Режимы работы электропривода

Цель работы:изучить особенности выбора мощности, вида и типа двигателя для различных режимов работы электропривода.

Ход выполнения работы:

Электроприводом называется электромеханическая система, состоящая из электродвигательного, преобразовательного, передаточного и управляющего устройств, предназначенных для приведения в движение исполнительных органов рабочей машины и управления этим движением.

Передаточное устройство ПУ на рис.1 содержит механические передачи и соединительные муфты.

Рис.1

Преобразовательное устройство ПрУ преобразует ток и напряжение источника энергии в ток и напряжение, необходимые для работы электродвигателя ЭД.

Управляющее устройство УУ представляет собой информационную часть системы управления для обработки сигналов задающих воздействий и состояния системы по датчикам обратной связи и выработки на их основе сигналов управления преобразователем, электродвигателями и передаточным устройством.

Наиболее прогрессивным является автоматизированный индивидуальный электропривод, в котором каждый исполнительный орган рабочей машины приводится в движение отдельным электродвигателем по сигналам управляющего устройства. В простейшем случае управляющее устройство осуществляет пуск, отключение и защиту электродвигателя, в более сложном – контроль и управление движением рабочей машины РМ.

Широта применения определяет большой диапазон мощностей электроприводов (от долей ватт, например, в принтерах, до десятков тысяч киловатт, например, в прокатных станах) и разнообразие исполнения.

Применение управляющих ЭВМ и встроенных микропроцессорных систем существенно повышает качество электроприводов для создания современных технических средств автоматизации и механизации технологических процессов, в частности на основе роботов и манипуляторов.

Длительность работы и ее характер определяют рабочий режим привода. Для электропривода принято различать три основных режима работы: продолжительный, кратковременный и повторно-кратковременный.

Продолжительный режим - это режим работы такой длительности, при котором за время (t) работы двигателя мощностью Р температура всех составляющих электропривод устройств достигает установившегося значения (рис.2 а). В качестве примеров механизмов с длительным режимом работы можно назвать центробежные насосы насосных станций, вентиляторы, компрессоры, конвейеры непрерывного транспорта, дымососы, бумагоделательные машины, машины для отделки тканей и т.д.

а) б) в)

Рис.2

Кратковременный режим – это такой режим работы, при котором рабочий период относительно краток (рис.2 б) и температура двигателя не успевает достигнуть установившегося значения. Перерыв же в работе исполнительного механизма достаточно велик, так что двигатель успевает охладиться практически до температуры окружающей среды. Такой режим работы характерен для самых различных механизмов кратковременного действия: шлюзов, разводных мостов, подъемных шасси самолетов и многих других.

Повторно-кратковременный режим (рис.2 в) – это такой режим работы, при котором периоды работы Т′ чередуется с паузами (остановка или холостой ход), причем ни в один из периодов работы температура двигателя не достигает установившегося значения, а во время снятия нагрузки двигатель не успевает охладиться до температуры окружающей среды. Характерной величиной для повторно – кратковременного режима является отношение рабочей части периода Т′ ко всему периоду Т. Эта величина называется относительной продолжительностью работы (ПР%) или относительной продолжительностью включения (ПВ%). Примерами механизмов с повторно – кратковременным режимом работы могут служить краны, ряд металлургических станков, прокатные станы, буровые станки в нефтяной промышленности и т.д.

Правильный выбор мощности двигателя для привода должен удовлетворять требованиям экономичности, производительности и надежности рабочей машины. Установка двигателя большей мощности, чем это необходимо по условиям привода, вызывает излишние потери энергии при работе машины, обусловливает дополнительные капитальные вложения и увеличение габаритов двигателя. Установка двигателя недостаточной мощности снижает производительность рабочей машины и делает ее работу ненадежной, а сам двигатель в подобных условиях легко может быть поврежден.

Двигатель должен быть выбран так, чтобы его мощность использовалась возможно полнее. Во время работы двигатель должен нагреваться примерно до предельно допустимой температуры, но не выше ее. Кроме того, двигатель должен нормально работать при возможных временных перегрузках и развивать пусковой момент, требуемый для данной рабочей машины. В соответствии с этим мощность двигателя выбирается в большинстве случаев на основании условий нагрева (выбор мощности по нагреву), а затем производится проверка соответствия перегрузочной способности двигателя условиям пуска машины и временным перегрузкам. Иногда (при большой кратковременной перегрузке) приходится выбирать двигатель по требуемой максимальной мощности. В подобных условиях длительная мощность двигателя часто полностью не используется.

Выбор мощности двигателя для привода с продолжительным режимом работы. При постоянной или мало изменяющейся нагрузке на валу мощность двигателя должна быть равна мощности нагрузки. Проверки на нагрев и перегрузку во время работы не нужны. Однако необходимо проверить, достаточен ли пусковой момент двигателя для пусковых условий данной машины.

Мощность продолжительной нагрузки ряда хорошо изученных механизмов определяется на основании проверенных практикой теоретических расчетов.

Во многих случаях мощность двигателя приводов с продолжительным режимом работы рассчитывается по эмпирическим формулам, проверенным длительной практикой. Для малоизученных приводов продолжительной нагрузки мощность двигателя часто определяется на основании удельного расхода энергии при выпуске продукции или экспериментально путем испытания привода.

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

Выбор вида и типа двигателя. При длительной неизменной нагрузке задача выбора вида двигателя (постоянного тока, асинхронного, синхронного) относительно проста. Для подобного привода, не требующего регулирования скорости, ПУЭ (Правила устройства электроустановок) рекомендуют независимо от мощности применять синхронные двигатели. Эта рекомендация объясняется тем, что современный синхронный двигатель пускается вход так же, как асинхронный, его габариты меньше и работа экономичнее, чем асинхронного двигателя той же мощности (выше cos φ, больше максимальный момент).

Но если электродвигатель должен работать в условиях регулируемой частоты вращения, частых пусков, выбросов и сбросов нагрузки и т.п., то при выборе вида двигателя необходимо сопоставить условия привода с особенностями механических характеристик различных видов электродвигателей.

Требования к жесткости механической характеристики в ряде случаев служат основанием для выбора вида двигателя. Например, для подъемно – транспортных механизмов желательна мягкая характеристика, а для станов холодной прокатки стали нужна очень жесткая характеристика.

При частых пусках и непостоянной нагрузке наиболее надежным и простым в эксплуатации и вместе с тем дешевым является асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором. Двигатель с фазным ротором дороже, его обслуживание сложнее, габариты больше, а cos φ меньше (из-за большего воздушного зазора). Преимущества фазного ротора в отношении пускового момента незначительны по сравнению с короткозамкнутым ротором, имеющим двойное беличье колесо. Поэтому двигатели с контактными кольцами устанавливаются лишь при наличии особых требований к пусковому моменту или к пусковому току. Таким образом, для мощностей до 100 кВт при нерегулируемом приводе наиболее распространен асинхронный короткозамкнутый двигатель. При больших мощностях, если невозможно применить короткозамкнутый асинхронный двигатель, устанавливается асинхронный двигатель с фазным ротором.

Двигатель постоянного тока стоит значительно дороже, требует большего ухода и изнашивается быстрее, чем двигатель переменного тока. Тем не менее в ряде случаев предпочтение отдается двигателю постоянного тока, позволяющему простыми средствами изменять частоту вращения электропривода в широких пределах.

В качестве примеров приводов, для которых рекомендуется постоянный ток, назовем следующие: в металлургической промышленности – реверсивные прокатные станы, регулируемые нереверсивные станы при многодвигательном приводе, вспомогательные механизмы повторно – кратковременного режима работы, доменные подъемники; в металлообрабатывающей промышленности – токарные специальные станки.

Конструкцию (тип) двигателя выбирают в зависимости от условий окружающей среды. Приходится учитывать необходимость защиты среды от возможных искрообразований в двигателе (при наличии горючей пыли, взрывоопасных смесей и т.п.), а также самих двигателей от попадания в них влаги, пыли, агрессивных химических веществ из окружающей среды.

Различают несколько основных типов конструкции двигателей.

Двигатели открытого типа с большими вентиляционными отверстиями в подшипниковых щитах и станине для лучших условий охлаждения целесообразно применять в немногих случаях: приходится считаться с легкостью засорения такого двигателя в производственных условиях и опасностью поражения током обслуживающего персонала при прикосновении к открытым токоведущим частям.

Двигатели защищенного типа имеют вентиляционные отверстия, которые закрыты решетками, защищающими двигатель от попадания внутрь капель дождя, посторонних частиц, опилок и т.п., но не пыли. Такие двигатели могут устанавливаться на открытом воздухе.

Двигатели закрытого типа устанавливаются в запыленных помещениях при наличии в воздухе паров едких испарений и т.п. Для улучшения охлаждения таких двигателей применяется продувание охлаждающего воздуха. Последний подводится и отводится по специальным воздухопроводам. В сырых помещениях применяются защищенные двигатели со специальной влагостойкой изоляцией. Во взрывоопасных помещениях, содержащих горючие газы или пары, устанавливаются взрывозащищенные двигатели.

Управление электроприводами заключается в осуществлении пуска, регулировании скорости, торможения, реверсирования, а также в поддержании режимов работы привода в соответствии с требованиями технологического процесса.

Для управления электроприводами служат релейно – контакторные аппараты, датчики состояния электропривода, управляющие ЭВМ, встроенные микропроцессорные системы, преобразователи и т.п.

Контрольные вопросы:

1. Что такое электропривод? Нарисуйте структурную схему электропривода и поясните назначение каждого элемента.

2. Назовите три основных режима работы электропривода, поясните их сущность, приведите примеры.

3. Как осуществляют выбор мощности двигателя?

4. Что учитывают при выборе мощности двигателя при продолжительном, кратковременном и повторно – кратковременном режиме работы электропривода?

5. Каким образом выбирают вид и тип двигателя?

6. Назовите основные типы конструкции двигателей.

7. Как осуществляют управление электроприводами?

Практическая работа № 16