Выбор мощности электродвигателей

От правильного выбора электропривода по мощности зависит надежность работы всей электромеханической системы в целом. Основным элементом системы, определяющим энергетические показатели электропривода в процессе эксплуатации, является электрический двигатель.

Наиболее просто задача выбора двигателя по мощности решается для режима продолжительной нагрузки S1. В этом случае номинальная мощность двигателя должна быть равна или немного больше расчетной мощности механизма

, (5.42)

Кроме того, при выборе также необходимо дополнительно проверить двигатель по пусковому моменту

, (5.43)

где – динамический момент, обеспечивающий разгон электропривода с заданным ускорением .

Однако у большинства механизмов нагрузка на валу двигателя по технологическим причинам циклично изменяется в процессе работы. Поэтому если двигатель выбрать из расчета чтобы его мощность была равна наибольшей мощности нагрузки, то в периоды ее снижения двигатель будет недоиспользован и, следовательно, будет эксплуатироваться с низким к.п.д. при излишних капитальных вложениях.

Поэтому для обоснованного решения вопроса выбора двигателя расчет его мощности в общем случае должен содержать следующие этапы:

- расчет моментов сил сопротивления на валу двигателя;

- предварительный выбор двигателя;

- расчет и построение тахограммы и упрощенной нагрузочной диаграммы;

- окончательная проверка двигателя по нагреву и перегрузочной способности.

Расчет моментов сил сопротивления является специфической задачей и рассматривается в специальной литературе отдельно для каждого класса электромеханических систем.

Проблема предварительного выбора двигателя сводится к решению следующих задач:

- определение номинальной и максимальной скоростей вращения;

- определение номинального режима работы двигателя;

- выбор типа электродвигателя;

- выбор величины номинального напряжения питания двигателя;

- предварительный расчет электрической мощности двигателя;

- выбор исполнения двигателя (в зависимости от условий окружающей среды и условий охлаждения).

Решение первых двух задач обусловлено технологическими параметрами агрегата: скоростью вращения (перемещения) рабочего органа, длительностью пауз в работе. При решении вопроса о выборе номинального напряжения следует при прочих факторах также учитывать возможности питающей сети предприятия.

Электрическая мощность приводного двигателя при предварительных расчетах может быть определена по зависимости

, (5.44)

где К_З – коэффициент запаса, принимаемый при предварительных расчетах на уровне 1,2…1,5; , , – соответственно приведенный к валу двигателя статический момент, угловая скорость двигателя и продолжительность k-го участка; t_ц – время цикла; – стандартная относительная продолжительность включения выбираемого двигателя; e_факт – фактическая относительная продолжительность работы электропривода, определяемая как

, (5.45)

– суммарная продолжительность работы под нагрузкой; – суммарная продолжительность участков простоя (работы на холостом ходу).

Упрощенная нагрузочная диаграмма и тахограмма представляют собой графики изменения приведенного к валу двигателя статического момента нагрузки и изменения угловой скорости вращения двигателя во времени. Эти диаграммы рассчитываются на основании технологических данных, технических данных механического оборудования и предварительно выбранного двигателя, определяющих работу электромеханической системы.

На рис. 5.12 в качестве примера приведены тахограмма и нагрузочная диаграмма электропривода валков клети прокатного стана. Цикл работы имеет следующие участки:

- разгон из состояния покоя до заправочной скорости за время t₁;

- заправка прокатываемой полосы и работа на заправочной скорости продолжительностью t₃ - t₂;

- разгон за время t₄ – t₃ до рабочей скорости стана;

- работа с установившейся скоростью прокатки в течение времени t₅ – t₄;

- торможение за время t₆ – t₅ до скорости выпуска заднего конца полосы;

- выпуск заднего конца полосы в момент времени t₇;

- торможение за время t₉ – t₈ до полного останова;

- пауза (простой).

Рис. 5.12 Характерная тахограмма и нагрузочная диаграмма

электропривода валков клети прокатного стана

Условием окончательной проверки двигателя по нагреву является сравнение номинального тока или момента, или мощности выбранного электродвигателя с эквивалентным значением этого параметра, причем для случая применения тиристорных или транзисторных силовых электронных преобразователей обязателен 20…25 % запас мощности, т.е.

; ; . (5.46)

Эквивалентное значение тока I_э (момента М_э, мощности Р_э) – это значение, при котором обусловленные им тепловые потери в двигателе в среднем за цикл работы соответствуют реальным потерям при работе с переменной нагрузкой. Эквивалентные значения определяются по выражениям

; ; . (5.47)

Разбив нагрузочную диаграмму на участки с примерно постоянным значением момента, т.е. на участки разгона, работы на установившихся скоростях, торможения и паузы, можно интегрирование заменить суммированием

; ; . (5.48)

При выборе координаты эквивалентирования следует учитывать, что в отличие от метода эквивалентного тока метод эквивалентного момента может быть использован при условии работы двигателя исключительно с неизменным магнитным потоком, а метод эквивалентной мощности еще и при неизменной скорости вращения.

Если при проверке условие (5.46) не выполнилось, то следует перейти к двигателю ближайшей большей мощности и повторить проверку. Если эквивалентный ток (момент, мощность) значительно меньше номинального значения, то следует проверить возможность установки двигателя меньшей мощности.

В случае изменения магнитного потока двигателя приведенное ранее условие его проверки (5.46) не является исчерпывающим. В этом случае проверку двигателя по перегрузочной способности необходимо провести по условию

, (5.49)

где l_I - перегрузочная способность двигателя по току.

Контрольные вопросы

К лекции 6:

1. Дайте определение электрического привода.

2. Какими схемами пользуются для наглядного представления о движущихся массах электромеханической системы и механических связях между ними?

3. В каких случаях и почему для описания движения электропривода применяют расчетные схемы с двухмассовым упругим представлением механической системы, а в каких с одномассовым?

4. Для чего выполняется операция приведения статических моментов (сил) и моментов инерции к вращательному движению двигателя?

5. Запишите и объясните уравнение движения электропривода для одномассовой абсолютно жесткой системы.

6. Какая нагрузка электропривода называется активной, а какая реактивной?

7. В каких режимах будет работать электродвигатель при М = М_с, М > М_с, М < М_с?

К лекции 7

1. Какая характеристика электродвигателя называется естественной, а какие характеристики называются искусственными?

2. Начертите и объясните семейство характеристик двигателя постоянного тока независимого возбуждения:

- для различных напряжений на якоре;

- при ослаблении магнитного потока;

- при введении последовательно якорю добавочных сопротивлений.

3. Начертите и объясните семейство характеристик асинхронного двигателя:

- для различных напряжений на статоре;

- при введении в цепь статора активных и индуктивных сопротивлений;

- при введении в цепь ротора активных сопротивлений.

4. Какие показатели качества регулирования координат электропривода Вы знаете?

5. Назовите известные Вам способы регулирования скорости электроприводов постоянного и переменного тока. Какие из них находят применения в современном автоматизированном электроприводе?

6. Какие технические решения для ограничения тока и момента при пуске электродвигателей Вы знаете? Поясните принцип реостатного способа пуска асинхронного двигателя и пуска двигателя постоянного тока от тиристорного преобразователя.

К лекции 8

1. Запишите и поясните уравнение баланса мощностей в электроприводе.

2. Какие типовые режимы работы электроприводов Вы знаете? Охарактеризуйте их.

3. Перечислите и поясните этапы выбора мощности электродвигателей. Назовите условия предварительного выбора двигателя, окончательной его проверки по нагреву и по перегрузочной способности.