Зачем нужен предварительный выбор электродвигателя

СОДЕРЖАНИЕ:

Выбор электродвигателей по мощности

Выбор мощности электродвигателя должен производиться в соответствии с характером нагрузок рабочей машины. Этот характер оценивают по двум признакам:

а) по номинальному режиму работы;

б) по изменениям величины потребляемой мощности.

ГОСТ 183-55 различает следующие режимы работы:

а) продолжительный (длительный), когда рабочий период настолько велик, что нагрев электродвигателя достигает своего установившегося значения (например у насосов, ленточных транспортеров, вентиляторов и т. п.);

б) кратковременный, когда длительность рабочего периода недостаточна для достижения электродвигателем температуры- нагрева, соответствующей данной нагрузке, а периоды остановки, наоборот, достаточны для охлаждения электродвигателя до температуры окружающей среды; в этом режиме могут работать электродвигатели самых разнообразных механизмов;

в) повторно-кратковременный — с относительной продолжительностью включения 15, 25, 40 и 60t при продолжительности одного цикла не более 10 мин (например у подъемных кранов, некоторых станков, однопостовых сварочных двигателей-генераторов и т. п.).

Относительная продолжительность включения определяется из выражения:

При этом нормальная продолжительность цикла tv -f- tn принимается равной 10 мин.

По изменениям величины потребляемой мощности различаются следующие случаи:

а) постоянная нагрузка, когда величина потребляемой мощности в течение работы постоянна или имеет незначительные отклонения от среднего значения, как, например, у центробежных насосов, вентиляторов, компрессоров с постоянным расходом воздуха и т. п.;

б) переменная нагрузка, когда величина потребляемой мощности периодически меняется, как, например, у экскаваторов, кранов, некоторых станков и т. п.;

в) пульсирующая нагрузка, когда величина потребляемой мощности меняется непрерывно, как, например, у поршневых насосов, щековых дробилок, грохотов и т. п.

Мощность электродвигателя должна удовлетворять трем условиям:

а) нормального нагрева при работе;

б) достаточной перегрузочной способности;

в) достаточного пускового момента.

Все электродвигатели подразделяются на две основные группы:

а) для длительного режима работы (без ограничения продолжительности включения);

б) для повторно-кратковременного режима с продолжительностями включения 15, 25, 40 и 60%.

Для первой группы в каталогах и паспортах указывается длительная мощность, которую электродвигатель может развивать неограниченно долго, для второй группы — мощность, которую электродвигатель может развивать, работая с перерывами сколь угодно долгое время при определенной продолжительности включения.

Правильно выбранным во всех случаях считается такой электродвигатель, который, работая с нагрузкой но графику, заданному рабочей машиной, достигает полного допустимого нагрева всех своих частей. Выбор электродвигателей с так называемым «запасом по мощности», исходя из наибольшей возможной по графику нагрузки, ведет к недоиспользованию электродвигателя, а следовательно, к увеличению капитальных затрат и эксплуатационных расходов за счет снижения коэффициентов мощности и полезного действия.

Чрезмерное увеличение мощности электродвигателя может привести также к рывкам во время разгона.

Если электродвигатель должен работать длительно с постоянной или мало меняющейся нагрузкой, то определение мощности его не представляет затруднений и производится по формулам, обычно включающим эмпирические коэффициенты.

Значительно сложнее выбор мощности электродвигателей иных режимов работы.

Кратковременная нагрузка характеризуется тем, что периоды включения коротки (обычно существенно короче величины 3Т, где Т — постоянная времени нагрева выбранного электродвигателя), а паузы достаточны для полного охлаждения электродвигателя. При этом принимается, что нагрузка электродвигателя в периоды включения сохраняется постоянной или почти постоянной. Для того чтобы в этом режиме электродвигатель был правильно использован по нагреву, необходимо выбрать его так, чтобы его длительная мощность (указываемая в каталогах) была меньше мощности, отвечающей кратковременной нагрузке, т. е. чтобы электродвигатель в периоды своей кратковременной работы имел тепловую перегрузку. Вопрос о допустимой величине последней должен решаться на основании известного из курсов электропривода соотношения:

На рис. 3-1 представлена кривая для определения К, построенная по этому уравнению.

Следует иметь в виду, что пренебрежение постоянными потерями не всегда допустимо и в некоторых случаях может повести к ошибкам. Поэтому вышеуказанные формулы применимы только для небольших электродвигателей.

Если у проектировщика имеются более подробные данные в отношении потерь в электродвигателе, то аналогичная задача может быть решена более точно с помощью указаний, излагаемых в курсах теории электропривода.

Если периоды работы электродвигателя значительно меньше времени, необходимого для его полного нагрева, но паузы между периодами включения существенно короче времени полного охлаждения, то имеет место повторно-кратковременная нагрузка.

Практически следует различать два вида такой работы:

а) нагрузка в период работы по величине постоянна и, следовательно, график ее изображается прямоугольниками, чередующимися с паузами;

б) нагрузка в период работы изменяется по более или менее сложному закону.

В обоих случаях задача выбора электродвигателя по мощности может быть решена как аналитически, так и графически. Оба эти способа являются достаточно сложными, поэтому практически рекомендуется упрощенный метод эквивалентных величии, включающий в себя три способа:

а) среднего квадратичного тока:

б) средней квадратичной мощности;

в) среднего квадратичного момента.

Способ среднего квадратичного тока

Способ основан на учете нагрева, пропорционального квадрату тока, и, следовательно, не учитывает нагрева, вызываемого постоянными потерями.

Задача сводится к определению такого эквивалентного тока неизменной величины, который произвел бы такой же нагрев электродвигателя, как и действительный ток, меняющийся согласно графику нагрузки.

Если в период работы нагрузка постоянна, то средний квадратичный ток можно определить по формуле:

При вычислении по второй из формул результаты будут тем точнее, чем на большее число участков мы разобьем переменный график нагрузки за время одного цикла, т. е. чем меньше будут отрезки времени tt.

Если полученная величина среднего квадратичного тока окажется близкой к величине номинального тока электродвигателя (но не будет выше ее), то электродвигатель не перегреется и, стало быть, будет выбран правильно.

Следует иметь в виду, что этот способ, учитывающий лишь средний нагрев от эквивалентного тока, без мгновенных температурных максимумов, неприменим в случаях, когда внутреннее сопротивление электродвигателя меняется в течение цикла. Это имеет место у короткозамкнутых электродвигателей с глубоким пазом или с двойной беличьей клеткой, у которых вторичное сопротивление сильно меняется в пусковом и тормозном режимах, а также при реверсе.

Способ средней квадратичной мощности

Этот способ является производным из изложенного выше и применяется в тех случаях, когда удобнее пользоваться графиком мощности, а не тока. По аналогии со средним квадратичным током, средняя квадратичная мощность в общем случае определяется по формуле:

Если электродвигатель в период холостой работы отключается от сети, останавливается и вновь пускается, как это изображено диаграммой на рис. 3-3, то это иногда ухудшает температурный режим электродвигателя, так как ослабляется и как раз в наиболее тяжелые периоды, когда нагрузка является усиленной. Для того чтобы учесть это обстоятельство, рекомендуется в знаменатель выражения для Лф.кв вводить время /, и 1Л замедленного вращения (рис. 3-3) с коэффициентом 0,75, а время паузы (» с коэффициентом 0,5. Как вариант, иногда вводится коэффициент 0,33 только на время паузы /ci-

Тогда средние квадратичные мощности определяются по формулам:

Мощность в период пуски принимается обычно постоянной и равной максимальному значению.

Способы среднего квадратичного тока и средней квадратичной мощности неприменимы в случае выбора электродвигателей постоянного тока, работающих с переменным нряжением на зажимах якоря (система с собственным генератором и подобные ей). В этих случаях следует применять способы, основанные ка непосредственном определении потерь.

Способ среднего квадратичного момента

Аналогично средним квадратичным значениям тока или мощности средний квадратичный момент определяется по формуле:

Этот способ находит применение в тех случаях, когда рабочая диаграмма представляет зависимость М — f(t).

Применение этого способа исключается для короткозамкнутых асинхронных электродвигателей, когда в рабочие циклы входят и переходные процессы пуска, торможения или реверса, а также для электродвигателей постоянного тока при работе с переменным потоком (электродвигатели с последовательным и смешанным возбуждением).

Пересчет мощности с одной продолжительности включения на другую

Для пересчета служит формула:

После выбора мощности электродвигателя по условиям нагрева необходимо произвести проверку механической перегрузочной способности электродвигателя, т. е. убедиться, что максимальный момент нагрузки по графику при работе и момент при пуске не будут превышать значения максимального момент по каталогу.

У асинхронных и синхронных электродвигателей величина допустимой механической перегрузки обуславливается их опрокидывающим электромагнитным моментом, по достижении которого эти электродвигатели останавливаются.

Кратность максимальных моментов по отношению к номинальным должна по ГОСТ составлять 1,8 у трехфазных асинхронных электродвигателей с контактными кольцами и не менее 1,65 у таких же короткозамкнутых электродвигателей; кратность максимального момента синхронного электродвигателя должна быть также не ниже 1,65 при номинальных напряжениях, частоте и токе возбуждения, с коэффициентом мощности 0,9 (при опережающем токе).

Практически асинхронные и синхронные электродвигатели имеют механическую перегрузочную способность до 2—2,5, а у некоторых специальных электродвигателей эта величина повышается до 3—3,5.

Допустимая перегрузка электродвигателей постоянного тока определяется условиями работы и по ГОСТ составляет по моменту от 2 до 4, причем нижний предел относится к электродвигателям с параллельным, а верхний — к электродвигателям с последовательным возбуждением.

Если питающая и распределительная сети чувствительны к нагрузке, то проверка механической перегрузочной способности должна производиться с учетом потерь напряжения в сетях.

Для асинхронных короткозамкнутых и синхронных электродвигателей кратность начального момента должна быть не менее 0,9 (по отношению к номинальному).

В действительности кратность начального момента у электродвигателей с двойной беличьей клеткой и с глубоким пазом значительно выше и достигает 2—2,4. Моменты, необходимые для различных механизмов, см. в табл. 3-7.

При выборе мощности электродвигателя следует иметь в виду, что на нагрев электродвигателей оказывает влияние частота включений. Допустимая частота включений зависит от нормального скольжения, махового момента ротора и кратности пускового тока.

Асинхронные электродвигатели нормальных типов допускают без нагрузки от 400 до 1000, а электродвигатели с повышенным скольжением — от 1100 до 2700 включений в час. При пуске под нагрузкой допустимое число включений значительно сокращается. Пусковой ток электродвигателей с короткозамкнутым ротором имеет большую величину, и это обстоятельство в условиях частых пусков, и особенно при повышенном времени разгона, имеет важное значение.

В противоположность электродвигателям с фазовым ротором, в которых часть тепла, образующегося при пуске, выделяется в реостате, т. е. вне машины, в короткозамкнутых электродвигателях все тепло выделяется в самой машине, что обуславливает ее повышенный нагрев. Поэтому выбор мощности этих электродвигателей нужно производить с учетом нагревания во время многочисленных пусков. В курсах электропривода приводятся выражения, определяющие Z — допустимое число включений в час короткозамкнутого электродвигателя. Одним из наиболее простых выражений этого рода является следующее:

Инж. А. Г. Меклер [Л. 1] предложил для подъемников следующую простую формулу для определения допустимого числа включений в час:

Определение мощности электродвигателей для привода некоторых механизмов продолжительного режима работы при постоянной нагрузке

Для некоторых частных, но распространенных случаев потребная мощность электродвигателей может быть непосредственно вычислена в функции технологических показателей механизма. Ниже для справок приведен ряд подобных формул.

1. Металлорежущие станки

4. Грузоподъемные машины А. Для механизмов подъема:

Полученную по приведенной формуле мощность электродвигателя необходимо также проверить по режиму пуска, аналогично указанному для механизма подъема.

5. Механизмы непрерывного транспорта А. Для ленточных транспортеров:

Значения коэффициентов А, В и С в зависимости от ширины ленты приведены в табл. 3-4.

Коэффициенты приведены для подшипников скольжения; для подшипников качения коэффициенты следует уменьшать вдвое. При сбрасывателе, имеющем форму волнореза, коэффициент С также уменьшается вдвое.

Приближенные расчеты горизонтальных транспортеров можно производить по формуле:

Значения коэффициента Wc для скребковых транспортеров при малоабразивном материале (кусковом угле, поваренной соли) приведены в табл. 3-5.

Выбор электродвигателя

При выборе электродвигателя ориентируются, прежде всего, на требования к приводу, в котором двигатель будет работать. Учитывают свойства и характеристики двигателя, исходящие из его принципа действия и устройства, учитывают ограничения по применению двигателя. Ориентируясь только на характеристики двигателя, записанные в его паспорте, и не понимая устройства двигателя, при выборе двигателя легко ошибиться, так как ни в одном паспорте невозможно описать все возможные случаи и все нюансы применения двигателя. В паспорте учитывают только типовые, часто встречающиеся случаи, и набор характеристик, записанных в паспорте, весьма ограничен.

При выборе двигателя, прежде всего, необходимо определиться с его типом, например, двигатель постоянного или переменного тока. Здесь выбор изначально зависит от имеющегося источника питания. Источником постоянного тока может быть аккумулятор, батарея, неуправляемый выпрямитель на диодах (одно- или двухполупериодный), простой или сложный управляемый выпрямитель на тиристорах (управляемых диодах) или на транзисторах. Источником переменного тока может быть одно- и трехфазная сеть или частотный преобразователь. Современные приводы стараются строить на двигателях переменного тока, как более простых, надежных, дешевых, за исключением, малогабаритных высокоскоростных двигателей (микродвигателей).

Конечно, если определяющим при выборе двигателя является источник питания, двигатель должен быть согласован с ним по электрическим параметрам: роду тока, величине тока, величине напряжения.

Далее выбирают двигатели по скорости.

Имеют в виду, что высокоскоростные двигатели, при одинаковых габаритах с низкоскоростными, имеют большую мощность, но требуют редуктор с большим передаточным числом. При больших скоростях имеет место повышенный шум, а некоторые типоразмеры редукторов вообще не допускают больших скоростей на входном валу. Исходя из сказанного, например, наибольшее применение среди асинхронных двигателей имеют двигатели с n = 1500 об/мин.

Далее следует выбрать двигатель по мощности и моменту. Известно, что основной причиной выхода двигателей из строя является их перегрев. Нагрев двигателя зависит от режима работы и качества охлаждения. Режим работы может быть легким – с редкими пусками и длительными паузами, во время которых двигатель полностью охлаждается, и тяжелым – с частыми или длительными (тяжелыми) пусками при больших пусковых токах. Режимы работы нерегулируемых по скорости двигателей обозначаются по ГОСТ как S1, S2…S10. Рассмотрим два характерных режима: S1 и S4.

Режим S1 работы двигателя соответствует включению и длительной работе при постоянной нагрузке.

Мощность двигателя при поступательном движении исполнительного звена равна

где F – сила сопротивления движению исполнительного звена;

V – линейная скорость движения исполнительного звена;

η– КПД механизма.

Мощность двигателя при вращательном движении исполнительного звена равна

где ω – угловая скорость движения исполнительного звена;

M – момент сопротивления движению исполнительного звена.

По каталогу выбирают двигатель ближайший по мощности, для которого выполняется условие

Режим S4 работы двигателя соответствует затяжным пускам и (или) высокой частоте включений. S4 – повторно-кратковременный (старт-стопный) режим – последовательность одинаковых циклов, состоящих из периодов работы с постоянной нагрузкой и пауз
(рис. 2.29).

Рис. 2.29. Диаграмма работы двигателя в режиме S4

Максимальная (при ωдв = ωmax) мощность двигателя в режиме S4

где Pст – статическая (не зависящая от ускорения при разгоне) мощность на исполнительном звене механизма;

Pдин – максимальная динамическая мощность – мощность, необходимая для преодоления сил инерции при разгоне системы двигатель–механизм.

Выражения для статической и динамической мощности имеют вид

где m и J – масса или момент инерции исполнительного звена;

a и ε – линейное или угловое ускорение исполнительного звена;

kп – коэффициент, учитывающий влияние пускового момента и инерции ротора двигателя, kп = 0,6. 0,9; при быстром разгоне системы принимают большие значения kп.

Желаемым ускорением исполнительного звена надо задаться или, зная установившуюся скорость исполнительного звена, задаться временем разгона привода tраз, тогда при равноускоренном разгоне

Также надо задаться синхронной скоростью двигателя n.

По найденной мощности и скорости n выбирают по каталогу двигатель, у которого мощность Pдин ³ Pдв. Этот выбор предварительный, так как приблизительно был выбран коэффициент kп, а также не учтен главный для режима S4 фактор – тепловое состояние двигателя.

С учетом пускового момента двигателя Mдвп и момента инерции ротора двигателя Jдв (Mдвп и Jдв берутся из каталога) фактическое время разгона привода

где Jпр – приведенный момент инерции устройства двигатель–механизм, Jпр = Jпрм + Jдв; Jпрм – приведенный к валу двигателя момент инерции механизма, включая исполнительное звено (правило приведения – по формуле 2.4);

wдв – номинальная скорость двигателя, wдв » 0,1×nдв (nдв в с размерностью об/мин находится по каталогу).

Если полученное время разгона слишком велико, надо выбрать двигатель большей мощности и расчет повторить; если слишком мало – выбрать двигатель меньшей мощности.

Тепловое состояние двигателя приблизительно характеризует относительная продолжительность включения. Рассмотрим график теплового состояния (рис. 2.30) для цикла работа–пауза.

tраз
t (с, мин)
работа
пауза
tп
tр
T
T — цикл
tп
tр
температура нагрева двигателя
максимально допустимая температура
q (°C)

Рис. 2.30. График теплового состояния двигателя

Относительная продолжительность включения, %

где tp – время работы двигателя;

tп – время паузы – перерыва в работе; Т – время цикла.

Если продолжительность цикла менее 1. 2 минут (частые пуски), а ПВ выше 40…50 %, необходимо предусматривать запас по мощности, вплоть до двукратного, при непрерывных пусках и торможениях.

Каждый электрик должен знать:  Пайка очень простые советы

Уточненныйтепловой расчет сводится к определению допустимого числа включений выбранного двигателя в единицу времени и сравнению этого числа с фактическим числом включений. Расчет ведется с помощью коэффициентов, значения которых приводятся в каталогах. Точный тепловой расчет практически невозможен из-за сложности определения теплового баланса нагрев-охлаждение.

M, Нм

Двигатели, работающие при переменной нагрузке и с переменными скоростями, например в режиме сервопривода, выбираются не по мощности, а по моменту. Связано это с тем, что в сервоприводе требуется обеспечить нормированные ускорения и скорости при сложном цикле работы. Сначала выясняется закон движения исполнительного звена и строится диаграмма моментов, нагружающих двигатель (рис. 2.31).

M1
T
+
t, c
t8
t7
t6
t5
t4
t3
t2
t1
M8=0
M7
M6
M4=0
M5
M3
M2
M1

Рис. 2.31. Диаграмма моментов, нагружающих двигатель

На диаграмме использованы следующие обозначения:

М1 – момент при разгоне, время действия момента – t1.

M2– момент при установившемся движении.

М3 – момент при торможении.

М4 = 0 – пауза в работе привода.

М5 – момент при разгоне при движении в обратном направлении.

М6 – момент при установившемся движении.

М7 – момент при торможении.

Устанавливаемый двигатель должен отвечать следующим условиям:

1. Пиковый момент Мmах обычно не должен превышать трехкратное значение номинального момента двигателя М.

2. Расчетный эквивалентный момент Мэкв не должен превышать значение номинального момента М.

Первое условие связано с перегрузочными возможностями двигателя. Обычно пиковый момент имеет место на участке разгона; на рис. 2.31 Мmах = М1. Второе условие определяет работоспособность двигателя по тепловым нагрузкам.

По первому условию, в соответствии с рис. 2.30

По второму условию

Выбор двигателя по моменту М, так же как и выбор двигателя, работающего в режиме S4, приходится вести в несколько этапов: сначала предварительный выбор, затем окончательный. Это связано с тем, что изначально неизвестны (двигатель еще не выбран) момент инерции ротора двигателя и его пусковой момент. Поэтому диаграмма моментов (рис. 2.31) сначала составляется без учета параметров двигателя.

Наконец, при выборе двигателя нужно еще учесть условия внешней среды: температуру, влажность, запыленность и т. п. Существуют двигатели пылезащищенные, брызгозащищенные, взрывобезопасные и др.

Типы защиты от внешней среды обозначают буквами (International Protection) и двумя цифрами; первая характеризует защиту от посторонних предметов, вторая – защиту от попадания воды, например, 54. Обозначения могут изменяться от 00 (нет защиты) до 68 (6 – защита от попадания любых предметов и любой пыли, 8 –защита при длительном погружении в воду).

Электродвигатели

В некоторых режимах работы электропривода электродвигатель осуществляет обратное преобразование энергии, то есть работает в режиме электрического генератора.

По виду создаваемого механического движения электродвигатели бывают вращающиеся, линейные и др. Под электродвигателем чаще всего подразумевается вращающий электродвигатель, так как он получил наибольшее применение.

Областью науки и техники изучающей электрические машины является — электромеханика. Принято считать, что ее история начинается с 1821 года, когда был создан первый электродвигатель М.Фарадея.

Конструкция электродвигателя

Основными компонентами вращающегося электродвигателя являются статор и ротор. Статор — неподвижная часть, ротор — вращающаяся часть.

У большей части электродвигателей ротор располагается внутри статора. Электродвигатели у которых ротор находится снаружи статора называются электродвигателями обращенного типа.

Принцип работы электродвигателя

    Подробное описание принципа работы электродвигателей разных типов:
  • Принцип работы однофазного асинхронного электродвигателя
  • Принцип работы трехфазного асинхронного электродвигателя
  • Принцип работы синхронного электродвигателя

Классификация электродвигателей

Вращающийся электродвигатель
Само коммутируемый Внешне коммутируемый
С механической коммутацией (коллекторный) С электронной коммутацией 1 (вентильный 2, 3 ) Асинхронный электродвигатель Синхронный электродвигатель
Переменного тока Постоянного тока Переменного тока 4 Переменного тока
  • Универсальный
  • Репульсионный
  • КДПТ с обмоткой возбуждения
      Включение обмотки
    • Независимое
    • Последовательное возбуждения
    • Параллельное
    • Комбинированное
  • КДПТ с постоянными магнитами
  • БДПТ
    (Бесколлекторный двигатель + ЭП |+ ДПР)
  • ВРД
    (Реактивный двигатель с ротором с явновыраженными полюсами и сосредоточенной обмоткой статора + ЭП |+ ДПР)
  • Трехфазный
    (многофазный)
    • АДКР
    • АДФР
  • Двухфазный
    (конденсаторный)
  • Однофазный
    • с пусковой обмоткой
    • с экранированными полюсами
    • с асимметричным магнитопроводом
  • СДОВ
    (с контактными кольцами и щетками)
  • СДПМ 5
    • СДПМВ
    • СДПМП
    • Гибридный
  • СРД
  • Гистерезисный
  • Индукторный
  • Гибридный СРД-ПМ
  • Реактивно-гистерезисный
  • Шаговый 5
Простая электроника Выпрямители,
транзисторы
Более сложная
электроника
Сложная электроника (ЧП)
  1. Указанная категория не представляет отдельный класс электродвигателей, так как устройства, входящие в рассматриваемую категорию (БДПТ, ВРД), являются комбинацией бесколлекторного двигателя, электрического преобразователя (инвертора) и, в некоторых случаях, — датчика положения ротора. В данных устройствах электрический преобразователь, в виду его невысокой сложности и небольших габаритов, обычно интегрирован в электродвигатель.
  2. Вентильный двигатель может быть определен как электрический двигатель, имеющий датчик положения ротора, управляющий полупроводниковым преобразователем, осуществляющим согласованную коммутацию обмотки якоря [5].
  3. Вентильный электродвигатель постоянного тока — электродвигатель постоянного тока, вентильное коммутирующее устройство которого представляет собой инвертор, управляемый либо по положению ротора, либо по фазе напряжения на обмотки якоря, либо по положению магнитного поля [1].
  4. Электродвигатели используемые в БДПТ и ВРД являются двигателями переменного тока, при этом за счет наличия в данных устройствах электрического преобразователя они подключаются к сети постоянного тока.
  5. Шаговый двигатель не является отдельным классом двигателя. Конструктивно он представляет из себя СДПМ, СРД или гибридный СРД-ПМ.
  • КДПТ — коллекторный двигатель постоянного тока
  • БДПТ — бесколлекторный двигатель постоянного тока
  • ЭП — электрический преобразователь
  • ДПР — датчик положения ротора
  • ВРД — вентильный реактивный двигатель
  • АДКР — асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором
  • АДФР — асинхронный двигатель с фазным ротором
  • СДОВ — синхронный двигатель с обмоткой возбуждения

Типы электродвигателей

Коллекторные электродвигатели

Коллекторная машина — вращающаяся электрическая машина, у которой хотя бы одна из обмоток, участвующих в основном процессе преобразования энергии, соединена с коллектором [1]. В коллекторном двигателе щеточно-коллекторный узел выполняет функцию датчика положения ротора и переключателя тока в обмотках.

Универсальный электродвигатель

Коллекторный электродвигатель постоянного тока

Бесколлекторные электродвигатели

У бесколлекторных электродвигателей могут быть контактные кольца с щетками, таким образом не надо путать бесколлекторные и бесщеточные электродвигатели.

Бесщеточная машина — вращающаяся электрическая машина, в которой все электрические связи обмоток, участвующих в основном процессе преобразования энергии, осуществляются без скользящих электрических контактов [1].

Асинхронный электродвигатель

Cинхронный электродвигатель

Специальные электродвигатели

Серводвигатель

Основные параметры электродвигателя

Момент электродвигателя

Вращающий момент (синонимы: вращательный момент, крутящий момент, момент силы) — векторная физическая величина, равная произведению радиус вектора, проведенного от оси вращения к точке приложения силы, на вектор этой силы.

  • где M – вращающий момент, Нм,
  • F – сила, Н,
  • r – радиус-вектор, м
  • где Pном – номинальная мощность двигателя, Вт,
  • nном — номинальная частота вращения, мин -1 [4]

Начальный пусковой момент — момент электродвигателя при пуске.

1 oz = 1/16 lb = 0,2780139 N (Н)
1 lb = 4,448222 N (Н)

момент измеряется в унция-сила на дюйм (oz∙in) или фунт-сила на дюйм (lb∙in)

1 oz∙in = 0,007062 Nm (Нм)
1 lb∙in = 0,112985 Nm (Нм)

Мощность электродвигателя

Мощность электродвигателя — это полезная механическая мощность на валу электродвигателя.

Механическая мощность

Мощность — физическая величина, показывающая какую работу механизм совершает в единицу времени.

  • где P – мощность, Вт,
  • A – работа, Дж,
  • t — время, с

Работа — скалярная физическая величина, равная произведению проекции силы на направление F и пути s, проходимого точкой приложения силы [2].

Для вращательного движения

  • где – углавая скорость, рад/с,

Таким образом можно вычислить значение механической мощности на валу вращающегося электродвигателя

Коэффициент полезного действия электродвигателя

Коэффициент полезного действия (КПД) электродвигателя — характеристика эффективности машины в отношении преобразования электрической энергии в механическую.

  • где – коэффициент полезного действия электродвигателя,
  • P1 — подведенная мощность (электрическая), Вт,
  • P2 — полезная мощность (механическая), Вт
    При этом потери в электродвигатели обусловлены:
  • электрическими потерями — в виде тепла в результате нагрева проводников с током;
  • магнитными потерями — потери на перемагничивание сердечника: потери на вихревые токи, на гистерезис и на магнитное последействие;
  • механическими потерями — потери на трение в подшипниках, на вентиляцию, на щетках (при их наличии);
  • дополнительными потерями — потери вызванные высшими гармониками магнитных полей, возникающих из-за зубчатого строения статора, ротора и наличия высших гармоник магнитодвижущей силы обмоток.

КПД электродвигателя может варьироваться от 10 до 99% в зависимости от типа и конструкции.

Международная электротехническая комиссия (International Electrotechnical Commission) определяет требования к эффективности электродвигателей. Согласно стандарту IEC 60034-31:2010 определено четыре класса эффективности для синхронных и асинхронных электродвигателей: IE1, IE2, IE3 и IE4.

Частота вращения

  • где n — частота вращения электродвигателя, об/мин

Момент инерции ротора

Момент инерции — скалярная физическая величина, являющаяся мерой инертности тела во вращательном движении вокруг оси, равна сумме произведений масс материальных точек на квадраты их расстояний от оси

  • где J – момент инерции, кг∙м 2 ,
  • m — масса, кг

1 oz∙in∙s 2 = 0,007062 kg∙m 2 (кг∙м 2 )

Момент инерции связан с моментом силы следующим соотношением

  • где – угловое ускорение, с -2 [2]

Номинальное напряжение

Номинальное напряжение (англ. rated voltage) — напряжение на которое спроектирована сеть или оборудование и к которому относят их рабочие характеристики [3].

Электрическая постоянная времени

Электрическая постоянная времени — это время, отсчитываемое с момента подачи постоянного напряжения на электродвигатель, за которое ток достигает уровня в 63,21% (1-1/e) от своего конечного значения.

  • где – постоянная времени, с

Механическая характеристика

Механическая характеристика двигателя представляет собой графически выраженную зависимость частоты вращения вала от электромагнитного момента при неизменном напряжении питания.

Сравнение характеристик внешне коммутируемых электрических двигателей

Ниже представлены сравнительные характеристики внешне коммутируемых электродвигателей, в ракурсе применения в качестве тяговых электродвигателей в транспортных средствах.

Параметр АДКР СДПМП СДПМВ СРД-ПМ СДОВ
Постоянство мощности во всем диапазоне скоростей
Момент к току статора
Эффективность (КПД) во всем рабочем диапазоне
  • АДКР — асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором
  • СДПМП — синхронный двигатель c поверхностной установкой постоянных магнитов
  • СДПМВ — синхронный двигатель со встроенными постоянными магнитами
  • СРД-ПМ — синхронный реактивный двигатель с постоянными магнитами (синхронный гибридный двигатель)
  • СДОВ — синхронный двигатель с обмоткой возбуждения

В соответствии с выше приведенными показателями гибридный синхронный электродвигатель, а именно синхронный реактивный электродвигатель со встроенными постоянными магнитами, является наиболее подходящим для применения в качестве тягового электродвигателя в автомобилестроении (выбор проводился для концепта автомобилей BMW i3 & BMW i8). Использование реактивного момента обеспечивает высокую мощность в верхнем диапазоне скоростей. Более того такой двигатель обеспечивает очень высокую эффективность (КПД) в широком рабочем диапазоне [7].

Области применения электродвигателей

Электродвигатели являются крупнейшими потребителями электроэнергии в мире, на них приходится около 45% от всей потребляемой электроэнергии [6].

Выбор электродвигателя

16.08.2013 19:10

Критерии выбора электродвигателя

Электрический двигатель необходимо выбирать от требований и условий, в каких ему предстоит работать. Мощность электродвигателя должна соответствовать мощности, заявленной в паспорте установки. Если двигатель будет выбран с заниженной мощностью, то он не будет полноценно приводить в действие установку, к которой он подключен. То есть при полной загрузке установки, он не сможет обеспечивать нужное в работе вращение и будет перегреваться, что недопустимо по условиям его эксплуатации.

При выборе электродвигателя с завышенной мощностью он будет работать недогруженным. Это значительно снизит коофицент мощности всей установки и загрузит всю линию электропередачи вредными реактивными токами, что заставит Энергонадзор применить штрафные санкции к потребителю.

Номинальная мощность силовой установки указана в ее паспорте. При необходимости возможно определение по справочникам и поисковым системам. В тех случаях, когда при пуске электродвигателя возникает сразу нагрузка, необходимо проверить достаточность пускового момента двигателя необходимого для пуска установки.

Когда установка по технологии производства имеет кратковременные, но значительные перегрузки, при выборе электродвигателя необходимо учитывать его предел мощности, то есть опрокидывающий момент.

Скорость вращения электродвигателя выбирают в соответствии с номинальной скоростью вращения рабочей установки. В тех случаях, когда скорость электродвигателя и скорость рабочей установки совпадают, применяется соединительная муфта, которая считается самым экономичным и простым способом соединения электродвигателя и установки. В тех случаях, когда скорость вращения не совпадает, применяют зубчатую и ременную передачу.

При выборе скорости вращения электродвигателя, при применении передаточных устройств необходимо учитывать, что сниженная скорость вращения рабочей установки ведет к снижению производительности, а вращение рабочей установки не должно быть выше, чем указано в ее паспорте. Если скорость вращения установки будет выше заявленной, то это чревато механическим износом деталей.

Условия, в которых предстоит работать электродвигателю, определяют выбор электродвигателя по рабочему напряжению, типу и исполнению.

Род помещения или окружающей среды определяют выбор исполнения электродвигателя.

Для взрывоопасных помещений необходимо выбирать только взрывобезопасное исполнение электродвигателя. При выборе электродвигателя обязательно нужно учитывать вышеперечисленые факты во избежении поломки дорогостоящего оборудования.

Основные критерии выбора электродвигателей

Выбирая электродвигатель, следует отталкиваться от таких критериев:

  • Тип электрического тока и питающего оборудования.
  • Мощность электродвигателя.
  • Климатические условия, прочие внешние факторы.
  • Режим работы.

Электродвигатели, работающие от постоянного и переменного тока

Исходя из того, какой вид электрического тока используется для работы двигателя, их делят на 2 категории:

  • Постоянного тока.
  • Переменного тока.

Моторы постоянного тока на данный момент не слишком распространены, хотя ранее были очень популярными. Вместо них на рынке сейчас занимают ведущие позиции асинхронные моторы с короткозамкнутым ротором.

Основной минус двигателей постоянного тока в том, что для их работы в любом случае нужен именно постоянный ток. То есть нужен его источник или преобразователь переменного. Чтобы обеспечить такое условия современному производству придется нести дополнительные затраты.

Однако, такие двигатели отличаются стабильностью работы при сильных перегрузках и высоким пусковым моментом. Данные приводы распространены в металлургической отрасли, станкостроении, также используются в электротранспорте.

Электродвигатели переменного тока бывают двух видов:

Синхронные являются идеальным вариантом для оборудования, работающего на постоянной скорости – насосы, компрессоры, генераторы постоянного тока и т.д.

Асинхронные модели больше всего используются на промышленном производстве. Их особенность в более высокой частоте вращения магнитного поля, в сравнении с скоростью вращения ротора.

Мощность электродвигателя

Это очень важный параметр, так как от электродвигателя будет работать определенное количество механизмов с различными характеристики. Мощности мотора должно для них хватать, в ином случае просто не удастся получить нужный результат.

Для каждого вида оборудования есть специальные формулы подсчета мощности, исходя из которых и следует выбирать конкретную модель.

Важно помнить, что должен быть некий запас мощности, однако небольшой. Если запас будет большим, то КПД снизится. А в приводах переменного тока падает еще и коэффициент мощности.

Выбор электродвигателя установки и его назначение (стр. 1 из 7)

1. Перечень основного электрооборудования установки и его назначение

2. Выбор электродвигателя установки и его назначение

2.1. Выбор электродвигателя

2.2. Выбор магнитного пускателя

3. Принципиальная электрическая схема управления установкой и ее анализ (режим работы, виды защиты, наладка)

5. Особенности монтажа электропроводок установки

5.1. Прокладка электропроводок

5.2. Виды электропроводок

5.3. Инструменты для монтажа электропроводок

5.4. Соединение и оконцевание жил, проводов и кабелей

5.5. Способы прокладки проводов

6. Эксплуатация электрооборудования установки

6.1. Технический уход за электрооборудованием

6.2. Технический уход за асинхронными электродвигателями

6.3. Технический уход за низковольтной аппаратурой

6.4. Технический уход за нагревательными установками

6.5. Технический уход за внутренними электропроводками

6.6. Техника безопасности при проведении технического обслуживания электрооборудования

1. Перечень основного электрооборудования установки и его назначение

На фермах и комплексах для получения горячей воды и пара применяют водогрейные и паровые котлы. Водогрейные котлы (электроводонагреватели) типа ЭПЗ-100И2 предназначены для нагрева воды в системах отопления, для скоростного нагрева воды в бойлерах и для аккумулирования горячей воды.

Электроводонагреватель ЭПЗ-100И2 представляет собой цилиндрический резервуар, внутри которого расположены три электродные группы из фазных и нулевых коаксиально расположенных цилиндрических электродов (рис. 85, а). Нулевые электроды (антиэлектроды) образуют общую точку электродной системы. Потребляемую котлом мощность можно регулировать от 300 до 10 % введением и выведением между электродами и антиэлектродами изоляционных цилиндров. Для этих целей на крышке котла имеется специальный маховичок.

2. Выбор электродвигателя установки и его назначение

2.1. Выбор электродвигателя

Выбор электродвигателя производится о следующем порядке:

1,Определяется мощность электродвигателя;

2,Выбирается род тока и напряжения;

3,Выдирается тип привода;

5,Выбирается тип электродвигателя в соответствии с условием Работы;

6,Электродвигатели проверяются по условию нагрева и условия запуска при пониженном напряжении;

7,Электродвигатели проверяются на устойчивость работы при кратковременных снижениях напряжения;

Составляется принципиальная схема управления и выбирается аппаратура управления

Основным принципом при работе мощности электродвигателя является нагрузка. В зависимости от продолжительности действия нагрузки режим работы электродвигателя принято разделять на длинный, кратковременный и повторнократковременный.

Правильное определение мощности и Выбор двигателя для электропривода имеет большое значение, если установленная мощность электродвигателя завышена, то неоправданно возрастают размеры, масса и стоимость двигателя. Кроме того ухудшаются энергетические показатели коэффициент полезного действия. Работа такого электродвигателя будет не экономичной. При не достатке мощности неизбежен перегрев двигателя, что приводит к преждевременному выводу его из строя.

Правильно выбранный двигатель должен обеспечивать Выполнение заданной работы электропривода при соблюдении нормального теплового режима и допустимой механической нагрузки двигателя. В большинстве случаев выбор мощности двигателя происходит по нагребу с последующей проверкой по перегрузочной способности.

Вторым важным фактором определяющим мощность электродвигателя является величина развиваемого им момента, вторая ограничивает механической прочностью Вала, подшипников, ротора и электромеханическими свойствами самого двигателя. Наиболее часто применяются в промышленности асинхронные электродвигатели серии 4А, как наиболее экономичные. Зная мощность на валу рабочей машины Рв выбираем по каталогу Технические данные асинхронных эл. двигателей Зх фазного тока с короткозамкнутым и ротором серии 4А.

Выбираем эл. двигатель для насоса имеющего мощность на валу Рв=2,2 кВт

1. Зная мощность на валу двигателя Рв, определяем расчетную мощность Рр Рв 2,2 0,95= 2,31 кВт2.

2. Мощность электродвигателя выбирается по условию

Руст > Рр где: Руст — мощность электродвигателя из каталога.

По каталогу «Технические данные трехфазных асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором» выбираем электродвигатель нужной мощности, а затем проверяем его по условиям пуска

Проверяем электродвигатель 4А100S4УЗ Р=3 кВт, 1н=6,7А, п=1435 мин-1 η=82% cosφ=0,83; Ki=6 Kn=2 Ктах=2,4 КтЫ,6 3.

3. Определяем угловую скорость и номинальный момент выбранного электродвигателя

Предельное время для пуска асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором равна 10-15 секунд. При этом происходит значительное увеличение тока и уменьшение напряжения на зажимах электродвигателя. Поэтому необходимо проверить электродвигатель по условию пуска. Проверим, обеспечивает ли Выбранный электродвигатель достаточно быстрый разгон агрегата под нагрузкой. Для этого определим требуемый номинальный момент двигателя при пуске, предполагая что минимальный пусковой момент двигателя был В 1,25раза больше статического момента рабочей машины при пуске.

Вывод; видно, что при пуске электродвигатель создает необходимый момент

2.2. Выбор магнитного пускателя

Пускатели выбирают по следующим условиям

Выбирают пускатель для электродвигателя типа

Предварительно выбираем пускатель ПМЛ-121002 у которого 1н(пуск)>6,7А

1. Сила номинального тока пускателя должна быть больше или равно силе номинального тока двигателя. 1н(пуск)>1н дв.

2. Напряжение втягивающей катушки должно быть родным напряжению в сети.

3. Пускатель должен обеспечить нормальное условие коммутации.

Как видно условие на пуск соблюдаются. Окончательна принимаем магнитный пускатель

4. Выбираем тепловое реле с нагревательным элементом.

Выбираем тепловое реле типа РТЛ101204 с диапазоном регулирования силы тока 5,5….8А

3. Принципиальная электрическая схема управления установкой и ее анализ (режим работы, виды защиты, наладка)

Электрическая схема управления электроводонагревателем ЭПЗ-100И2 приведена на рисунке 1,б. Температура нагрева воды задается датчиком температуры ВК.1: максимальную уставку датчика устанавливают на 186 нагрев до 90. 95°С, минимальную — на 80. 85°С. Датчик температуры ВК2 (аварийный) настраивают на 2. . 3°С выше максимальной уставки ВК1.

После заполнения водонагревателя водой закрывают дверь ограждения, то есть замыкают блокировочный контакт SQ. При замыкании автоматического выключателя QF подают питание на цепь управления. Включают в работу циркуляционный водяной насос — контакт SP замыкается.

Так как температура воды в котле будет ниже 80. . 85°С, на которую настроен минимальный датчик, то его контакт будет замкнут и тогда питание через КМ2 и КМ4 будет подано на катушку реле КМЗ, которая замкнет все три своих контакта: один параллельный минимальной уставки, другой — в цепи катушки КМ2 и третий— в цепи катушки контактора КМ1. Контактор, включившись, подаст питание па электроды.

Нагрев воды до температуры, значение которой установлено на минимальном датчике—80°С, приведет к размыканию контактов минимального датчика. Питание реле КМЗ осуществляется через параллельный минимальному датчику контакт КМЗ. При этом нагрев воды будет продолжаться. По достижении водой верхнего предела нагрева (90. 95°С) замкнется максимальный контакт, в результате чего будет подано питание на катушку реле КМ2, которое разомкнет свой контакт КМ2 в цепи катушки КМЗ, а следовательно, разомкнется контакт КМЗ в цепи катушки контактора КМ1. Контактор КМ1 разомкнется и отключит питание электродов.

Если же в силу каких-либо причин контакт КМ2 в цепи катушки КМЗ не разомкнется и температура воды будет повышаться, то в работу включится датчик аварийной температуры ВК2. По достижении водой температуры, на которую установлен КВ2, его контакты (авария) замкнутся, катушка КМ4 получит питание, реле сработает и разомкнет свои контакты КМ4 в цепи катушки КМЗ. Обесточивапие катушки КМЗ приведет к размыканию контактов КМЗ в цепи контактора КМ1.

Реле максимального тока КА срабатывает при увеличении тока нагрузки на 25 % выше номинального.

5. Особенности монтажа электропроводок установки

5.1. Прокладка электропроводок

Тип электропроводки и способ ее прокладки определяют номинальным напряжением сети, характером помещений, состоянием окружающей среды, в которой она будет находиться, условиями техники безопасности и пожарной безопасности. Окружающая среда характеризуется влажностью, температурой, наличием пыли, вредно действующих химически активных паров и газов.

Сельскохозяйственные помещения по характеру и условиям окружающей среды подразделяют на сухие, пыльные, влажные, сырые, особо сырые, особо сырые с химически активной средой, жаркие, пожароопасные и взрывоопасные.

Сухие помещения—это такие, в которых относительная влажность воздуха не превышает 60 %. Если в этих помещениях в течение длительного времени температура не поднимается выше 30 °С, не выделяется большое количество технологической пыли и химически активных веществ, то такие сухие помещения называют нормальными. К сухим помещениям относятся конторы, клубы, красные уголки, помещения для обслуживающего персонала ферм, жилые комнаты, общежития, инкубаторий, отапливаемые склады, подсобные помещения в ремонтных мастерских и т. п.

Rule-X › Блог › Конверсия авто в электро! Выбор двигателя и контроллера!

Безусловно самой затратной частью электромобиля является батарея!
И как рассказывалось в прошлой статье от емкости батареи зависит дальность пробега, но
и от КПД двигателя и расходуемой им энергии на 1 км тоже зависит многое!
Что касается стоимости то дуэт двигателя и контроллера занимает вторую строчку по стоимости после батареи!

На каких двигателях вообще можно ездить?
П сути их 3 типа!
1. Двигатель постоянного тока смешанного, последовательного или параллельного возбуждения(DC);
2. Двигатели постоянного тока с постоянными магнитами или еще их называют без щеточными (BLDC);
3. Двигатели переменного тока асинхронные с медным или алюминиевым короткозамкнутым ротором (АС);

Самым бюджетным комплектом из этой тройки является 1 вариант. Как правило он состоит из б/у или нового тягового двигателя от погрузчика «Балканкар» болгарского производства или хорошо зарекомендовавших себя двигателей марки ДС-3,6 и ДС-6,3. Многие конверсии авто начинались с того, что человеку подворачивался такой двигатель, а вместе с ним мысль перейти на электротягу. Цена такого двигателя в зависимости от состояния может быть разной но в среднем это около 400 у.е. Есть американские монстры такие как Varp и Advanced по цене от 700 у.е. и выше! Контрллер к нему подобрать не трудно, многие дерзают паять их дома. Из широко используемых у нас это Kelly, Комета и так называемый Контроллер от «Романтика» (Юрия Логвина, Романтик — никнейм на электромобилном форуме), Цена таких контроллеров тоже не высока от 300 до 500 у.е. Для американских монстров Varp и Advanced контроллер выской мощности может стоить и до 2000 у.е. Плюсами двигательной установки с двигателем постоянного тока последовательного возбуждения о которых шла речь выше, несомненно являются цена и высокая перегрузочная способность, т.е. при номинальной мощности в 3,6 кВт двигатель может выдать при необходимости в 3-5 раз больше! В зависимости от мощности используемого контроллера. Минус отсутствие либо сложность организации процесса рекуперации (свойство двигателя становится генератором и заряжать батарею во время торможения или движения под гору) относительно низкий КПД 75-85% на номинальных оборотах. Двигатели с параллельным возбуждением среди самоделок получили меньшее распространение, но ими комплектовались серийные электромобили Рено и Ситроен Саксо. Эти машины можно относительно недорого купить на вторичном рынке в Германии, останется только укомплектовать батареей.

2-й вариант Дороже предыдущего как правило продается парой двигатель+контроллер, (в среднем около 1,5 тыс. у.е.) обладает высоким КПД более 90%, но имеет низкую перегрузочную способность, если взять минимальную расчетную мощность 6 кВт на 1т снаряженной массы, то для 1 варианта достаточно мощности 3,6 кВт для варианта 2 — 10-12 кВт. Рекуперация на таком комплекте организовывается без проблем и чаще всего присутствует как стандартная опция контроллера.

3-й вариант самый дорогостоящий! Самый прогрессивный! Имеет один минус — Цена! Но сколько плюсов?!
Достаточно сказать, что асинхронным двигателем с медным ротором оборудован автомобиль Tesla model S!
Но не все так грустно! Для конверсии можно использовать обычный общепромышленный асинхронный двигатель, скажем АИР112MB8! Но обмотки статора нужно будет перемотать специальным образом. Тип такой обмотки называется «Славянка» такое название ей дали ее разработчики, наши с вами соотечественники. Этот тип обмотки позволяет получить из обычного асинхронника отличный тяговый мотор, с расходом энергии на км на 30-40% ниже чем на двигателях постоянного тока! Это значит что с одной и той же батареей на асинхроннике со «Славянкой» ваш пробег будет больше. Диапазон оборотов до 6000 и выше. Контроллер для такого двигателя стоит от 1,5 до 2,5 тыс. у.е. можно найти на торговых площадках за 700-1000 у.е. б/у. в основном это Сurtis. Сейчас активно ведется разработка такого контроллера Российскими учеными-энтузиастами! Возможно к весне будут готовы первые мелкосерийные образцы. Они будут дешевле.

Если вы хотите не дорого электрифицировать авто до 800 кг, ищите двиг от погрузчика! Масса двигателя должна быть не менее 40-50 кг! Это важно! Двигатель в 30 кг мощностью 6 кВт не будет обладать нужным крутящим моментом и будет греться до критических 110 градусов! Также на шилде двигателя может быть указан режим его работы — S1, S2, S3, S4. Вам нужен S1 или S2. Обороты двигателя для конверсии с КПП должны быть сопоставимы с ДВСными, т.е. не менее 1800 оборотов. Их число можно поднять увеличив напряжение с номинальных, скажем 48В до 72В. Уже под найденный двигатель подбирайте контроллер!

Если вы хотите получить компактный двигатель с рекуперацией и не дорого, возьмите комплект бесколлекторный двигатель плюс контроллер! Лучше брать комплект т.к. это упростит монтаж и будет гарантировать совместимость контроллера и двигателя и их оптимальность работы.

Если вы решили подойти к конверсии всерьез и хотите получить авто с отличными характеристиками с рекуперацией и максимальной скоростью за 100 км, то ваш выбор в пользу асинхронника со «Славянкой»!
Такую конверсию лучше начать с поиска и покупки именно контроллера! И уже под контроллер и его характеристики подбирать двигатель.

Электропривод – переменного или постоянного тока?

Ежегодный темп роста продаж регулируемых электроприводов составляет, примерно, 6 %, в то время как темп роста приводов переменного тока — 8 %, а объем рынка приводов постоянного тока остается более или менее стабильным. Данная статья предназначена для конечных пользователей, OEM-производителей, системных интеграторов и прочих инженерно-технических работников, использующих приводную технику, чтобы в общих чертах обрисовать преимущества выбора для различных прикладных задач одного из двух основных типов регулируемого электропривода – постоянного или переменного тока.

Какое приводное решение выбрать — DC или AC?

Силовые статические преобразователи на базе микропроцессоров, применяемые как в приводах переменного, так и постоянного тока, в настоящее время достигли очень высокого технического уровня, который (в допустимых технологических пределах) в большинстве приложений позволяет использовать электропривод переменного тока, там где раньше применялся привод постоянного тока. Однако, традиционный привод постоянного тока (1-но и 4-х квадрантный) продолжает играть важную роль, особенно в тех приложениях, где нужно обеспечить высокодинамичные режимы с постоянным моментом вращения, жесткими требованиями по перегрузочной способности в широком диапазоне скоростей и рекуперацию энергии обратно в сеть.

Главные критерии выбора

Первое, что должен сделать пользователь, это объективно оценить варианты, предлагаемые на рынке регулируемых приводов, технически соответствующие требованиям прикладной задачи/процесса. Главными критериями этой оценки должны быть:
1. Совокупная стоимость закупки регулируемого привода и требуемого дополнительного оборудования
2. Текущие эксплуатационные расходы:

  • обслуживание;
  • производственные издержки, КПД, и т.д;
  • требуемая площадь размещения.

3. Технологические и инновационные аспекты:

  • динамический отклик, время разгона; 4-х квадрантные операции; аварийный стоп, и т.д.
  • массо-габаритные характеристики.

4. Эксплуатационная надежность, пригодность приводов:

  • соответствие международным требованиям и стандартам IEC, ГОСТ Р, EN, CE-EMC; CSA, UL, и т.д.;
  • условия окружающей среды; степень защиты корпуса; ремонт «по-месту»

5. Воздействие на внешнюю среду:

  • искажение сетевого напряжения
  • ЭМС

6. Требуемое пространство для преобразователя и двигателя
7. Отвод тепла

Сравнение основных характеристик приводов постоянного и переменного тока в промышленном применении

Сравнение проводится между 6-пульсными 3-фазными тиристорными приводами постоянного тока с независимым возбуждением [далее называемыми ППТ] и 3-фазными электроприводами переменного тока на базе преобразователя частоты с широтно-импульсной модуляцией и асинхронного двигателя [далее называемыми ЧРП – частотно регулируемый привод], в следующих типовых категориях:
ППТ — P = 11 kW . 5200 kW; U = 200 V . 1190 V
ЧРП — P = 0.75 kW . 2000 kW; U = 380 V . 690 V

Привод постоянного тока

Частотно-регулируемый привод

В первом приближении существенных отличий между этими приводами не так и много; однако, при более детальном рассмотрении, выявляются характерные особенности приводов и различие физических принципов функционирования. Дале в статье раскрываются аспекты отличия приводов по следующим пунктам:

  • характеристики двигателей, как электромеханических преобразователей
  • характеристики преобразователей электрической энергии
  • 4-х квадрантные приводы
  • влияние на внешнюю среду
  • модернизация приводов постоянного тока

Различия между двигателями постоянного и переменного тока

Большинство пользователей имеют такое общее представление об электродвигателях: «Двигатели постоянного тока сложные, требующие частого обслуживания, что делает их эксплуатацию дорогой; к тому же они имеют низкую степень защиты. Двигатели переменного тока (асинхронные двигатели) просты и надежны, не нуждаются в обслуживании, имеют более низкую цену, и кроме того более высокую степень защиты». Такая классификация может быть верной для многих простых применений; те не менее этот общий вердикт желательно подвергнуть более тщательному рассмотрению!

Механическая характеристика приводов постоянного тока

Обычно используемая независимая вентиляция (прим. в 85 % регулируемых приводов до 250 kW) гарантирует хороший отвод тепла от ротора двигателя постоянного тока во всем диапазоне скоростей.

Типичные применения, требующие обеспечение постоянного момента в широком диапазоне скоростей: волочильные станы, поршневые компрессоры, подъемные механизмы, канатные дороги, экструдеры, .

Механическая характеристика частотно-регулируемых приводов

Обычно используемая самовентиляция (прим. в 90 % регулируемых приводов до 250 kW) в стандартных асинхронных двигателях не является эффективной во всем диапазоне скоростей. На низких скоростях отвод тепла фактически не возможен.

Типичные применения с пониженным моментом на низкой скорости, соответствующие характеристике на рис. 4: насосы, вентиляторы, и др. с квадратичной зависимостью нагрузки от скорости .

Характеристики отношения мощности и скорости в режиме S1 двигателей постоянного и переменного тока:

(1) В отличии от стандартного асинхронного двигателя с фиксированной базовой (номинальной) частотой вращения (синхронные скорости 3000/1500/1000/. об/мин на 50 Гц), двигатель постоянного тока может быть спроектирован с базовой частота вращения в диапазоне примерно от 300 до 4000 об/мин для каждой рабочей точки.
(2) В зависимости от типоразмера двигатели постоянного тока (как скомпенсированные, так и не скомпенсированные) могут иметь область работы с ослаблением поля 1 : 3 или 1 : 5 .
(3) Ограничение мощности связано с максимальным моментом асинхронного двигателя, уменьшающимся обратно квадрату скорости (1/n2).
(4) Ограничение мощности связано с уменьшением коммутационной способности коллекторного двигателя постоянного тока.

Сравнение рабочих характеристик двигателей показывает, что двигатель постоянного тока выгоднее асинхронного при продолжительной работе на низких скоростях и для широкого диапазона скоростей при постоянной мощности. Перегрузочная способность в кратковременном режиме зависит не только от параметров двигателя, но в большой степени от характеристик преобразователя частоты / тиристорного преобразователя.
Чем шире диапазон скоростей, в котором двигатель может выдать максимальную мощность, тем он лучше может быть адаптирован к процессам, требующим обеспечения постоянного момента во всем диапазоне скоростей.
Типичное применение: намоточные устройства.

• Типоразмеры, моменты инерции и время разгона:
Основные технические различия двигателей постоянного и переменного тока, методы формирования магнитного потока и рассеивание потерь мощности также обуславливают различные размеры (высоту оси вращения вала H) и момент инерции ротора (Jrotor), при одном и том же номинальном моменте вращения двигателя.
Двигатели постоянного тока имеют значительно меньшую высоту оси вращения H и массу ротора, чем асинхронные двигатели, и следовательно обладаю более низким моментом инерции ротора Jrotor, что является существенным преимуществом в высокодинамичных применениях, таких как испытательные стенды, летучие ножницы, и реверсивные приводы, так как это влияет на время разгона и динамический отклик двигателя в 4-х квадрантных приложениях (в двигательных и тормозных режимах).

• Широкий диапазон скоростей при постоянной мощности (работа с ослаблением поля или диапазон регулировки возбуждения):
Для специализированных приводных приложений, как привод намотчика и размотчика, испытательный стенд, лебедка и т.д., требуется очень широкий диапазон скоростей при постоянной мощности. В этом случае, традиционный режим работы с ослаблением поля двигателя постоянного тока с независимым возбуждением является особенно экономически эффективным. Это означает: широкий диапазон скоростей, при котором двигатель может выдавать максимальную мощность (длина горизонтальной линии характеристики на рис.5 от nG до n1), требуется меньший запас по мощности двигателя Pmax(motor) / Pmax(load).

• Обслуживание двигателя:
В настоящее время, в зависимости от сложности приложения, ресурс щеток двигателя постоянного тока составляет, примерно, 7000 . 12000 часов, благодаря современному коллекторному узлу, углеродистым щеткам и оптимизированному полю возбуждения. В зависимости от механических условий эксплуатации, интервал замены смазки в двигателях постоянного/переменного тока может быть соизмерим, а зачастую и меньше, чем ресурс щеток коллекторного двигателя.

• Степень защиты двигателя:
Исторически сложилось так, что начиная с 20-х годов, двигатели постоянного тока разрабатывались в основном для регулируемых приводов, что обусловило применение в них внутренней форсированной независимой вентиляции (прим. в 85 % двигателей до 250 kW). Стандартные асинхронные двигатели активно начали применяться в 70-х/80-х годах и в большинстве своем (прим. 90 % до 250 kW) производились с поверхностной самовентиляцией, так как частотно-регулируемые приводы тогда не были широко распространены. Фактически все асинхронные двигатели мощностью, прим. до 1400 kW имеют степень защиты IP 54, как стандарт, благодаря их простой и прочной конструкции. Для эксплуатации в зонах с повышенной опасностью, практически исключительно используются взрывозащищенные асинхронные двигатели. Асинхронный двигатель отыграл для себя ведущую позицию и доказал свою эффективность в тех секторах промышленности, которые характеризуются агрессивными условиями окружающей среды, высокой степенью загрязненности и запыленности.

• Масса и место для установки двигателя:
Более низкие масса и габариты двигателей постоянного тока (стандартная степень защиты IP 23) по сравнению с асинхронными двигателями (стандартная степень защиты IP 54) особенно важны для приложений, где двигатель должен перемещаться вместе с грузом (напр., для крупных подъемных, мостовых кранов), или в системах, где важно компактное размещение (буровые установки, подъемники для горнолыжных трасс, морские применения, печатные машины, и т.д.).

Различия между тиристорными преобразователями постоянного тока и преобразователями частоты

• Коммутация и преобразование электрической энергии:

Структурная схема 1-квадрантного привода постоянного тока

Переход тока от одного тиристора к другому начинается с пускового импульса, и после этого продолжается в линейно взаимосвязанном режиме. Это значит, что напряжение между коммутируемыми фазами сети поляризуется таким образом, что ток вновь открываемого тиристора увеличивается, и запирает предшествующий тиристор, снижая его ток до ноля. Коммутация тиристоров производится естественным путем (напряжением сети) при переходе тока через ноль и запирание тиристоров происходит без каких-либо проблем даже при значительной перегрузке. Поэтому тиристоры могут выбираться не по пиковому току, а по среднедействующему номинальному току нагрузки.

Структурная схема преобразователя частоты

Хотя входной выпрямительный мост преобразователя частоты работает подобно приводу постоянного тока, однако выпрямленный им ток должен быть преобразован обратно в 3-х фазный переменный с помощью инвертора. Так как у постоянного тока нет никаких переходов через ноль, то переключающие элементы (IGBT транзисторы) должны прерывать полный ток нагрузки. Когда IGBT транзистор закрывается, ток проходит через обратный диод на противоположный полюс напряжения постоянного тока. Переключение происходит без контроля напряжения, но оно возможно в любое время независимо от формы сетевого напряжения.

Результат:
Коммутация в преобразователях частоты происходит с большой частотой и в выходном напряжении появляется высокочастотная составляющая, и могут возникнуть проблемы с электромагнитной совместимостью.
В преобразователях постоянного тока есть только один контур преобразования энергии (AC → DC). В преобразователях частоты два контура преобразования энергии (AC → DC и DC → AC), т.е. потери мощности удваиваются по сравнению с приводами постоянного тока.
Потери мощности, полученные эмпирическим путем следующие: ППТ — 0.8 % . 1.5 % от номинальной мощности; ЧРП — 2 % . 3.5 % от номинальной мощности.
Место, требуемое для размещения шкафа преобразователя мощностью от 100 kW: ППТ — 100 %, ЧРП — 130 % . 300 %. Это преимущество приводов постоянного тока обуславливает уменьшение размера и стоимости электрошкафа и системы охлаждения.

• Выходные токи преобразователей переменного и постоянного тока; шум двигателя; нагрузка на изоляцию обмоток, электромагнитная совместимость (ЭМС):

• Ток двигателя / шум:
Напряжение, подаваемое на двигатель, состоит из сегментов от синусоидального сетевого напряжения. Ток двигателя является постоянным с наложенной переменной составляющей от мостового выпрямителя, поэтому проблем излучения шума в приводе постоянного тока не стоит.

• Пульсации момента вращения двигателя:
Пульсирующий момент (foscill = 6 x fline = 300 Гц или 360 Гц), появляющийся в результате пульсаций тока, накладывается на основной момент и по частоте значительно превышает механические резонансные частоты. По этой причине не будет никаких проблем для таких приложений, как намотчики/размотчики и др.

• Напряжение на двигателе/изоляция обмоток:
Максимальное напряжение, которое подается на клеммы двигателя постоянного тока эквивалентно пиковому значению сетевого напряжения (UN • √2 ).

• ЭМС:
По упомянутым выше причинам инсталляционные затраты, требуемые для уменьшения электромагнитной эмиссии (для обеспечения требований по ЭМС) являются сравнительно небольшими в приводах постоянного тока.

• Ток двигателя / шум:
Излучение шума в частотно-регулируемых приводах сильно зависит от выбранной тактовой частоты в каждом конкретном случае.

• Относительные гармонические составляющие в моменте вращения двигателя:
Пульсирующий вращающий момент, в результате гармонических составляющих тока и напряжения (отклонение от идеального синуса) по амплитуде и частоте очень зависит от рабочей точки и принципа функционирования преобразователя частоты. Вероятность индуцированных колебаний в приводной системе (двигатель, муфта сцепления, трансмиссия, механические компоненты, и т.д.) соответственно больше.

• Напряжение на двигателе/изоляция обмоток:
Выходной сигнал инвертора с ШИМ на IGBT транзисторах содержит крутые фронты напряжения, которые в случае длинного моторного кабеля (> 10 м) могут привести к 2-кратным пиковым перенапряжениям на двигателе. В результате этого увеличивается воздействие на изоляцию обмоток двигателя, что может привести к её старению и пробою. Эту ситуацию можно исправить, применив двигатель с повышенным классом изоляции, или поставив на выходе преобразователя частоты, дроссель.

• ЭМС:
Электромагнитная эмиссия в частотно-регулируемых приводах, особенно связанная с длинным кабелем, может потребовать применение дополнительных мер и оборудования.

• Влияние на напряжение сети:
Линейные токи приводов постоянного тока с 6-пульсным тиристорным мостом будут всегда содержать кроме основной гармоники еще 5-ю, 7-ю, 11-ю и 13-ю гармоники в соответственном процентном отношении: 22 %, 14 %, 9 %, 7.6 %. В случае работы нескольких приводов постоянного тока, подключенных у одному источнику сетевого напряжения, они немного уравновесят друг друга за счет различной фазовой последовательности, и общее искажение сетевого напряжения будет снижено. В преобразователях частоты переключение IGBT транзисторов практически не создает низкочастотных гармонических искажений, но существенными являются высокочастотные составляющие.

• Реактивная мощность:
Оба типа приводов (ППТ и ЧПП) потребляют реактивную мощность из сети. Её размер не значителен в частотно-регулируемых приводах, а в приводах постоянного тока более значителен и зависит от частоты вращения двигателя. Предпочтение в этом вопросе имеют частотные приводы.

Значения, полученные эмпирическим путем для приводов постоянного тока:
1-кварантные приложения — cos ≈ 0. 0.9
4-квадрантные приложения — cos ≈ 0. 0.85

Значения, полученные эмпирическим путем для частотно-регулируемых приводов:
1-кварантные приложения (с диодным входным мостом) — cos ≈ 0.99
4-квадрантные приложения (с тиристорным входным мостом и рекуперацией в сеть) — cos ≈ 0.9

Модернизация существующих приводов постоянного тока.

Когда возникает вопрос о том, стоит ли модернизировать существующий привод постоянного тока или дешевле его полностью заменить на электропривод переменного тока, надо подойти к этому вопросу взвешенно и рассмотреть все аргументы и «за» и «против».

В основном доступно несколько уровней модернизации:

  • Полная замена привода постоянного тока (преобразователя и двигателя) на новый современный привод постоянного тока.
  • Замена только преобразователя, если двигатель в хорошем состоянии.
  • Замена одного из модулей преобразователя на новый.
  • Замена аналоговой управляющей электроники на цифровую без изменения силовой части (рекомендуется только на мощностях более 1 МВт).
  • Полная замена всей приводной системы на частотно-регулируемый привод.

Отвечая на вопрос, о том какой подход выбрать в каждом конкретном случае, важно оценить ряд критериев:

  • Может ли появиться потребность в изменении привода в будущем (изменяться тип или характер нагрузки, условия эксплуатации, и т.д.)?
  • В каком состоянии находятся индивидуальные компоненты системы (надежность, возраст, эксплуатационные затраты)?
  • До принятия решения о замене привода постоянного тока на ЧРП учтите следующие пункты:
  • Издержки на прокладку новых кабелей.
  • Место для размещения преобразователя частоты.
  • Потребуется ли замена коммутационной аппаратуры?
  • Возможность и сложность механического монтажа нового двигателя
  • Продолжительность всех работ по замене приводов. 15 kW → ППТ менее дорогие

Заключение

Основным недостатком аналогового привода постоянного тока является низкая помехоустойчивость, сложность в настройке и нестабильность параметров. В качестве датчика обратной связи по скорости применяется тахогенератор, имеющий те же недостатки, что и коллекторный двигатель. Для реверсивных приводов после тахогенератора приходится устанавливать диодный мост, что ограничивает диапазон регулирования на малых скоростях из-за пропадания обратной связи. В случае синхронизации механизмов с различными приводами в режиме «ведущий – ведомый» частотный преобразователь намного предпочтительней, т.к. в качестве датчика скорости применяются цифровые датчики типа энкодера, резольвера или sin/cos преобразователи, что позволяет строить системы с электрическими валами. Наличие дополнительных устройств (опций) частотных преобразователей позволяют наращивать функции последних: увеличивать число входов выходов, использовать современные шины и протоколы обмена, применять привод в устройствах позиционирования, следить за температурным режимом двигателя и привода, использовать привод в режиме виртуального кулачка (переменная скорость вращения за один оборот вала) и многое другое.

Современные микроконтроллеры, управляющие частотным преобразователем, позволяют обрабатывать данные за период в несколько десятков микросекунд, (десять лет назад это время составляло 200 мС), что позволило расширить диапазон регулирования с обратной связью до 1:1000 с точностью поддержания скорости 0,2 оборота во всем диапазоне, что приближает частотные приводы к сервоприводам.

Однако, учитывая устойчивый рост рынка регулируемых приводов, ожидается, что объем рынка приводов постоянного тока останется более или менее устойчивым в течение некоторого периода. Это представление подтверждено последними исследованиями рынка.

Сравнение двух типов приводных систем, сделанное в данном обзоре, показывает, что вопрос о том, является ли правильным выбор привода постоянного или переменного тока, целиком зависит от конкретного применения.

  • Должен быть обеспечен режим работы в 4-х квадрантах с рекуперацией?
  • Предполагается продолжительная работа на низкой скорости?
  • Требуется меньшее выделение тепла преобразователем?
  • Предполагаются частые динамичные разгоны и торможения?
  • Требуется широкий диапазон скоростей при постоянной мощности (>1:1.5)?
  • Устраивает степень защиты двигателя

Предварительный выбор электродвигателя

Скоростная диаграмма и диаграмма статического момента механизма служат основой для предварительного выбора ЭД.

По нагрузочной диаграмме производственного механизма (рисунок 2.2) находим эквивалентный статический момент[6]:

ti-продолжительность i-го интервала;

Mстi-статический момент на i-ом интервале диаграммы.

Воспользовавшись формулой (3.1), получим:

=678,45 Н*м (подпункт 2.1);

Номинальный момент определяется:

где -коэффициент, учитывающий динамические режимы работы ЭД (обычно принимают ).

Подставив в формулу (3.3) получим:

Подсчитаем требуемую номинальную мощность выбираемого ЭД, взяв в качестве номинальной скорости :

Где η-КПД редуктора привода;

Условием предварительного выбора ЭД является неравенство[4]:

где -номинальная мощность двигателя.

Для проектируемого ЭП звена ПР из справочника по электрическим машинам[3] выбираем коллекторный ДПТ типа ДПУ 200-500-3-Д39-09-УХЛ4. Серия двигателей ДПУ предназначена для работы в приводах подач станков с ЧПУ и в приводах ПР. Двигатель имеет следующие технические данные:

момент номинальный Мном=1,7 Н*м; максимальный Мдоп=8,5 Н*м;
номинальная частота вращения nном=3000об/мин
номинальное напряжение Uном=140В
номинальный ток Iном=5,3А
ток холостого хода I=2А
номинальная мощность Pном=500Вт
КПД ηном=74,2%
сопротивление обмотки якоря при 20 Rя=2,2 Ом
индуктивность цепи якоря Lя=1,13 мГн
система возбуждения независимое возбуждение
момент инерции Jдв=0,944 г*м 2
габариты 250х184мм
масса 9,2кг
класс нагревостойкости изоляции F
встроенный тахогенератор ТП80-20-0,2
климатическое исполнение для умеренного и холодного климата в закрытых отапливаемых помещениях

Габаритные и установочные размеры двигателя приведены на рисунке 1.3.

Рисунок 3.1- Габаритные и установочные размеры ДПУ 200-500-3-Д39-09-УХЛ4

Возбуждение двигателя осуществляется от высокоэнергетических магнитов. Двигатель предназначен для эксплуатации в условиях воздействия механических факторов по группе М8 ГОСТ 17516-72.

Номинальный режим работы двигателя S1 при частоте вращения n 0.5nном, в режиме S3 с ПВ=25% и продолжительностью. Цикла 30 мин. При n 0.5nном, а так же в режиме S5 с частыми пусками и электрическим торможением при коэффициенте инерции 2. На холостом ходу(ХХ) в течение 2 мин допустимо повышенные частоты вращения до 5000 об/мин.

Питание ДПТ может осуществляться от источника постоянного тока, аккумуляторной батареи и выпрямителя. Устойчивая работа ДПТ обеспечивается схемой управления ЭП. Технические данные встроенного тахогенератора ТП80-20-0,2 с возбуждением от постоянных магнитов:

-крутизна выходной характеристики s=20 ;

номинальная nном=3000 об/мин;

максимальная nmax=6000 об/мин;

минимальная nmin=0.1 об/мин;

-нагрузочное сопротивление Rт 10 кОм;

-погрешность в диапазоне частот 0,1-4000 об/мин 0,2%;

-выходное сопротивление постоянному току при температуре 20 Rт.вых=140 14 Ом;

-габариты 33,5х7 мм;

Пульсации выходного напряжения при изменении частоты от максимального значения до 0,001nном и менее лежат в пределах 0,2-5%. Изменение ЭДС тахогенератора при изменении температуры окружающей среды должно быть не более 0,02%/ [3].

Выбор мощности электропривода

Общие сведения

Каждый электропривод должен обеспечивать на рабочем органе приводимого в движение механизма некоторые предписанные или формируемые в процессе работы значения скорости и момента (силы), а в некоторых случаях осуществлять перемещение рабочего органа на требуемую величину или по заданной траектории либо создавать нужное напряженное состояние за счет приложения определенной силы. Исходными данными для правильного расчета мощности и выбора типа электропривода являются технологические и конструктивные требования, которые возникают в связи с эффективным использованием производственных механизмов, а именно обеспечения высокой производительности, надежности и точности их работы. Так как одним из главных элементов электропривода является электродвигатель, необходимо рассмотреть вопросы расчета мощности электродвигателей, работающих в различных режимах. Выбор электродвигателей представляет собой важную и сложную задачу, и от того насколько правильно она будет решена, зависят технико-экономические показатели электропривода [2, 15].

Основным требованием при выборе электродвигателя является соответствие его мощности условиям технического процесса исполнительного механизма (рабочей машины). Применение двигателя недостаточной мощности может привести:

  • • к повышенному нагреву двигателя, ускоренному старению изоляции обмоток и сокращению срока службы (например, превышение температуры на десять градусов влечет за собой уменьшение срока службы с 15 до 8 лет);
  • • нарушению заданного цикла работы, снижению производительности, преждевременному выходу двигателя из строя (экономические потери).

Недопустимым является использование двигателей завышенной мощности, так как при этом

  • • повышается первоначальная стоимость электропривода;
  • • снижается КПД и увеличиваются потери энергии;
  • • для асинхронного двигателя снижается коэффициент мощности.

Нагрузочные диаграммы механизма и двигателя

Основой для расчета мощности и выбора электродвигателя являются нагрузочная диаграмма и диаграмма скорости (тахограмма) исполнительного органа рабочей машины (механизма).

Нагрузочной диаграммой исполнительного органа рабочей машины называется зависимость приведенного к валу двигателя статического момента нагрузки от времени . Эта диаграмма рассчитывается на основании технологических данных, характеризующих работу рабочих машин.

Диаграммой скорости или тахограммой называется зависимость скорости движения исполнительного органа от времени или . После операции приведения эти зависимости изображаются в виде графика . По тахограмме с учетом способа регулирования скорости в электроприводе (вверх или вниз от основной) выбирают номинальную скорость двигателя, а по нагрузочной диаграмме с учетом допустимой нагрузки при выбранном способе регулирования ориентировочно оценивают номинальный момент двигателя.

Очевидно, что нагрузочные диаграммы и тахограмма могут иметь вполне определенный вид лишь в самых простых и поэтому не очень интересных случаях. Так, для постоянно работающего вентилятора они показаны на рис. 9.1, а, для пресса, работающего в автоматическом режиме и производящего одинаковые детали, – на рис. 9.1, б, для продольно-строгального станка, обрабатывающего одну деталь, – на рис. 9.1, в. Различие между нагрузочной диаграммой двигателя M(t) и механизма обусловлено динамическим моментом

При выборе электродвигателя нагрузочные диаграммы механизма могут представлять любой вид, однако всегда можно выделить цикл, т. е. промежуток времени, через который диаграмма повторяется. Если характер работы механизма таков, что режимы воспроизводятся плохо (лифт, подъемный кран и т. п.) в качестве первого приближения можно воспользоваться некоторой усредненной нагрузочной диаграммой (рис. 9.2), параметры которой ( ) оценены по граничным ситуациям: лифт редко поднимает одиночных пассажиров и лифт с максимальной загрузкой практически непрерывно работает на подъем (начало рабочего дня в учреждении) или на спуск (копен рабочего дня) или нагрузочной диаграммой для наиболее вероятного или наиболее тяжелого цикла. Следует подчеркнуть, что для обоснованного выбора электродвигателя требуемая нагрузочная диаграмма механизма должна быть известна.

Рис. 9.1. Нагрузочные диаграммы и тахограммы вентилятора (а), пресса (б), продольно-строгального станка (в)

Выбор электродвигателя обычно производится в следующей последовательности:

  • 1. Расчет мощности и предварительный выбор двигателя.
  • 2. Проверка выбранного двигателя по условиям пуска и перегрузки.
  • 3. Проверка выбранного двигателя по нагреву.

Если предварительно выбранный в пункте 1 двигатель удовлетворяет условиям проверки по пунктам 2 и 3, то на этом выбор двигателя заканчивается. Если же предварительно выбранный двигатель не удовлетворяет условиям пункта 2 или пункта 3, то выбирается другой двигатель (как правило, большей мощности), и проверка продолжается.

Проверка двигателя по нагреву выполняется не только при выборе вновь проектируемого ЭП, но и для работающих двигателей для определения их загрузки и теплового режима. На рис. 9.3 приведены тахограмма и нагрузочные диаграммы механизма и двигателя.

Рис. 9.2. Упрощенные нагрузочные диаграммы лифта с уравновешенной кабиной

Из диаграмм рис. 9.3 а, б видно, что исполнительный механизм создает при своей работе момент нагрузки , а его движение состоит из участков разгона (lv – время разгона), движение с установившейся скоростью ( – время работы с установившейся скоростью), торможения ( – время торможения) и паузы ( – время паузы). Полное время цикла составляет:

Порядок расчета мощности, предварительного выбора и проверки этого двигателя рассмотрим на примере этих диаграмм.

1. Ориентировочно определяется номинальный момент двигателя

где – эквивалентный момент нагрузки; — коэффициент запаса, учитывающий динамические режимы работы электродвигателя, когда он работаете повышенными моментами.

В нашем случае . Если же момент нагрузки изменяется во времени и нагрузочная диаграмма имеет несколько участков, то , определяется по следующему выражению:

где – момент статической нагрузки /-го участка; – длительность /-го участка.

Рис. 9.3. Тахограмма и нагрузочные диаграммы механизма и двигателя

2. Определяется номинальная скорость двигателя.

Если во время работы исполнительного органа его скорость регулируется, то номинальная скорость определяется способом регулирования.

3. Определяется номинальная расчетная мощность двигателя

  • 4. Из каталога выбирается двигатель ближайшей большей мощности и скорости, имеющий конструктивное исполнение, соответствующее условиям работы данной рабочей машины.
  • 5. Затем осуществляется проверка выбранного двигателя по перегрузочной способности. Для этого необходимо сравнить из нагрузочной диаграммы с двигателя. Построим зависимость момента двигателя от времени с помощью уравнения движения

График динамического момента приведен на рис. 9.3, в. Динамический момент определяется приведенным моментом инерции и заданным ускорением на участке разгона и замедлением на участке торможения диаграммы . Зависимость приведена на рис. 9.3, г.

Для проверки выбранного электродвигателя по перегрузочной способности сопоставляется максимально допустимый момент двигателя с максимальным моментом, взятым из найденной зависимости

Если соотношение (9.3) выполняется, то двигатель обеспечит ускорение на участке разгона, если нет, то необходимо выбирать другой двигатель.

Для ДПТ обычного исполнения

Для АД с фазным ротором этот момент может быть принят равным

6. При выборе АД с КЗ ротором двигатель должен быть проверен также по условиям пуска. Для этого сравнивается его момент с моментом нагрузки при пуске, т. е.

Для нашего случая . Если выбранный двигатель удовлетворяет пунктам 5 и 6, то далее осуществляется его проверка по нагреву.

Для оценки соответствия теплового режима нужно получить представление о тепловой модели двигателя.

Добавить комментарий