С разными режимами работы

Силовые возможности электродвигателя при других режимах работы располагаются между линиями рассмотренных условий эксплуатации электродвигателя. На рис. 2.3 силовые характеристики для режимов S₂ иS_6-6 показаны только на диаграмме мощности.

К числу специализированных регулируемых асинхронных электродвигателей переменного тока, которые можно применять в приводах металлорежущих станков, следует отнести двигатели Владимирского электромоторного завода (ОАО «ВЭМЗ») серии АДЧР. Двигатели этой серии оснащены принудительной воздушной вентиляцией, что позволяет снять ограничение по практическому использованию минимальных частот вращения, электромагнитным тормозом, позволяющим снять проблемы с удержанием нагрузки на привод при отключенном силовом питании двигателя, и датчиком обратной связи по скорости и положению (энкодер), решающим задачи контроля за реальными частотой вращения и угловым положением выходного вала двигателя.

Изменение частоты вращения двигателя осуществляется с помощью специального устройства - инвертора, входящего в состав регулируемого привода и формирующего уровень напряжения, подаваемого на двигатель, пропорционально изменению частоты подводимого тока.

Технические характеристики двигателей АДЧР приведены в табл. П13 (см. прил. 6), которые позволяют выявить все три зоны регулирования двигателей, для зоны IIIчисленные значения моментов не указаны (завод изготовитель не приводит этих данных). Типовая диаграмма силовых характеристик двигателей данной серии подобна диаграмме для двигателей постоянного тока (см. рис. 2.1). Изменение мощности и моментов в зонахIиIIдля разных режимов работы электродвигателей не предусмотрено, поскольку перегрузочная способность по моментам в 2…2,5 раза возможна лишь в пределах 30 с. в силу технических возможностей современных инверторов для подобных двигателей. В этом отношении асинхронные регулируемые электродвигатели фирмы «Siemens» такую возможность имеют (см. рис. 2.2).

Фирма ОАО «ВЭМЗ» для станков с ЧПУ выпускает также серводвигатели СДЧР – синхронные электродвигатели с ротором на постоянных магнитах, имеющими больший в сравнении с АДЧР диапазон регулирования по частоте вращения, начиная с нуля оборотов в минуту. Технические характеристики и габаритно установочные размеры серводвигателей приведены в табл. П15 и табл. П16 (см. прил. 6).

Другое направление развития приводов станков с регулируемыми асинхронными электродвигателями связано с использованием серийных асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором общего назначения в комплекте с частотными преобразователями. Практический интерес к приводам с такими электродвигателями для металлорежущих станков связан с теми достоинствами, которыми обладают сами двигатели, а именно:

• стоимость асинхронных двигателей относительно других типов подобных машин не высока, поскольку в стране налажено крупносерийное их производство;

• большая эксплуатационная надежность с минимальными затратами на обслуживание;

• высокий КПД и жесткая механическая характеристика в области рабочих нагрузок;

• наилучшее соотношение массы двигателя и выходной мощности по отношению к другим типам двигателей;

• высокая перегрузочная способность.

Технические характеристики односкоростных асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором, выпускаемых ОАО «ВЭМЗ», приведены в табл. П17, а их основные размеры указаны в табл. П18 (см. прил. 6).

Приведем математические зависимости, связывающие отдельные технические характеристики электродвигателей.

Номинальный момент M_Н, развиваемый двигателем, и отдаваемая им номинальная (полезная) мощностьN_Н, как показано раньше, образуют формулу:

M_Н= 9550N_Н/n_Н.

Полная мощность N₁, потребляемая электродвигателем:

,

где U₁- подводимое к двигателю напряжение, В;J₁- потребляемый линейный ток, А;

N₁– мощность, Вт.

Активная мощность двигателя определяется по формуле:

N_a=N₁cosφ,

где cosφ- коэффициент мощности.

КПД двигателя:

η=N_Н/N_а.

Номинальная мощность N_Ндвигателя, кВт:

.

Частота вращения магнитного поля n₁в статоре двигателя:

,

где f₁= 50 Гц – частота тока питающей сети;p– число пар полюсов.

Относительная разность частот вращения магнитного поля статора и ротора называется скольжением s_Нпри номинальной частоте вращения ротора:

s_Н1= (n₁–n_Н)/n₁,

где n_Н- номинальная частота вращения ротора, мин^-1.

Отсюда номинальная частота вращения ротора двигателя:

n_Н=n₁(1–s_Н) или n_Н= 60f₁(1–s_Н)/p.

Механическая характеристика электродвигателя определяется по формуле Клосса на основе его общих технических данных, приведенных в табл. П17 (см. прил. 6):

,

где - критическое значение скольжения;K_M=M_K/M_Н - коэффициент, характеризующий перегрузочную способность двигателя;M_K - максимально допустимый момент, развиваемый двигателем.

Механическая характеристика асинхронного электродвигателя может быть представлена в двух вариантах (рис. 2.4). Зона АВна рис. 2.4,апредставляет численные значения моментов, на которой допускается эксплуатировать двигатель под нагрузкой. На рис. 2.4,бдопустимая зона эксплуатации двигателя находится в интервале от 0 доs_K. Численные значения моментов вычисляются по формуле Клосса, задаваясь числовыми значениями скольжения в допустимом интервале.

Кривые механической характеристики двигателя указывают на возможность бесступенчатого регулирования частоты вращения его ротора за счет двух параметров sиf₁(см. формулу номинальной частоты). Изменение скольжения можно осуществить за счет введения дополнительного регулируемого сопротивления в электрическую цепь ротора. Однако в станкостроении такой способ регулирования частоты вращения двигателя не получил практического применения из-за низкого КПД, мягкой механической характеристики и больших потерь в обмотках ротора. Этих недостатков не имеет второй способ регулирования.

Изменение частоты питающей сети открывает возможность прямо пропорционального изменения частоты вращения ротора электродвигателя в обе стороны от номинальной частоты с сохранением высокой нагрузочной способности и обеспечением жесткой механической характеристики. Частотное регулирование электродвигателя должно осуществляться по закону постоянства магнитного потока, поэтому с изменением частоты тока f₁необходимо одновременно менять и подводимое напряжениеU₁.

а)	б)

Рис. 2.4. Механические характеристики асинхронного электродвигателя в функции:

а - момент – частота вращения; б - момент – скольжение

Для поддержания постоянства предельно допустимого момента на участке вращения двигателя от нуля до номинальной частоты n_Ниспользуется соотношениеU₁/f₁ = const, которое обеспечивает специальное устройство – преобразователь частоты. При этом мощность двигателя изменяется прямо пропорционально изменению частоты вращения его ротора.

На номинальной частоте вращения ротора n_НнапряжениеU₁достигает максимального значения и остается неизменным на частотах вышеn_Низ-за возможности высокого насыщения магнитопровода и опасности быстрого старения изоляции в статоре.

На рис. 2.5 приведена типовая моменто-скоростная характеристика регулируемого асинхронного двигателя с помощью инвертора, где f_Н= 50Гц – номинальная частота тока, соответствующая номинальной частоте вращения ротора двигателя. Низшей точкой отсчета изменения частоты тока следует считать частотуf₀, близкую к нулю, если двигатель с принудительной вентиляцией, иf₀ = 25Гц при охлаждении двигателя естественной вентиляцией.

Рис. 2.5. Зависимость момента от частоты тока питающей сети

Верхняя допустимая частота f_maxназначается из условия устойчивости работы двигателя под нагрузкой, при этом коэффициент перегрузкиK_Mдолжен быть не менее 1,2…1,3. В этом случае верхняя допустимая точка изменения частоты тока определяется по выражению:

.

Кроме того, напряжение сети, питающей двигатель, должно иметь строгую синусоидальность. Несинусоидальность напряжения влияет на энергетические показатели двигателя (КПД, cosφ, потери мощности) в сторону их уменьшения. Поэтому для зоныII(двигатель работает сN = const) рекомендуется коэффициент перегрузки принимать равнымK_M = 0,8M_max/M_Н. Для зоныI(работа двигателя сM = const) коэффициент перегрузки сохраняет свое паспортное значение постоянным. Для зоныIII, когда нагрузка на двигатель весьма незначительна, верхняя допустимая частота изменения токаf_max^*равна номинальной частотеf_Н, умноженной на коэффициент перегрузки двигателяK_M, т.е.f_max=f_НK_M, что соответствует частоте вращения магнитного поля статора. В приводах станков используется работа электродвигателя вIиIIзонах.

Пример.Серийный асинхронный двигатель АИРМ132М4 оснащен устройством независимой вентиляции, предназначен для работы в регулируемом приводе с управлением от инвертора с питанием от стандартной сети 50Гц.

Требуется определить допустимые зоны регулирования.

Решение задачи начнем с установления технических характеристик по паспортным данным рассматриваемого двигателя. Электродвигатель АИРМ132М4 имеет:

N_Н= 11 кВт;n_Н= 1455 мин^-1;K_M= 3;p= 2;f₁= 50 Гц;K_П= 2,2.

Определим частоту вращения магнитного поля в статоре:

n₁= 60f₁/p= 60·50/2 = 1500 мин^-1.

Рассчитаем скольжение ротора в магнитном поле статора на номинальной частоте вращения:

s_Н= (n₁–n_Н)/n₁= (1500 – 1455)/1500 = 0,03.

Установим номинальный момент, развиваемый двигателем:

M_Н= 9550N_Н/n_Н= 9500·11/1455 = 72,2 Нм.

Максимальный момент для данного двигателя составит:

M_К=K_MM_Н= 3·72,2 = 216,6 Нм.

Определим критическое скольжение ротора при максимальном моменте:

.

Критическая частота вращения ротора при максимальном моменте составит:

n_K=n₁–n₁s_K= 1500 – 1500·0,175 = 1237,5 мин^-1.

Пусковой момент для данного двигателя равен:

M_П=K_ПМ_Н= 2,2·72,2 = 158,84 Нм,

где K_П= 2,2 - коэффициент кратности пускового момента, указанный в паспорте двигателя.

Рассчитанные параметры представляют числовые значения всех переходных точек типовой механической характеристики (см. рис. 2.4) применительно к электродвигателю АИРМ132М4, если он используется в режиме односкоростного вращения. Такой режим двигателя предполагает его использование в приводах главного движения станков в сочетании с механическим редуктором, который обеспечивает ступенчатое регулирование частоты вращения шпинделя.

Кроме того, рассчитанные технические характеристики используются также для построения механической характеристики данного двигателя с частотным управлением.

Зона I(см. рис. 2.5) – это зона регулирования частоты вращения ротора двигателя от нуля доn_Н= 1455 мин^-1 с постоянным номинальным моментомM_Н= 72,2 Нм и неменяющимся коэффициентом перегрузкиK_M= 3. При этом частота подводимого тока к двигателю меняется от 0,1 до 50 Гц.

Для выявления численного значения максимально допустимой частоты подводимого тока для данного двигателя (f_maxна рис. 2.5) произведем расчеты технических параметров двигателя в зонеII, при расчете частоты тока выше номинального значения.

Результаты расчетов представлены в табл. 2.1, причем параметр K_Mрассчитывается без дополнительного коэффициента 0,8.

Таблица 2.1