозной системы электродвигателя являются:

  • Электромагнит, состоящий из корпуса, в котором находятся катушка или набор катушек;
  • Якорь, представляющий собой исполнительный элемент, или поверхность для тормозного диска;
  • Сам тормозной диск, который перемещается по зубчатой втулке, закрепленной на валу заторможенного привода или двигателя.

Когда двигатель находится в состоянии покоя, он заторможен. Пружинный нажим на якорь оказывает, в свою очередь, давление на тормозной диск, в связи с чем возникает его блокировка. Когда на катушку электромагнита подается электрический ток, возбужденный электромагнит притягивает к себе якорь, и происходит разблокировка тормоза. Нажим якоря снимается, и возникает свободное вращение вала электрического двигателя. Электродвигатели с тормозом маркируются буквой «Е», или «Е2» (для двигателей с ручной системой торможения).

Регулирование скорости вращения электродвигателя

Вопрос регулирования скорости вращения электродвигателя очень актуален, ведь снижение и повышение оборотов электродвигателя может понадобится в самых разнообразных механизмах, от бытовых приборов, таких как швейных машин или кухонной техники, до промышленных механизмов и станкового оборудования. Казалось бы, самый простой способ – просто понизить питающее напряжение электродвигателя. Это подходит для двигателей постоянного тока, регуляторы напряжения постоянного тока достаточно просты в производстве и доступны. Однако, в настоящее время основная масса приборов, механизмов и инструментов, занятых в производстве, базируются на асинхронных двигателях переменного тока. В этом случае при понижении напряжения электродвигатель резко снижает количество оборотов, теряет мощность и полностью останавливается. Как понизить обороты электродвигателя, или как увеличить их? Для регулировки скорости вращения таких электродвигателей и были разработаны частотные инверторные преобразователи, или как их чаще называют – частотники .

Область применения частотных преобразователей достаточно обширна. Они востребованы в станках и электроприводах промышленных механизмов, конвейерах, системах вытяжной вентиляции и так далее. Принцип работы частотника заключается в правиле вычисления угловой скорости вращения вала, которое включает в себя такой фактор как частота питающей сети. Таким образом, меняя частоту питания обмотки электродвигателя, можно регулировать скорость вращения ротора двигателя в прямой зависимости, таким образом уменьшить обороты электродвигателя или повысить их. Эти приборы имеют также название «инверторы», благодаря методу, при помощи которого решается задача одновременного регулирования частоты и напряжения на выходе преобразователя. Все частотные преобразователи в обязательном порядке маркируются табличками, ан которых указаны их характеристики:

  • Максимально возможная мощность электродвигателя;
  • Напряжение запитывающей сети;
  • Количество фаз (однофазный, трехфазный).

Большинство промышленных частотных преобразователей предназначены для работы в трехфазных сетях переменного тока, однако встречаются и другие модели, например частотники для однофазных двигателей.

Применение электродвигателя

Жизнь современного человека тяжело представить без такого механизма как электродвигатель. Оглянитесь вокруг – они получил практически повсеместное распространение. Сегодня они используются не только во всех отраслях промышленности, но и в транспорте, предметах и устройствах, окружающих в повседневной жизни, на работе и дома. Фены, вентиляторы, швейные машины, строительные инструменты – вот далеко не полный перечень устройств, где используются электродвигатели.

Особой надежностью отличаются именно асинхронные электродвигатели, благодаря чему они находят широкое применение в приводах металлообрабатывающих, деревообрабатывающих станков и других промышленных станков, в кузнечных прессах, грузоподъёмных машинах, лифтах, ткацких, швейных и землеройных машинах, промышленных вентиляторах, компрессорах, насосах, центрифугах, бетономешалках. Крановые электродвигатели используются в капитальном, промышленном и гражданском строительстве, в горнодобывающей, металлургической отраслях, энергетике, транспорте.

Метро, трамвай, троллейбус – все эти виды транспорта обязаны своему существованию электродвигателю. Любой офис или жилой дом сегодня невозможно представить без кондиционера или системы очистки воздуха – в них тоже применяются электродвигатели. Функционирование большинства современного оборудования невозможно без электродвигателя, в связи с чем очень многое зависит от качества и надежности этого механизма. Его поломка может привести к очень печальным результатам, вплоть до остановки производства и огромным финансовым убыткам. Следовательно, приобретать электродвигатели можно только у надёжного и проверенного поставщика, который гарантирует качество продукции.

Принцип работы электродвигателя

Принцип работы электродвигателя заключается в эффекте магнетизма, который позволяет эффективно преобразовывать электрическую энергию в механическую. Принцип преобразования энергии в разных типах электродвигателей одинаковый, для всех типов электродвигателей, но конструкция двигателей и способы контроля скорости вращающегося момента могут различаться. Всем со школьной скамьи известен простейший пример электродвигателя – когда рамка вращается между полюсами постоянного магнита. Разумеется, устройство электродвигателя, который применяется в промышленных механизмах или бытовых приборах намного сложнее. Давайте рассмотрим как работает асинхронный электродвигатель, который получил наибольшее распространение в промышленности.

Читайте также:  Как найти активную мощность если дана реактивная

Принцип работы асинхронного электродвигателя.

Принцип действия асинхронного двигателя, как и прочих, основан на использовании вращающегося магнитного поля. Скорость вращения магнитного поля принято называть синхронной, так как она соответствует скорости вращения магнита. При этом скорость вращения цилиндра принято называть асинхронной, то есть не совпадающей со скоростью вращения магнита. Скорость вращения цилиндра (ротора) отличается от синхронной скорости вращения магнитного поля на небольшую величину, называемую скольжением. Чтобы заставить заставить электрический ток создавать вращающееся магнитное поле и использовать его для вращения ротора обычно используется трехфазный ток.

Устройство электродвигателя

На полюсах железного сердечника кольцевой формы, называемого статором электродвигателя, размещаются три обмотки, сети трехфазного тока расположенные одна относительно другой под углом 120°. Внутри сердечника укреплен на оси металлический цилиндр, называемый ротором электродвигателя. Если обмотки соединить между собой и подключить их к сети трехфазного тока, то общий магнитный поток, создаваемый тремя полюсами, окажется вращающимся. Суммарный магнитный поток в тоже время будет менять свое направление с изменением направления тока в обмотках статора (полюсов). При этом за один период изменения тока в обмотках магнитный поток сделает полный оборот. Вращающийся магнитный поток будет увлекать за собой цилиндр, и мы получим, таким образом асинхронный электродвигатель.

Обмотки статора могут быть соединены «звездой», однако вращающееся магнитное поле образуется и при соединении их «треугольником». Если поменять местами обмотки второй и третьей фаз, то магнитный поток изменит направление своего вращения на обратное. Такого же результата можно добиться, не меняя местами обмотки статора, а направляя ток второй фазы сети в третью фазу статора, а третью фазу сети — во вторую фазу статора. Таким образом, изменить направление вращения магнитного поля можно переключением двух любых фаз.

Подключение электродвигателя

Статор современного асинхронного электродвигателя имеет невыраженные полюсы, т. е. внутренняя поверхность статора сделана совершенно гладкой. Чтобы уменьшить потери на вихревые токи, сердечник статора набирают из тонких штампованных стальных листов. Собранный сердечник статора закрепляют в стальном корпусе. В пазы статора закладывают обмотку из медной проволоки. Фазовые обмотки статора электродвигателя соединяются «звездой» или «треугольником», для чего все начала и концы обмоток выводятся на корпус — на специальный изоляционный щиток. Такое устройство статора очень удобно, так как позволяет включать его обмотки на разные стандартные напряжения.

Ротор асинхронного двигателя, подобно статору, набирается из штампованных листов стали. В пазы ротора закладывается обмотка. В зависимости от конструкции ротора асинхронные электродвигатели делятся на двигатели с короткозамкнутым ротором и фазным ротором. Обмотка короткозамкнутого ротора сделана из медных стержней, закладываемых в пазы ротора. Торцы стержней соединены при помощи медного кольца. Такая обмотка называется обмоткой типа «беличьей клетки». Заметим, что медные стержни в пазах не изолируются.

Асинхронный двигатель с фазным ротором (с контактными кольцами) применяется обычно в электродвигателях большой мощности и в тех случаях; когда необходимо, чтобы электродвигатель создавал большое усилие при трогании с места. Достигается это тем, что в обмотки фазного двигателя включается пусковой реостат.

Расчёт мощности электродвигателя

Выбирая электродвигатель необходимо ориентироваться на потребляемую оборудованием мощность. Определить мощность можно расчетным путем, используя следующие формулы и коэффициенты:

Мощность на валу электродвигателя определяется по следующей формуле:

, где

Рм – потребляемая механизмом мощность;
ηп – КПД передачи.

Номинальную мощность электродвигателя желательно выбирать больше расчетного значения.

Остальные технические характеристики, необходимые для расчета мощности двигателя, можно найти в каталогах для каждого типа механизмов. При выборе электродвигателя запас должен быть небольшой мощности. При значительном запасе мощности снижается КПД привода. В электродвигателях переменного тока это приводит еще и к снижению коэффициента мощности.

Расчет пускового тока электродвигателя

Зная тип и номинальную мощность электродвигателя, можно рассчитать номинальный ток:

Номинальный ток трехфазных электродвигателей переменного тока:

, где

PH – номинальная мощность электродвигателя;
UH — номинальное напряжение электродвигателя,
ηH — КПД электродвигателя;
cosφH — коэффициент мощности электродвигателя.

Номинальные значения мощности, напряжения и КПД можно найти в технической документации на конкретную модель электродвигателя. Зная значение номинального тока, можно рассчитать пусковой ток.

Формула расчета пускового тока электродвигателей.

, где

IH – номинальное значение тока;

Кп – кратность постоянного тока к номинальному значению.

Пусковой ток необходимо рассчитывать для каждого двигателя в цепи. Зная эту величину, легче подобрать тип автоматического выключателя для защиты всей цепи.

Источник



Мощность привода

Скорости вспомогательных движений

Для повышения производительности станков во всех тех слу­чаях, когда вспомогательные движения не совмещены во времени с рабочими движениями, скорости вспомогательных движений целесообразно увеличивать. Точнее, скорость вспомогательных движений следует выбирать так, чтобы время перемещения на заданный путь было минимальным. С этой точки зрения увеличе­ние скорости целесообразно лишь до определенного оптимального значения. При дальнейшем увеличении скорости движения потери времени на переключение ускоренного движения на медленное или на остановку рабочего органа станка могут превысить выигрыш времени от увеличения скорости.

При расчете оптимальной скорости вспомогательных движений различных узлов станка следует учитывать следующие соображе­ния. Если предположить, что привод обладает высокой жесткостью, и влиянием его упругих перемещений можно пренебречь, то все погрешности выключения или переключения скорости быстрого перемещения связаны с ошибками системы управления, которые можно характеризовать разбросом (полем рассеяния) времени срабатывания Δ. Соответствующий разброс пути, проходимого узлом станка на быстрой скорости, должен быть скомпенсирован преждевременным переключением. Оставшийся путь узел проходит на медленной (ползучей) скорости, гарантирующей точный подвод за определенное время.

Если путь перемещения задан постоянным значением, как это имеет место, например, при подводе инструмента, то оптимальное значение скорости можно увеличивать путем повышения быстро­действия и точности срабатывания системы управления.

При заданной точности перемещения скорость быстрого хода может быть во многих случаях повышена методом двухступен­чатого понижения скорости в конце пути.

Для ускоренных перемещений может быть найден общий наиболее целесообразный закон изменения скорости во время перемещения по принятым за основу критериям оптимизации: минимуму времени на перемещение, ограничению допустимых скоростей и ускорений в конце пути и т. п.

Мощность двигателя в приводе станка расходуется на созда­ние рабочих сил и преодоление различных сопротивлений. Для электродвигателя в приводе станков мощность может быть представлена в виде

где N п — полезная мощность; N x — мощность холостого хода (при N п = 0); N доп — мощность на дополнительные потери.

Полезную мощность в приводе главного движения опреде­ляют силами и скоростями резания

кВт,

где Р z — тангенциальная составляющая силы резания, кгс;

v p — скорость резания, м/мин.

Полезная мощность, расходуемая в приводе подач станка,

где Q — тяговая сила, кгс; v s — скорость минутной подачи, мм/мин.

При расчете потребной мощности станков с высокой степенью универсальности следует учитывать вероятность использования полезной мощности при различных частотах вращений шпинделя во всем рабочем диапазоне. Статистические данные, собранные по основным типам станков общего назначения, свидетельствуют о том, что в реальных производственных условиях номинальная мощность электродвигателя используется различным образом на разных частотах вращений. Более полное использование мощности имеет место в средней части диапазона регулирования. При низ­ких скоростях резания полная мощность, как правило, не исполь­зуется.

Большое число данных по обследованию фактической загрузки станков общего назначения в реальных условиях дает основание считать, что в нижней трети диапазона регулирования мощность полностью не используется во всех типах станков (токарных, револьверных, карусельных, сверлильных, фрезерных и расточ­ных). Для тяжелых токарных и карусельных станков предложены зависимости, полученные опытным путем, которые рекомендуют номинальную мощность двигателя ограничивать значением допу­стимого момента на шпинделе, что соответствует линейному распределению полезной мощности по диапазону регулирования. То же самое имеет место в верхней части диапазона регулирования, поскольку большие скорости резания необходимы при чистовой окончательной обработке с малыми силами резания.

Читайте также:  Как узнать потребляемую мощность дома

Мощность холостого хода в станках составляет значительную долю всей мощности двигателя и существенно увеличивается с повышением скорости (рис. 17).

Возрастание мощности холостого хода с увеличением частоты вращения валов кинематической цепи требует использования различных средств для уменьшения потерь в приводе быстроход­ных станков. Основными средствами такого рода являются сокра­щение кинематической цепи и уменьшение числа валов, переда­ющих вращение на шпиндель; применение сложенных структур привода; ограничение величины предварительного натяга в опорах; использование подшипников с малым трением; применение циркуляционной смазки с нормированной подачей смазочной жидкости или масляного тумана.

Рис. 17. Мощность холостого хода главного привода станков: 1 — токарно-револьверного; 2 — вертикально-фрезерного; 3 — то­карного

Мощность на дополнительные потери появляется при пере­даче полезной мощности за счет соответствующего увеличения нагрузок на передачи и опоры. Эта дополнительная потеря возрастает с увеличением полной передаваемой мощности и может быть выражена уравнением

,

где η — общий КПД привода, подсчитываемый по формуле

,

где η i — КПД конкретной передачи или опоры; α i — число однотипных передач с одинаковым КПД.

Дополнительные потери составляют обычно не более 10. 15% всей потребляемой мощности, что позволяет ими пренебречь при приближенных расчетах. Выбор мощности двигателя отно­сится к задачам на определение оптимального значения, если их рассматривать как задачи технико-экономические.

Оптимальную мощность привода определяют по критерию экономической эффективности на основе минимума тех приведен­ных затрат, которые зависят от выбора этой мощности. В общем случае все виды затрат, связанные с мощностью привода, можно условно представить в виде

где C 1 — затраты во время вспомогательных перемещений, когда потребляется мощность холостого хода N x; C 2 — затраты во время резания с неполным использованием номинальной мощности электродвигателя; С 3 — затраты во время резания с неполным использованием режимов резания из-за ограниченной мощности двигателя.

Существенно, что с увеличением мощности некоторые виды затрат (стоимость станка, затраты на электроэнергию) возра­стают, при этом уменьшаются и потери производительности (со­ставляющая С 3) от недоиспользования режимов резания. Эти противоположные тенденции приводят всегда к некоторому зна­чению номинальной мощности двигателя, обеспечивающей ми­нимум приведенных затрат.

Рис. 18. Оптимизация мощности двигателя главного привода по минимуму приведенных затрат для станков:

а — токарного с ЧПУ, б — для гаммы горизонтально-расточных (цифры обозначают диаметр шпинделя)

В качестве примера на рис. 18, а приведен график С = f ( N э), определяющий оптимальное значение мощ­ности главного привода токарного станка с высотой центров 200 мм оснащенного системой ЧПУ. В качестве исходной кривой распределения мощности принята зависимость, полученная на основе анализа множества деталей, обрабатываемых на станке подобного назначения. При расчете проанализирована возмож­ность изменения исходных данных в тех реальных пределах, которые могут иметь место при эксплуатации станка. Оказалось, что при изменении исходных данных в широких пределах опти­мальное значение мощности двигателя колеблется в пределах ±3,5 кВт; это соответствует всего лишь половине интервала ряда мощностей стандартных асинхронных электродвигателей, На рис. 18, б приведены кривые выбора оптимальной мощности двигателя привода главного движения гаммы горизонтально-расточных станков (на кривых указан диаметр шпинделя станка в мм).

Источник

Рекомендации по выбору вида, типа и мощности двигателя электропривода

При работе электропривода с длительной постоянной нагрузкой задача выбора электродвигателя (постоянного тока, асинхронного, синхронного) относительно проста.

Для электропривода, не требующего регулирования скорости в больших диапазонах ее изменения, рекомендуется применять синхронные двигатели. Эта рекомендация объясняется тем, что современный синхронный двигатель пускается в ход также быстро как и асинхронный, а его габариты меньше и работа экономичнее, чем асинхронного двджигателя той же мощности (у синхронного двигателя выше коэффициент мощности cos φ и больше максимальный момент M max на валу).

При этом у асинхронных двигателей последнего поколения можно достаточно эффективно регулировать скорость вращения, осуществлять реверс с необходимым моментом для работы электропривода, но для этого применяются специальные устройства управления.

Но если электродвигатель привода должен работать в условиях регулируемой частоты вращения, реверса, частых пусков, больших изменений нагрузки, то при выборе вида двигателя необходимо сопоставить условия работы электропривода с особенностями механических характеристик различных видов электродвигателей.

В электротехнике принято различать естественную и искусственную механические характеристики двигателя. Естественная характеристика соответствует номинальным (рабочим) условиям его включения, нормальной схеме соединений и отсутствию каких-либо добавочных элементов в цепях двигателя и соединении этих цепей по специальным схемам.

Важным критерием для оценки механических характеристик электродвигателя служит их жесткость:

где: ΔM — изменение момента на валу двигателя;

Δn — изменение скорости вращения ротора двигателя.

В зависимости от значения жесткости принято делить механические характеристики на абсолютно жесткие , Δn = 0,λ = ∞ (синхронные двигатели), жесткие , у которых изменение частоты вращения мало λ = 40 ÷ 10 (линейная часть характеристики асинхронного двигателя, характеристика двигателя постоянного тока с параллельным возбуждением), мягкиес большим изменением частоты вращения, у которых λ ≤ 10 (характеристика двигателя постоянного тока с последовательным возбуждением, искусственная характеристика асинхронного двигателя с фазным ротором, искусственная характеристика двигателя постоянного тока с параллельным возбуждением).

На рис. 1 представлены естественные механические характеристики различных видов двигателей.

Требования к жесткости механической характеристики в ряде случаев являются основанием для выбора вида двигателя.

При частых пусках и непостоянной нагрузке наиболее надежным, экономичным и простым в эксплуатации является асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором. При больших мощностях, если невозможно применить коротко-замкнутый асинхронный двигатель, устанавливается асинхронный двигатель с фазным ротором.

Двигатель постоянного тока сложнее по конструкции (из-за наличия коллекторно-щеточного узла), стоит дороже, требует более тщательного ухода в эксплуатации и изнашивается быстрее, чем двигатель переменного тока. Однако, в ряде случае предпочтение отдается двигателю постоянного тока, позволяющему простыми средствами изменить частоту вращения электропривода в широких пределах.

Тип двигателя (его конструкцию) выбирают в зависимости от условий окружающей среды. Приходится учитывать необходимость защиты среды от возможных искрообразований в двигателе (при наличие взрывоопасной атмосферы), а также самих двигателей от попадания в них влаги, пыли, химических веществ из окружающей среды.

Во многих случаях в приводах необходимо регулировать скорость вращения ротора двигателя.

Для регулирования частоты вращения двигателя существует два надежных, но существенно несовершенных метода:

  1. включение резисторов в цепи якорных обмоток ротора;
  2. переключение числа пар полюсов обмотки статора.

Первый метод рационален лишь при узких пределах регулирования при постоянстве момента на валу двигателя, а второй обеспечивает лишь дискретное (ступенчатое) регулирование и практически применяется в основном для маломощных приводов.

В настоящее время благодаря появлению мощных полупроводниковых приборов положение в этой области существенно изменилось. Современные электронные преобразователи дают возможность изменять в широком диапазоне частоту переменного тока, что позволяет плавно регулировать скорость вращающегося магнитного поля, а следовательно эффективно регулировать частоту вращения асинхронного и синхронного двигателей.

Оптимальный выбор мощности электродвигателя для привода должен удовлетворять следующим требованиям:

  1. надежность в работе;
  2. возможность работоспособного состояния в различных условиях;
  3. экономичность в эксплуатации.

Установка двигателя большей мощности, чем это необходимо по условиям работы привода, вызывает излишние потери энергии при работе электрической машины, обуславливает дополнительные капитальные вложения, увеличение массы и габаритов двигателя.

Установка электродвигателя меньшей мощности снижает производительность электропривода и делает его работу ненадежной. При этом сам электродвигатель в подобных условиях может быть поврежден.

Электродвигатель необходимо выбирать так, чтобы его мощность использовалась возможно полнее. Во время работы двигатель не должен нагреваться до предельно допустимой температуры, в крайнем случае на очень непродолжительное время. Кроме того, двигатель должен нормально работать при возможных временных перегрузках и развивать пусковой момент на валу тот, который требуется для нормального функционирования исполнительного механизма.

Читайте также:  Усилитель мощности evm emx 1004

В соответствии с этим мощность двигателя выбирается в большинстве случаев на основании условий нагревания до предельно допустимой температуры. Производится так называемый выбор мощности по нагреву. Затем осуществляется проверка соответствия перегрузочной способности двигателя условиям пуска машины и временным перегрузкам. Иногда, при большой кратковременной перегрузке, приходится выбирать двигатель, исходя из требуемой максимальной мощности. В подобных условиях максимальная мощность двигателя длительное время, как правило, не используется.

Выбор мощности для привода с продолжительным режимом работы при постоянной или незначительно меняющейся нагрузке на валу является простым. В этом случае мощность двигателя должна быть равна мощности нагрузки, а проверки на перегрев и перегрузку во время работы электропривода не нужны (это объясняется изначально определенными условиями работы электродвигателя). В тоже время необходимо проверить, достаточен ли пусковой момент на валу двигателя для пусковых условий данной электрической машины.

Мощность продолжительной нагрузки определяется на основании проверенных практикой теоретических расчетов.

Рассмотрим конкретный пример. Например, мощность двигателя для вентилятора (и не только его, а любого двигателя) можно определить, как

где: V — количество нагнетаемого воздуха, м 3 /с 2 ;

Δр — перепад давления, Па;

η вен — коэффициент полезного действия (КПД) вентилятора (у крыльчатых вентиляторов он равен 0,2 ÷ 0,35);

η пер — КПД передачи от двигателя к крыльчатке вентилятора.

В приведенной формуле произведение VΔр рпредставляет собой полезную мощность вентилятора, а 1000 — коэффициент для перевода мощности в киловатты.

В инженерных расчетах для определения мощности электродвигателя привода при продолжительной его работе используют электрические (полученные экспериментальным путем) формулы, проверенные длительной практикой.

При кратковременном, повторно-кратковременном и продолжительном с переменной нагрузкой режимах работы электропривода важно знать закон изменения во времени превышения температуры двигателя над температурой окружающей среды.

Электрическая машина с точки зрения нагревания представляет собой весьма сложное тело. Тем не менее при инженерных расчетах, не требующих большой точности, можно считать электрическую машину однородным телом.

Это дает возможность применить к ней упрощенное уравнение нагревания:

где: С — теплоемкость электрической машины;

Н — теплоотдача машины;

Q 0 — теплота, выделяемая в машине в единицу времени.

Рассмотрим два крайних случая: t = ∞ и t = 0. При t = ∞ получим: Q odt = HV maxdt. (4)

Решая это уравнение методом разделения переменных, получаем

где — постоянная времени нагрева машины, определяемая экспериментально.

При t = 0 начальное превышение температуры будет V = V 0, на основании чего постоянная A = V max — V 0, а закон нарастания превышения температуры машины будет иметь вид

Таким образом превышение температуры машины V над температурой окружающей среды возрастает по показательному закону, стремясь к значению V max. Значение начального превышения температуры V 0 лишь изменяет скорость нарастания температуры, не изменяя характера процесса (рис. 2).

При различных значениях продолжительной нагрузки одной и той же машины в диапазоне мощностей электродвигателя ( Р 1, Р 2, … Р ном, … Р к, … Р n) графики V(t) будут отличаться лишь ординатами (рис. 3).

Наибольшее допустимое для данной машины превышение температуры равно V ном. Прямая, параллельная оси абсцисс V ном пересекает в различных точках кривых V(t), соответствующие различным значениям нагрузки электродвигателя.

Абсцисса точки пересечения определяет тот промежуток времени t k, в течение которого мощность двигателя может быть временно равна мощности Р к, представляющей собой перегрузку по отношению к его номинальной мощности в продолжительном режиме работы. Кривая нагревания, асимптотически приближающаяся к V ном через промежуток времени t n, соответствует номинальной мощности электродвигателя Р ном. При нагрузках, меньших Р ном, мощность двигателя используется не полностью. Однако, если двигатель загружается до номинальной мощности только на относительно короткое время, то по сути он тоже используется не на полную мощность. Целесообразно его кратковременно перегрузить, и чем меньше продолжительность работы, тем больше должна быть эта перегрузка. Предел повышения нагрузки двигателя по мере уменьшения продолжительности включения определяется мгновенной перегрузочной мощностью двигателя, зависящей от его электромагнитных, механических и коммутационных свойств (максимального момента мощности на валу у асинхронного двигателя, условий коммутации щеточно-коллекторного узла у машин постоянного тока и т.п.).

При повторно-кратковременном режиме электродвигатель попеременно то нагревается, то охлаждается. Изменение его температуры в течение времени каждого цикла «включение — выключение» зависит при этом от предыдущего теплового состояния.

График зависимости нагревания и охлаждения машины от времени в подобных условиях показан на рис. 4.

Конечное превышение температуры каждой данной части цикла является начальным превышением температуры для последующей части цикла. Если во время той или иной части цикла наступает заметное изменение условий охлаждения электрической машины (остановка двигателя или существенное изменение частоты вращения ротора), то это изменяет значение постоянной времени нагрева машины τ, что должно быть учтено при построении графиков.

Рассмотренные методы определения мощности электродвигателя по температурным условиям посредством построения графиков нагревания требуют значительной затраты времени и трудоемких аналитических расчетов. В то же время графический метод сам по себе содержит систематические ошибки и в конце концов не дает точных результатов. Графические методы приведены выше лишь для того, чтобы наглядно показать картину изменения нагрева двигателя при переменной нагрузке.

В большинстве случаев для такого выбора мощности электродвигателя применяется более простые, так называемые инженерные расчеты, в частности эквивалентного тока. В основу метода эквивалентного тока положено допущение, что при переменной нагрузке двигателя его средние потери должны быть равны потерям при продолжительной (номинальной) нагрузке.

Как известно из теории электрических машин, мощность потерь двигателя складывается из постоянных Р пост и переменных Р пер мощностей. Мощность постоянных потерь равна сумме мощности потерь на трение, в магнитопроводе (у асинхронных двигателей и двигателей постоянного тока с параллельным возбуждением), на возбуждение у синхронных двигателей и двигателей с параллельным возбуждением. Мощность переменных потерь можно считать пропорциональной квадрату рабочего тока I двигателя и сопротивлению соответствующей обмотки r, причем приближенно можно считать последнее постоянным. Если ток изменяется за соответствующие промежутки времени, то за все рабочее время Σt=T суммарные потери энергии в двигателе будут равны

При переменной нагрузке эквивалентным током I эк, за то же время работы электродвигателя Т потери энергии в двигателе вычисляются по более простой формуле:

Зная эквивалентный ток, номинальное напряжение и номинальный коэффициент мощности, можно определить номинальную мощность двигателя:

Метод эквивалентного тока можно применять лишь при условии постоянства мощности потерь в магнитопроводе и на трение, а также сопротивлений обмоток в течение всего рабочего времени Т.

В ряде случаев условия нагрузки определяют непосредственный момент, требуемый от двигателя, а не ток. Тогда можно пользоваться методом эквивалентного момента: у всех электродвигателей вращающий момент на валу пропорционален произведению тока и магнитного потока. У двигателей переменного тока (синхронных и асинхронных) можно приближенно считать постоянным коэффициент мощности cosφ.

При таких упрощениях можно считать вращающий момент

где К вр — постоянная величина, откуда из вышеприведенного выражения для эквивалентного тока I эк можно получить:

Далее по эквивалентному моменту и номинальной угловой скорости двигателя ω ном рассчитывается номинальная мощность двигателя электропривода:

Для повышения надежности работы электропривода рекомендуется проверить, достаточен ли максимальный момент М mа х двигателя для того, чтобы удовлетворить требованиям кратковременных возможных перегрузок данного привода; иными словами должно быть выполнено следующее условие: коэффициент перегрузки двигателя λ ном должен быть по абсолютной величине больше отношения максимального момента М mах нагрузки к номинальному моменту двигателя, то есть

На этом выбор типа, вида и мощности двигателя может быть закончен.

М. С. ИВАНОВ, В. Н. ДРАЧКОВ,
Санкт-ПетербургскийГосударственныйУниверситет ГражданскойАвиации (СПбГУГА).

Источник

Adblock
detector