Pakhomov_A_N__Krivenkov_M_V_Elektricheskiy_privod_uchebnoe_posobie

191

6.6.Контрольные вопросы

1.Какие устройства называют информационными?

2.Какие разновидности датчиков, регуляторов и фильтров существуют?

3.Какое назначение имеют датчики, регуляторы и фильтры, применяемые в электроприводе?

4.Какие основные типы аналоговых регуляторов используются в системах регулирования электропривода?

5.Какие передаточные функции имеют пропорциональный и пропор- ционально-интегральный регуляторы?

6.Как с помощью операционного усилителя реализовать требуемую передаточную функцию регулятора?

7.В чем отличие аналоговых и дискретных устройств управления?

8.Что такое микропроцессор и микропроцессорная система?

9.Какие средства сопряжения аналоговых и дискретных систем используются в электроприводе?

10.Какие виды защит, блокировок и сигнализации используются для обеспечения надежной и безопасной работы электропривода?

7.ЭЛЕМЕНТЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДА

7.1.Общие вопросы проектирования электроприводов

Проектирование автоматизированного электропривода требует учета большого числа разнообразных факторов и критериев, к числу которых относятся условия функционирования электропривода и его элементов, надежность и экономичность его работы, безопасность для обслуживающего персонала и окружающей среды, совместимость электропривода с другими электротехническими установками и др.

Требования к электроприводу формируются отдельно для каждого производственного механизма или для группы идентичных механизмов. Но есть общие требования, которые предъявляются к электроприводам всех механиз-

мов [14]:

1)обеспечение заданного технологического процесса и требуемой производительности, надежности работы установки;

2)организация простого управления;

3)улучшение экономических показателей – снижение стоимости, уменьшение массо-габаритных показателей, снижение потребления электроэнергии;

4)выполнение экологических требований – снижение уровня шума, ограничение вредного влияния электропривода на питающую сеть, уменьшение действия помех для работы других электропотребителей;

192

5)обеспечение конструктивного исполнения электрооборудования по способу монтажа, по способу защиты от воздействия климатических факторов и состояния окружающей среды и др.

Чтобы выполнить перечисленные требования, необходимо последовательно решить следующие вопросы:

1)изучить особенности работы исполнительного механизма, построить нагрузочную диаграмму движения его рабочего органа;

2)выбрать тип электропривода – регулируемый или нерегулируемый, редукторный или безредукторный и т. д.;

3)выбрать род тока и тип приводного электродвигателя;

4)произвести расчет мощности и выбрать электродвигатель;

5)построить нагрузочную диаграмму электропривода и проверить выбранный электродвигатель на нагрев, перегрузочную способность и по условиям пуска;

6)разработать систему управления электропривода и выбрать недостающие элементы силового, информационного и управляющего каналов;

7)разработать схемы электропривода (функциональные, принципиальные электрические, монтажные и др.) и разместить электрооборудование на технологической установке.

Для нерегулируемого привода необходимо использовать, прежде всего, двигатель переменного тока: для установок малой и средней мощности – асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором, а требующих больших мощностей – синхронный двигатель. Вопросы пуска асинхронного двигателя

скороткозамкнутым ротором легко решаются специальной формой паза для ограничения пускового тока или с помощью применения устройств мягкого пуска. Поэтому их целесообразно использовать при частом включении. Для механизмов с изменяющейся нагрузкой с частыми пусками и торможениями рационально использовать двигатель повышенного скольжения.

В регулируемых электроприводах стремятся применять системы, которые при выполнении технологических требований оказываются экономически более выгодными. Поэтому чаще всего выбор регулируемого электропривода ведется в такой последовательности: многоскоростные АД, АД с фазным ротором, системы «управляемый преобразователь напряжения-двигатель постоянного тока» и «преобразователь частоты-АД». Поскольку АД является более надежным и не дорогим двигателем, по сравнению с ДПТ, поэтому его применение в системах электропривода, особенно благодаря развитию полупроводниковой техники, становится в настоящее все более актуальным.

Основным препятствием, ограничивающим применение частотнорегулируемого электропривода, является относительная сложность системы управления и, следовательно, повышенная стоимость. Поэтому в некоторых автоматизированных системах электропривода традиционно используется двигатель постоянного тока. Если возможна большая нагрузка без работы на холостом ходу, применяется ДПТ последовательного возбуждения. При

или Мс max

Мс max

при

193

больших перегрузках и возможности работы на холостом ходу применяют ДПТ смешанного возбуждения. При ограниченных перегрузках и необходимости иметь жесткую механическую характеристику используют ДПТ независимого или параллельного возбуждения. Во всех случаях для ДПТ необходимо наличие сети постоянного тока, либо наличие преобразователей.

Определение мощности и выбор электродвигателя является наиболее трудоемким и ответственным этапом проектирования электропривода. Применение двигателей завышенной мощности приводит к увеличению капитальных затрат (возрастают массо-габаритные показатели и стоимость) и эксплуатационных расходов, связанных со снижением КПД и коэффициента мощности cos ϕ . Использование двигателей недостаточной мощности может привести к нарушению выполнения заданного цикла, снижению производительности и надежности работы (возможны даже аварии). При этом из-за тепловых перегрузок повышается нагрев и ускоренное старение изоляции обмоток электродвигателя, что способствует преждевременному выходу его из строя.

Итак, мощность электродвигателя выбирается исходя из необходимости выполнения заданной работы СЭП при соблюдении нормального теплового режима и допустимой перегрузочной способности двигателя.

Физический предел мощности и момента на валу имеют асинхронные (критический момент Mк при sк) и синхронные (синхронный максимальный Θ = π/2) электродвигатели. Отношение предельного момента Mк к номинальному моменту двигателя называют его перегрузочной

способностью λM:

λ	M	=	M к	или λ	M	=	M с мах	.
			M н				M н

Для СД λМ = 2÷3; для АД с короткозамкнутым и фазным ротором общепромышленных серий λМ = 1,7÷2,7; для АД с короткозамкнутым и фазным ротором краново-металлургических серий λМ = 2,3÷3,3.

Двигатели постоянного тока теоретически не имеют предела вращающего момента, но физически для них существует предельный максимальный момент, соответствующий току Iя max, величина которого безопасна по условиям коммутации. При токах, больших максимально допустимых, возникает опасность искрения на коллекторе и возникновение кругового огня, что грозит выходом из строя двигателя. Перегрузочная способность ДПТ определяется соотношением:

λI = Imax .

Iн

194

Для двигателей с независимым (параллельным) возбуждением λI ≡ λМ = 2,5÷3, а с последовательным возбуждением λМ = 4÷5. ДПТ смешанного возбуждения имеют промежуточное значение λМ = 3÷4. Перегрузочная способность по моменту λМ двигателей последовательного и смешанного возбуждения в результате возрастания магнитного потока с ростом тока несколько больше, чем λI. Кроме того, для ДПТ значение максимального тока зависит от скорости вращения – при увеличении скорости значение Iя max снижается. Так для двигателя с параллельным возбуждением при скорости ω = 2ωн перегрузочная способность по току λI = 2, а при ω = 3ωн – λI = 1,8.

Приведенные значения перегрузочных способностей допустимы только кратковременно, значение же номинального момента двигателя, при котором он может работать длительное время, составляет лишь часть максимального и определяется условиями допустимого нагревания, что в свою очередь определяется нагревостойкостью применяемых изоляционных материалов. Ниже приведены шесть классов нагревостойкости изоляции двигателей с предельно допустимыми значениями температуры:

1)А < 105 0С – пропитанные электроизоляционной жидкостью волокнистые материалы (хлопок, бумага, шелк);

2)Е < 120 0С – синтетические органические пленки;

3)В < 130 0С – асбест, слюда, стекловолокно, пропитанные органическими веществами.

4)F < 155 0С – асбест, слюда, стекловолокно, пропитанные синтетическими веществами.

5)Н < 180 0С – асбест, слюда, стекловолокно, пропитанные кремнийорганическими веществами.

6)С > 180 0С – слюда, керамика, стекло без пропитки или пропитанные неорганическими веществами.

Наиболее употребляемыми являются классы E, B и F, реже H.

При соблюдении установленных ограничений срок службы изоляции электродвигателей составляет 15-20 лет. Нагрев изоляции выше предельных значений резко сокращает срок службы электродвигателей. Так, для изоляции класса A увеличение нагрева на каждые 10 0С выше допустимого значения сокращает срок службы изоляции в два раза.

Таким образом, правильно выбранный двигатель по мощности должен выдерживать кратковременные перегрузки и иметь температуру обмоток, близкую к допустимой. Методы выбора и проверки электродвигателей по мощности будут рассмотрены ниже.

Скорость электродвигателя выбирается такой, чтобы обеспечить необходимую производительность технологического процесса (скорость рабочего органа производственного механизма). При заданном передаточном числе редуктора или другой передачи этот вопрос решается однозначно. Если передаточное число не задано, то его выбирают оптимальным, исходя из таких кри-

195

териев, как максимальное быстродействие, минимум потерь, минимальных массо-габаритных показателей механической части электропривода и др.

Напряжение электродвигателя выбирается исходя из номинального напряжения источника питания. При известной мощности и напряжении однозначно определяется ток электродвигателя.

При выборе электродвигателя необходимо учитывать условия эксплуатации, под которыми понимают воздействие климатических факторов и состояние окружающей среды. Электродвигатели изготавливаются для работы в следующих климатических условиях: умеренном климате (У), умеренном и холодном (УХЛ), тропическом (Т), умеренно холодном морском (М), умеренно холодном и тропическом морском (ОМ) и др. Климатические условия характеризуются максимальной tmax и минимальной tmin температурой. Напри-

мер, для умеренного и холодного климата (УХЛ) tmax = +40 0С и tmin = −50 0С. В зависимости от места размещения при эксплуатации электродвигатели различают по категориям размещения: 1 – на открытом воздухе, 2 – под

навесом (нет прямого воздействия солнечных лучей и капель дождя); 3 – в закрытом помещении; 4 – в помещении с искусственным климатом; 5 – в помещении с повышенной влажностью.

Все электротехнические изделия, в том числе и электродвигатели, классифицируют также по степени защиты от соприкосновения с токоведущими и движущимися частями и от попадания внутрь изделия посторонних твердых тел и воды [17]. Для обозначения степени защиты изделия используются две латинские буквы IP (от англ. International Protection) и следующие за ними две цифры. Первая цифра характеризует степень защиты токоведущих и движущихся частей электрооборудования от соприкосновения и от попадания внутрь посторонних тел: 0 – защита отсутствует; 1..4 – защита от твердых тел соответственно размером более 50, 12, 2,5 и 1 мм; 5 – защита от пыли. Вторая цифра обозначает степень защиты от попадания внутрь электрооборудования воды: : 0 – защита отсутствует; 1 – защита от водяных капель, падающих вертикально; 2 – защита от водяных капель, падающих под углом 150 к вертикали; 3 – защита от дождя; 4 – защита от брызг; 5 – защита от водяных струй; 6

– защита от волн; 7 – защита при кратковременном погружении в воду; 8 – защита при длительном погружении в воду.

В закрытом помещении с искусственным климатом электродвигатели обычно имеют исполнение IP00 или IP20, на открытом воздухе – не ниже IP44, в сырых помещениях – IP43. В пожароопасных и взрывоопасных зонах необходимо применять специальное электрооборудование.

Конструктивное исполнение по способу монтажа электродвигателя выбирают исходя из удобства его установки и последующего обслуживания с учетом конструктивных особенностей рабочей машины. Условное обозначение конструктивного исполнения по способу монтажа электродвигателя состоит из букв IM (от англ. International Mounting) и четырех цифр. Первая цифра обозначает способ крепления электродвигателя в месте его установки:

196

1 – на лапах; 2 – на лапах с фланцем на подшипниковом щите; 3 – без лап с фланцем на подшипниковом щите; 4 – без лап с фланцем на станине и т. д. Вторая и третья цифры характеризуют пространственное положение машины и направление выступающего конца вала: 00 – вал горизонтальный; 01 – вал вертикальный, направленный вниз и т. д. Четвертая цифра обозначает исполнение конца вала: 1 – один цилиндрический конец вала; 2 – два цилиндрических конца вала; 3 – один конический конец вала; 4 – два конических конца вала и т. д.

Обозначение способа охлаждения электродвигателя состоит из букв IC (от англ. International Cooling) и ряда букв и цифр. Сначала идет буква, обозначающая вид хладагента: A – воздух; H – водород; W – вода и т. д. Если хладагентом является только воздух, то буква опускается. Затем идет две цифра, первая из которых характеризует устройство цепи охлаждения: 0 – свободное перемещение хладагента; 3 – хладагент поступает через трубу; 4 – внутренняя циркуляция в электродвигателе с ребристой поверхностью для улучшения теплоотдачи и др. Вторая цифра обозначает способ перемещения хладагента: 0 – свободная конвекция (естественное охлаждение); 1 – с помощью установленного на валу электродвигателя вентилятора (самовентиляция); 7 – с помощью вентилятора, приводимого в движение другим двигателем (принудительная или независимая вентиляция) и др.

Если электродвигатель имеет несколько цепей охлаждения, то может быть четыре цифры: первые две для обозначения внешней вентиляции, вторые – для внутренней.

В любом случае выбор типа электродвигателя решается на основании технико-экономических сравнений, по которым выбирается наиболее рациональный и обеспечивающий требования к качеству продукции двигателя.

7.2. Нагревание и охлаждение электродвигателя

При преобразовании электроэнергии в механическую и наоборот часть энергии теряется в самом двигателе в виде потерь. Энергия потерь превращается в тепло, нагревая двигатель. Для упрощения анализа нагрева принимают следующие аспекты [9]:

1)двигатель рассматривается как однородное тело, температура всех его частей одинакова;

2)количество тепла, отдаваемое двигателем пропорционально разности температур между двигателем и окружающей средой.

3)температура окружающей среды постоянна и равна 40 0С. Количество тепла, выделяющегося в двигателе за промежуток времени

	dt равно dQ = Pdt , где P = P	1 − η		, P – мощность двигателя.
		η
	1

			197
	Часть этого тепла отдается в окружающую среду –							dQ2		= Aτdt , где A –
коэффициент теплоотдачи двигателя, Дж/(с·0С), или количество тепла, отда-
ваемое двигателем в окружающую среду за 1 секунду при разности темпера-
тур между двигателем и окружающей средой в 1 0С; τ –									перегрев двигателя
или превышение температуры двигателя над температурой окружающей сре-
ды.										= Cd τ , где C –
	Количество тепла, идущее на нагрев двигателя –							dQ3
теплоемкость двигателя, Дж/0С, или количество тепла, необходимое для на-
грева двигателя на 1 0С.
	Уравнение теплового баланса на основе выше сказанного имеет вид:
		Pdt = Aτdt + Cd τ / : Adt
		T	d τ + τ = τ		,
		н dt		уст
где Т	н	= С – постоянная времени нагрева двигателя;				τ	уст		=	Р –	установив-
		А								А
шаяся температура.
	Решение дифференциаль-		τ / τуст		A = 0
ного уравнения ( ) имеет вид:			1
		− t
		τ = Be Tн + τуст ,	0,632							t
			0,5
а при начальных условиях t = 0
и τ = τнач постоянная интегриро-											t /Tн
вания		равна B = τнач − τуст , сле-		1		2			3		4
довательно, общее решение за-					Рис. 7.1
пишется как

−

t

−

t

τ = τ

−

+ τ

1

е

Tн

нач

е Tн .

(7.1)

уст

Постоянная времени нагрева Tн

характеризует время, в течение которо-

го двигатель достиг бы τуст , если бы не было теплоотдачи двигателя А = 0.

В реальных условиях при наличии теплоотдачи температура двигателя за время Тн достигнет лишь 0,632τуст (рис. 7.1). Для определения Тн при из-

					198
вестной кривой нагрева опускают перпендикуляр из этой точки и расстояние
от начала координат до перпендикуляра и есть искомая величина Тн.
τ / τуст						Второй метод		определе-
						ния Тн состоит в проведении
Tн′	Tн′′	Tн′′′
						касательной к кривой нагрева
1						(см. рис. 7.2). Однако в реаль-
						ных условиях кривая нагрева
						отличается от теоретической. В
0,5				t		начале процесса нагрева дейст-
						вительное превышение			темпе-
		2				ратуры идет быстрее. И только
	1				t	при τ = (0,5 ÷ 0,6) τуст		они сбли-
						жаются.	Поэтому практически
0
	1	2	3	4		определяют среднее Тн для трех
		Рис. 7.2				точек на кривой нагрева.
						Теоретически		τуст	будет
достигнуто за время t → ∞, однако практически считают, что процесс нагре-
вания заканчивается за (3÷4)Тн.
Итак, величина Тн ≡ С, которая зависит от размеров машины, т. е. чем
больше двигатель, тем выше Тн. С другой стороны T ≡ 1 , которая зависит от
						н	A
вентиляции Тн вентилируемых машин меньше. Например, асинхронный
двигатель с самовентиляцией мощностью 14 кВт имеет Тн = 20 мин. Тн круп-
ных машин достигает нескольких часов. Постоянные времени охлаждения То
самовентилируемых двигателей могут превышать Тн из-за ухудшения условия
теплоотдачи. Иногда для расчетов вводится коэффициент ухудшения тепло-

отдачи в неподвижном состоянии двигателя β = Tн , который при отсутствии

Tо

данных для ДПТ можно принять β = 0,5, а для АД – β = 0,25. Выражение для изменения температуры во времени такое же, но τуст < τнач .

Для проверки правильности выбора двигателя при неизменной нагрузке можно построить кривую нагрева и установить τуст ≤ τдоп . Однако правильно

определить τ почти невозможно, кроме того, для большинства приводов нагрузка носит переменный характер. Поэтому в промышленных приводах для оценки правильности выбора применяют более простые методы. При этом учитывается специфика работы привода, определяемая характером нагрузки.

7.3. Нагрузочные диаграммы и режимы работы электропривода

Все механизмы по характеру изменения момента сопротивления могут быть разделены на три класса [1]:

199

1) механизмы, у которых момент сопротивления зависит от скорости – вентиляторы и центробежные насосы с зависимостью M c = f (ω) , и , как ча-

стный случай, подъемники, лифты с M c = const ;

2)механизмы с зависимостью статического момента от пути M c = f (S ) или M c = f (ϕ) – поршневые насосы, кривошипные механизмы и др.;

3)механизмы со случайным (произвольным) характером момента сопротивления, при котором сложно получить зависимость M c = var в функции

скорости, перемещения или времени – пила, экскаватор, камнедробилка и др. В соответствии с уравнением движения для случая, когда все механические связи можно принять абсолютно жесткими, момент двигателя определяется значением текущих статической и динамической нагрузок электропри-

вода:

M д (t) = M c (t) + Jпр dω ,

dt

где зависимость M д (t) – нагрузочная диаграмма двигателя (электропривода), являющаяся главной характеристикой при расчете его мощности; M c (t) – нагрузочная диаграмма механизма; Jпр – приведенный к валу двигателя суммарный момент инерции системы электропривода; ω(t) – тахограмма элек-

тропривода, определяемая технологическим процессом.

Все многообразие производственных механизмов с точки зрения режимов работы электропривода можно разделить на механизмы непрерывного и циклического действия. Особенностью механизмов непрерывного действия является условие

tуст >> tп + tт

где tуст – время работы электропривода с установившейся скоростью; tп + tт –

суммарное время переходных режимов пуска и торможения, не оказывающие существенного влияния на нагрев двигателя и при построении нагрузочной диаграммы не учитываются.

Поэтому тахограмма ω(t) в простейшем случае имеет вид прямой линии на уровне требуемой скорости w(t) = wтр при M c = const . В общем случае M c (t) является сложной кривой, которая для удобства заменяется ступенча-

тым графиком (рис. 7.3). При этом мгновенные значения скорости отличаются от требуемого значения w(t) ¹ wтр в связи с ограниченной жесткостью ме-

ханических характеристик двигателя. Изменения скорости определяют изменения динамического момента

			200
ω					M		= J		dω ,
						дин		пр
ωтр									dt
		t	поэтому нагрузочная диаграмма двигате-
			ля отличается от нагрузочной диаграммы
M	Mc		механизма		(рис.		7.3).		Увеличение		Jпр
			уменьшает изменения скорости и, соот-
			ветственно, величину момента двигателя.
	M д	t	На этом принципе основана работа элек-
			тропривода с маховиком при приложении
			ударных нагрузок.
	Рис. 7.3			Если	частота			циклов		изменения
			скорости достаточно велика, то условия
работы электропривода можно считать циклическими. Примерная тахограмма
механизма циклического действия и нагрузочные диаграммы механизма и
двигателя приведены на рис. 7.4, на которых явно просматриваются периоды
пуска и торможения. На основании нагрузочной диаграммы двигателя, рас-
считанной по выражению (*), можно сделать вывод, что механическая инер-
ция приводит к появлению неравномерной нагрузки двигателя в электропри-
воде циклического действия даже при M c = const .
	ω	ωтр
			tц						t
	tп	tуст	tт	t0
	M с
								t
	M дин

t

M д

t

Рис. 7.4