Shto takoe preobrazovatel
.pdf
Обратите внимание на «необычные моменты»
Зависимость
преобразователя частоты от величины
72
Рис. |
22.1 |
Если двигатель напрямую подключён к сети питающего напряжения, мы измеряем ток на частоте 50 Гц. Нам ничего неизвестно о ситуации при частотах меньших, чем 50 Гц.
-при каких условиях мы измеряем ток при 50 Гц?
-проводили ли мы измерения при самых тяжёлых условиях работы?
Уменьшение частоты означает, что кривая момент/скорость двигателя перемещается влево. В ситуации на рисунке 22.1 механизм, вращающийся со скоростью, соответствующей 45 Гц, требует момент, который в два раза превышает момент, требуемый при скорости, соответствующей 50 Гц. Это означает, что получить вращение при 45 Гц невозможно. В этом случае необходимо взять двигатель и преобразователь частоты в два раза большей мощности.
Ток, вырабатываемый преобразователем частоты, является важным фактором, определяющим стоимость.
Поэтому очень важно рассчитать ожидаемый ток. Фактически, нам нежелательно превышать типоразмер из-за увеличения стоимости. С другой стороны, однако, нам хотелось бы иметь «запас» для неожиданных ситуаций (например: для преодоления момента трогания зажатого конвейера, требуется больший ток). Выбор преобразователя частоты должен основываться на токе, требуемом механизмом, то есть на выходном токе преобразователя частоты.
Технический Центр Теплофф |
тел/факс (812) 305-77-16 |
www.emotron.su |
ГЛАВА 23
Выбор числа полюсов двигателя
Иногда, применение режима работы на сверх синхронной скорости (f > 50 Гц) даёт определённые преимущества.
Преимущества и недостатки режима работы на сверх синхронной скорости
Преимущества:
-более быстрое вращение двигателя без необходимости его замены
-применения, требующие постоянной мощности. Высокий момент при низких скоростях и низкий момент при высоких скоростях.
Недостатки:
-механические аспекты такие, как более быстрый износ подшипников
-риск перегрузки двигателя (см. стр. 85)
Пример вычисления:
Механизм (10 кВт) требует постоянный момент (Т). При низких скоростях моменты сопротивления могут достигать 180% от номинального момента механизма (см. рис. 23.1)
Рис. 23.1 Представление максимального момента для двух полюсного и четырех полюсного двигателя.
73
Технический Центр Теплофф |
тел/факс (812) 305-77-16 |
www.emotron.su |
Двух полюсный двигатель
Четырех
полюсный
двигатель
74
Решение:
Выберем двухполюсный двигатель, мощностью 11 кВт из каталога двигателей.
Синхронная |
Размер |
Рном |
nном |
Выход |
сos |
Iном при |
Iа/Iн |
Та/Тн |
Тз/Тн |
Тк/Тн |
Момент |
Скорость n |
|
кВт |
об/мин |
|
φ |
380 В , |
|
|
|
|
инерции |
об/мин |
|
|
|
|
|
А |
|
|
|
|
кг/м2 |
|
ZK 132 |
5.5 |
2860 |
85 |
0.91 |
10.8 |
6 |
2.4 |
2.1 |
2.7 |
0.020 |
3000 |
SK2 |
|
|
|
|
21.4 |
|
|
|
|
|
|
ZK 160 |
11 |
2890 |
87 |
0.90 |
6.2 |
2.6 |
2.2 |
2.8 |
0.040 |
|
|
MK2 |
|
|
|
|
28.4 |
|
|
|
|
|
|
ZK 160 M2 |
15 |
2910 |
88 |
0.91 |
7.2 |
2.6 |
2.1 |
3.2 |
0.050 |
|
|
ZK 132 |
4 |
1420 |
83 |
0.83 |
8.8 |
6.2 |
2.4 |
2 |
2.8 |
0.0135 |
1500 |
SK2 |
|
|
|
|
22.4 |
|
|
|
|
|
|
ZK160M4 |
11 |
1455 |
89 |
0.89 |
6 |
2.5 |
2.2 |
2.5 |
0.073 |
Двигатель способен обеспечить постоянный момент (Т) во всём диапазоне регулирования. Однако, максимальный момент (Тк) этого двигателя с преобразователем частоты является недостаточным для создания ускоряющего момента механизма. Таким образом, это решение не является удовлетворительным.
Мы делаем выбор между двумя различными решениями:
1)- двух полюсный двигатель большей мощности и более мощный преобразователь частоты.
-дополнительное охлаждение на низкой скорости (усиленное охлаждение)
или
2)- четырёх полюсный двигатель мощностью 11 кВт и в два раза большей величиной момента.
Двухполюсный двигатель имеет момент (Т):
Т = (9.55 * 11000) / 2890 = 36.3 Нм
Если мы выбираем четырёх полюсный двигатель (1500 об/мин), такой же мощности (11 кВт), то этот двигатель имеет величину момента в два раза выше, чем двух полюсный двигатель.
Четырёх полюсный двигатель имеет момент:
Т = (9.55 * 11000) / 1455 = 72.2 Нм
Используя четырёх полюсный двигатель в области ослабления поля, можно достичь скорости 3000 об/мин. От 0 до 1500 об/мин момент (Т) постоянный и достаточный для управления механизмом. После 1500 об/мин четырёх полюсный двигатель работает в области ослабленного поля. Здесь момент (Т) уменьшается, но остаётся достаточным для управления механизмом.
Технический Центр Теплофф |
тел/факс (812) 305-77-16 |
www.emotron.su |
Как можно видеть из рисунка 17.2, мы также должны обратить внимание на максимальный момент. Нам также известно, что:
-четырёх полюсный двигатель имеет максимальный момент, равный 2,5
Тном.
-максимальный момент уменьшается по квадратичному закону
-мы не хотим нагружать двигатель больше, чем 2/3 Тк.
-механизму требуется момент, приблизительно равный 30 Нм (следует из графика)
(50/f)2 * 2.5 * 72.1 * 2/3 = 30
(50/f)2= 0.25
(50/f) = 0/5 => f = 100 Гц
Благодаря использованию этой формулы, отпадает необходимость в покупке двигателя большей мощности, а требуется двигатель с другим числом полюсов.
Выходная частота преобразователя увеличивается таким образом, чтобы достигнуть желаемой скорости.
75
Технический Центр Теплофф |
тел/факс (812) 305-77-16 |
www.emotron.su |
ГЛАВА 24
Характер нагрузки и примеры расчетов
Для того, чтобы правильно выбрать преобразователь частоты, прежде всего необходимо определить мощность двигателя. Момент двигателя должен быть выше, чем момент, требуемый механизмом. Более того, должно учитываться уменьшение нагрузочной способности при низких скоростях, поскольку двигатель охлаждается не оптимально.
Прилагаемый постоянный момент
Пример расчёта
Рис. 24.1 Постоянный момент.
Дано: (см. рис. 24.2)
-четырёх полюсный двигатель (n = 1500 об/мин)
-коэффициент механической передачи 1:10
-каждый продукт весит 50 кг
-масса ленты 25 кг
-диаметр ведущего ролика r = 0.2 м
-КПД передачи 90%
Рис. |
24.2 |
76
Технический Центр Теплофф |
тел/факс (812) 305-77-16 |
www.emotron.su |
Требуется:
Найти мощность двигателя привода.
Решение:
Рис 24.3
На рисунке 24.3 изображена силовая диаграмма. Сила тяжести Fz разложена на составляющие – силу, перпендикулярную конвейеру Fz * cos 400 и силу, параллельную конвейеру Fz * sin400. Сила реакции конвейера Fn уравновешивает силу Fz * cos 400. В качестве силы трения возьмём 0,1 Fz.
Сила, необходимая для разгона конвейера:
Fнеобх = (m * g) sin 400 + 0.1 * Fz
где:
Fz = сила тяжести (Н) m = масса (кг)
g = ускорение свободного падения (м/с2)
после подстановки числовых значений:
Fнеобх = (3 * 50 * 10) sin 400 + 0.1 * (3 * 50 * 10) = Fнеобх = 1112 Н
Масса конвейера в расчет не принималась.
Момент на ролике конвейера:
T = F * r = 1112 * 0.2 = 222.4 Нм
Момент, создаваемый двигателем с учётом передаточного числа механизма
(i). (i = скорость двигателя/скорость механизма = 1500/150 = 10):
Tпередачи = 222.4/10 = 22.24 Нм
С учётом КПД механической передачи требуемый момент двигателя:
Тдвиг = Tпередачи/η = 22.4/0.9 = 24.7 Нм
Мы должны выбрать двигатель, способный обеспечить момент 24.7 Нм.
77
Технический Центр Теплофф |
тел/факс (812) 305-77-16 |
www.emotron.su |
Таким образом, требуется двигатель, мощностью: P = (T * n)/9.55 = (24.7 * 1500)/9.55 = 3.87 кВт Выберем двигатель 4 кВт из каталога двигателей.
Синхронная |
Размеры |
Рном |
nном |
Выход |
сos |
Iном при |
Iа/Iн |
Та/Тн |
Тз/Тн |
Тк/Тн |
Момент |
Скорость n |
|
кВт |
об/мин |
|
φ |
380 В , |
|
|
|
|
инерции |
об/мин |
|
|
|
|
|
А |
|
|
|
|
кг/м2 |
|
ZK 132 |
5.5 |
2860 |
85 |
0.91 |
10.8 |
6 |
2.4 |
2.1 |
2.7 |
0.020 |
3000 |
SK2 |
|
|
|
|
21.4 |
|
|
|
|
|
|
ZK 160 |
11 |
2890 |
87 |
0.90 |
6.2 |
2.6 |
2.2 |
2.8 |
0.040 |
|
|
MK2 |
|
|
|
|
28.4 |
|
|
|
|
|
|
ZK 160 M2 |
15 |
2910 |
88 |
0.91 |
7.2 |
2.6 |
2.1 |
3.2 |
0.050 |
|
|
ZK 132 |
4 |
1420 |
83 |
0.83 |
8.8 |
6.2 |
2.4 |
2 |
2.8 |
0.0135 |
1500 |
SK2 |
|
|
|
|
22.4 |
|
|
|
|
|
|
ZK160M4 |
11 |
1455 |
89 |
0.89 |
6 |
2.5 |
2.2 |
2.5 |
0.073 |
Двигатель 4 кВт имеет номинальный момент:
Тном = (P * 9.55)/n = (4000 * 9.55)/1420 = 26.9 Нм
Рассчитаем разгон двигателя из состояния покоя до номинальной скорости (1500 об/мин). Избыточный вращающий момент гарантирует разгон конвейера. Преобразователь частоты обеспечивает 1.5 номинального момента. При этом допустима временная перегрузка инвертора и двигателя.
Избыточный момент:
∆Т = Т1.5*ном – Тнеобх = 40.35 – 24.7 = 15.65 Нм
Ускорение также зависит от момента инерции двигателя и движущихся частей механизма.
ta = J/∆T * (nr – n0)/9.55
где:
∆T = избыточный момент nr = номинальная скорость
n0 = скорость в положение покоя
ta = время ускорения
поступательное движение:
F = m * a = m * ∆V/ ∆t
где:
F = сила m = масса
a = ускорение v = скорость
78
Технический Центр Теплофф |
тел/факс (812) 305-77-16 |
www.emotron.su |
вращательное движение:
T = J * ∆ω/∆t
где:
ω = 2πn/60 = угловая скорость Т = вращающий момент
J = момент инерции массы
Сначала мы рассмотрим влияние момента инерции массы непосредственно на конвейер.
J = m * r2
Это должно быть приведено к валу двигателя, так как мы имеем дело с механической передачей, у которой есть отношение i. Это означает, что момент инерции на валу двигателя (J2) зависит от величины i:
J2 = (ω1/ω2)2 * J1
J2 = (1/ i2) * J1
Теперь вычислим J (момент инерции массы):
J = (mконвейера + mпродукта) * r2 * (1/ i2)
После подстановки значений получим:
J = (150 + 25) * 0.22 * 0.12 = 0.07 кгм2
Суммарный момент:
Jобщее = J + Jдвигателя
После подстановки значений получим:
Jобщее =0.07 + 0.0135 = 0.0835 кгм2
79
Технический Центр Теплофф |
тел/факс (812) 305-77-16 |
www.emotron.su |
Время ускорения:
Ta = 0/0835/15/65 * (1420 – 0)/9.55 = 5.6 сек
Двигатель, работающий с преобразователем частоты, разгоняется за 5.6 секунд. Для того, чтобы получить более быстрый разгон двигателя, необходимо выбрать двигатель и преобразователь частоты большей мощности. Это позволит увеличить разницу моментов. Двигатель имеет больший избыточный момент для ускорения. С помощью установки времени разгона в преобразователе частоты на определённую величину, можно увеличить время разгона. В этом случае двигатель будет разгоняться не за 5.6, а, например, за 10 секунд.
Энергосбережение
Пример расчета:
Этот пример показывает метод энергосбережения, который состоит в задании скорости для регулирования потока с использованием частотно регулируемого насоса.
Рис. 24.4 Регулирование насоса
где:
Q = поток
H = давление за насосом Hv = статическое давление Hw = давление трения
Насос имеет квадратичную кривую нагрузки.
H ~ n2
Q ~ n
Кривая n = nноминальная отображает характеристику насоса на его номинальной скорости. Кривая n = 0.5nноминальная отображает характеристику насоса при пятидесяти процентной скорости насоса. Мы видим, что рабочая точка
располагается на кривой нагрузки.
80
Технический Центр Теплофф |
тел/факс (812) 305-77-16 |
www.emotron.su |
Рис. 24.5
Этот рисунок показывает выход насоса (эллипсы). Пунктирная кривая нагрузки применяется для случая, когда вместо регулирования скорости используется регулирование потока, например, с помощью клапанов. Мы видим, что при регулировке с помощью клапанов необязательно поддерживать высокое давление при том же самом потоке.
Рисунок 24.6
По горизонтали – поток, по вертикали - требуемая мощность на валу насоса. Шкала мощности выбрана более менее произвольно. Предположим, в этом примере расчета, что при стопроцентной скорости насоса требуется мощность 100 кВт. При уменьшении скорости потока в случае управления клапаном мощность на валу насоса уменьшается, но не намного, в то время, как уменьшение потока изменением скорости приводит к быстрому снижению мощности на валу.
Кратко поясним причину этого:
-когда поток устанавливается с помощью управляющего клапана, производительность (Q * H) уменьшится, только не намного, так как давление H будет возрастать при дальнейшем закрытии управляющего клапана
-когда поток устанавливается с помощью регулирования скорости, производительность (Q * H) уменьшается очень быстро, так как давление H резко падает с уменьшением скорости
Следует отметить, что часто при номинальном режиме работы (100% поток) разность в требуемой мощности на валу составляет уже 25%. Как обычно, причиной этому является небольшое завышение типоразмера при выборе насоса.
81
Технический Центр Теплофф |
тел/факс (812) 305-77-16 |
www.emotron.su |