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:

(9.1).

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

Рис. 9.3. Тахограмма и нагрузочные диаграммы механизма и двигателя

2. Определяется номинальная скорость двигателя.

В нашем случае

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

(9.2).

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

В нашем случае.

(9.3).

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.