Номинальные режимы работы электроприводов

Режимы работы электроприводов отличаются многообразием по длительности, характеру изменения нагрузки, ее величине, условиям охлаждения и др. Характер нагрева двигателя позво­ляет выделить характерные режимы работы электроприводов.

Действующим ГОСТом предусматриваются восемь номи­нальных режимов, которые в соответствии с международной классификацией имеют условные обозначения S1 – S8. Ниже приведена краткая характеристика этих режимов:

S1-продолжительный номинальный режим работы электрической машины при неизменной нагрузке, продолжающейся до тех пор, пока превышения температуры всех частей электрической машины достигнут установившихся значений (рис. 1.4, а). Длительность рабочего периода , длительность паузы роли не играет. В продолжительном режиме работают двигатели насосов, воздуходувок, компрессоров, конвейеров, непрерывных станов и т. п.;

S2 - кратковременный номинальный режим работы, при котором период неизменной номинальной нагрузки чередуется с периодом отключения машины; при этом периоды нагрузки не настолько длительны, чтобы превышения температуры машины могли достигнуть установившихся значений ( ), а периоды остановки настолько длительны ( ), что все части ее охлаждаются до температуры окружающей среды (рис. 1.4, б). Для кратковременного режима работы рекомендуется продолжительность рабочего периода 15, 30, 60, 90 мин. В кратковременном режиме работают электродвигатели подъ­ема и поворота свода печи, приводов заслонок, задвижек, меха­низма наклона печей, поворота конвертера и т. п.;

S

3 - повторно-кратковременный номинальный режим работы (рис. 1.4, в), при котором кратковременные периоды неизменной номинальной нагрузки (рабочие периоды) чередуются с периодами отключения машины (паузами), причем как рабочие периоды, так и паузы не настолько длительны, чтобы превышения температуры частей машины могли достигнуть установившихся значений. При повторно-кратковременном режиме продолжительность цикла не превышает 10 мин. Повторно-кратковременный режим характеризуется относительной про­должительностью включения ПВ %

,

где , , —соответственно время работы, паузы и цикла. Нормируемые значения продолжительности включения состав­ляют 15%, 25, 40, 60%. Повторно-кратковременный режим характеризуется усло­виями , т. е. за время одного цикла перегрев не достигает , а за время паузы не становится равным нулю. При многократном повторении циклов процесс нагрева устанавлива­ется, т. е. температура перегрева в начале и в конце одинакова и ее колебания происходят около среднего значения . В повторно-кратковременном режиме работают электроприводы кранов, подъемников, некоторых вспомогательных механизмов прокатных цехов и т. п.

Номинальные режимы S1, S2, S3 являются в настоящее время основными, используемыми в отечественном электрома­шиностроении. О режимах (S4 - S8) упомянем лишь кратко;

S4 - повторно-кратковременный номинальный режим работы с частыми пусками (пусковые потери оказывают существенное влияние на превышение температуры частей машины);

S5 - повторно-кратковременный номинальный режим работы с частыми пусками и электрическим торможением;

S6 - перемежающийся номинальный режим работы (после периода работы двигатель не отключается, а продолжает работать вхолостую);

S7 - перемежающийся номинальный режим работы с частыми реверсами;

S8 - перемежающийся номинальный режим работы с двумя или более скоростями.

Выбор типа электродвигателя

Выбор двигателя - главного элемента электропривода - наиболее ответственная задача при проектировании электрооборудования металлургических агрегатов и установок. Основным требованием к электродвигателю является надежность работы при минимуме капитальных затрат и эксплуатационных расходов. Это требование может быть удовлетворено лишь при выборе двигателя соответствующей мощности. Применение двигателей завышенной мощности влечет неоправданное увеличение капитальных вложений, снижение К.П.Д., а для асинхронных двигателей - снижение коэффициента мощности. Применение двигателей недостаточной мощности может привести к нарушению нормальной работы механизма, снижению производительности машин, сокращению срока службы двигателя и даже возникновению аварийной ситуации.

Электрические и механические параметры электродвигателей (номинальная мощность и напряжение, частота вращения, относительная продолжительность рабочего периода, пусковой и максимальный моменты, пределы регулирования скорости и т.п.) должны соответствовать параметрам приводимых ими механизмов во всех режимах работы в данной установке.

При выборе электродвигателя учитываются многие его свойства, особенности, параметры: род токов, номинальное напряжение, номинальная мощность, частота вращения, способ защиты от воздействия окружающей среды, регулировоч­ные свойства, особенности пуска и торможения, вид механических характеристик при данной системе электропривода, конструктивные особенности и т.п. Необходимые параметры, свойства, конструктивные особенности выбираются на осно­вании требований технологии, условий работы в данном це­хе, параметров питающей сети. Как уже отмечалось, при вы­боре рода тока, типа электродвигателя следует стремиться прежде всего использовать асинхронные электродвигатели с короткозамкнутым ротором, как наиболее надежные, простые по устройству, экономичные, требующие минимального холос­того хода, а также асинхронные двигатели. Использование электропривода постоянного тока допустимо лишь в том слу­чае, когда указанные электродвигатели не удовлетворяют требованиям технологии по условиям регулирования скорос­ти, плавности пуска и торможения, а также требованию ми­нимума приведенных затрат. Это же относится и к асинхрон­ным электродвигателям с кольцами.

Выбор по каталогу мощности двигателя сопряжен с опре­делением расчетных: мощности, момента двигателя, темпера­тура изоляции которого при работе в заданном режиме будет близка к допустимой, но не превысит ее.

При переменном характере нагрузки электропривода вто­рым критерием выбора мощности двигателя (кроме нагрева) является обеспечение преодоления возможных кратковремен­ных перегрузок пикового характера. С этой целью выбранный по условиям нагрева двигатель должен быть проверен по пе­регрузочной способности. У большинства механизмов металлургических цехов (про­катных станов, кранов и т.п.) основную долю приведенного момента инерции привода составляет момент самого электро­двигателя. Поэтому предварительно выбирают мощность дви­гателя на основании нагрузочной диаграммы производствен­ного механизма без учета динамического момента. Двигатель выбирается по каталогу ориентировочно по средней мощности с некоторым (порядка 20 %) запасом. С учетом данных этого конкретного двигателя строится нагрузочная диаграмма и проверяется его тепловая нагрузка.

Варианты заданий

Задание 1

Определить мощность двигателя главного электропривода реверсивной прокатной клети. Двигатель приводит во вращение валки через шестеренную клеть (редуктор) с передаточным числом , известен КПД редуктора - . Заданы моменты инерции: - верхнего валка, , , - шестерен редуктора, - нижнего валка. Кинематическая схема привода приведена на рис. 2.1.

Рис. 2.2. Тахограмма и нагрузочная диаграмма прокатной клети

Цикл прокатки состоит из трех проходов. Для механизма заданы: тахограмма (зависимость угловой скорости вращения валков от времени) и нагрузочная диаграмма (зависимость статического момента нагрузки от времени), представленные на рис. 2.2, где - - статические моменты нагрузки (моменты прокатки) соответственно в первом, втором и третьем проходах, - - установившиеся угловые скорости вращения валков соответственно в первом, втором и третьем проходах, - масштаб времени на диаграммах. Через время - цикл прокатки повторяется. Исходные данные для расчета по вариантам приведены в таблице 2.1.

Таблица 2.1

Параметр	Ед. изм	Номер варианта
	Нм
	Нм
	Нм
	1/с
	1/с
	1/с
	кгм2
	кгм2
	кгм2	0.4		0.2	0.5		0.3		0.2	0.1	0.7
	кгм2
	кгм2
	-	0.8	0.7	0.75	0.85	0.7	0.8	0.85	0.75	0.8	0.7
i	-
	с/дел
	с

Задание 2

Определить мощность двигателя электропривода ролика транспортного рольганга. Двигатель приводит во вращение валки через редуктор с передаточным числом , известен КПД редуктора - . Заданы моменты инерции: - ролика, , - шестерен редуктора. Кинематическая схема привода приведена на рис. 2.3.

Рис. 2.3. Кинематическая схема привода ролика

Рис. 2.4. Тахограмма и нагрузочная диаграмма работы ролика

Цикл работы состоит из нескольких этапов – разгон вхолостую и прием транспортируемого листа, торможение с листом (например для резки), разгон с листом и торможение вхолостую. Для механизма заданы: тахограмма (зависимость угловой скорости ролика от времени) и нагрузочная диаграмма (зависимость статического момента нагрузки от времени), представленные на рис. 2.4, где - - статические моменты нагрузки, - - установившиеся угловые скорости вращения ролика, - масштаб времени на диаграммах. Через время - цикл прокатки повторяется. Исходные данные для расчета по вариантам приведены в таблице 2.2.

Таблица 2.2

Параметр	Ед. изм.	Номер варианта
	Нм
	Нм
	1/с
	1/с
	кгм2
	кгм2
	кгм2	0.3	0.4	0.2	0.5	0.6	0.3	0.7	0.2	0.5	0.4
	-	0.8	0.7	0.75	0.85	0.7	0.8	0.85	0.75	0.8	0.7
i	-
	с/дел
	с

Задание 3

Определить мощность двигателя электропривода скипового подьемника. Двигатель приводит во вращение барабан подьемника через редуктор с передаточным числом , известен КПД редуктора - . Заданы моменты инерции: - барабана, , - шестерен редуктора. Диаметр барабана - , масса пустого скипа - , масса груза - . Кинематическая схема привода приведена на рис. 2.5.

Цикл работы состоит из нескольких этапов – подъем загруженного скипа, разгрузка, опускание пустого скипа. Для механизма заданы: тахограмма (зависимость угловой скорости барабана от времени) и зависимость массы груза от времени, представленные на рис. 2.6, где - - установившиеся скорости поступательного движения скипа, - масштаб времени на диаграммах. Через время - цикл повторяется. Исходные данные для расчета по вариантам приведены в таблице 2.3.

Таблица 2.3

Параметр	Ед. изм.	Номер варианта
	кг
	кг
	м	0.5	0.3	0.4	0.1	0.2	0.1	0.5	0.4	0.2	0.3
	м/с	0.3	0.7	0.8	0.35	0.4	0.35	0.3	0.8	0.4	0.7
	м/с	0.5	1.0	1.0	0.5	0.5	0.5	0.5	1.0	0.5	1.0
	кгм2			1.0
	кгм2
	кгм2	0.2	0.15		0.1	0.25	0.25	0.15	0.3	0.1	0.2
	-	0.8	0.7	0.75	0.85	0.7	0.8	0.85	0.75	0.8	0.7
i	-
	с/дел
	с

2.2. Требования к оформлению работы

Контрольная работа выполняется по вариантам. Номер варианта соответствует порядковому номеру студента в списке группы. Первые 10 студентов выполняют задание №1, студенты с номерами вариантов 11-20, выполняют задание №2, с номерами 21-30 – задание №3.

Контрольная работа должна содержать:

1. Условия задачи, соответствующие варианту.

2. Предварительный выбор двигателя по нагрузочной диаграмме механизма. Диаграмма должна быть построена в масштабе и занимать не менее одной страницы формата А5 (тетрадный лист). Все формулы должны сопровождаться подробными комментариями и должны записываться сначала в символьном виде, затем с подставленными числовыми значениями.

3. Проверка предварительно выбранного двигателя по нагреву. Проверка выполняется по нагрузочной диаграмме электропривода. Диаграмма должна быть построена в масштабе и занимать не менее одной страницы формата А5 (тетрадный лист).

4. Если предварительно выбранный двигатель имеет завышенную мощность или не проходит по нагреву, необходимо повторить расчет, начиная с п.2.

5. Проверка выбранного двигателя по перегрузочной способности.

Таблица 2.4.

Условия расчета переходных процессов

Вариант	Условие	Вариант	Условие	Вариант	Условие

6. Расчет переходного процесса скорости и тока для выбранного двигателя, при условиях, приведенных в таблице 2.4. (по вариантам). Возможно два варианта: пуск двигателя при номинальной нагрузке и напряжении указанном в таблице 2.4, и пуск двигателя при номинальном напряжении и нагрузке с добавочным сопротивлением, величина которого указана в таблице 2.4. При расчете должны быть получены аналитические выражения и построены графики переходных процессов.

7. Выбор и обоснование структурной схемы системы управления электроприводом.

8. Выводы.

Защита контрольной работы проводится по контрольным вопросам, приведенным в конце методического пособия.

Пример расчета

Определить мощность двигателя электропривода скипового подъемника. Двигатель приводит во вращение барабан подъемника через редуктор с передаточным числом 20, известен КПД редуктора - =0.7. Заданы моменты инерции: барабана = 15 , шестерен редуктора = 5 , = 0.1 . Диаметр барабана - = 0.1 м, масса пустого скипа - = 200 кг, масса груза - = 300 кг. Кинематическая схема привода приведена на рис. 2.5. Цикл работы состоит из нескольких этапов – подъем загруженного скипа, разгрузка, опускание пустого скипа. Для механизма заданы: тахограмма (зависимость угловой скорости барабана от времени) и зависимость массы груза от времени, представленные на рис. 2.6, где = 0.5 м/с, = 0.55 м/с - установившиеся скорости поступательного движения скипа, = 1 с/дел - масштаб времени на диаграммах. Через время = 30 с - цикл повторяется.