Pakhomov_A_N__Krivenkov_M_V_Elektricheskiy_privod_uchebnoe_posobie

211

Р	= Р /	(а + 1)	εкат εр + β(1 − εр )					− а .
кат	э	п	ε	ε	+ β(1 − ε		)	п
						кат
				р кат

В приводах значительного числа металлообрабатывающих станков (токарные, сверлильные, шлифовальные) возникает необходимость в большой частоте включений двигателя – 600-800 включений в час. При этом тормозные и пусковые режимы АД с короткозамкнутым ротором, работающего без добавочных сопротивлений, вызывают его интенсивное нагревание.

Под допустимым числом включений в час z понимают такое число включений, при котором средняя температура в течение работы равна максимально допустимой. В таких условиях двигатель полностью использован по нагреву.

ω
ωуст = ωном
		tц	t
tп	tуст	tт	t0
		Рис. 7.11

Потери энергии за цикл работы (рис. 7.11) состоят из потерь при пуске Ап и торможении Ат, а также потерь за время установившейся работы Рtуст. Пусть при номинальной скорости мощность, отдаваемая в окружающую среду Рн. Тогда, учитывая условия ухудшения теплоотдачи у двигателя с самовентиляцией, получим уравнение энергетического баланса для удаленного цикла работы, когда количество потерь энергии, выделяющихся в двигателе, равно количеству потерь, отдаваемых в окружающую среду:

А + Рt

уст

+ А = αΔР

(t

п

+ t

т

) + βΔР t

о

+ Р t

уст

.

п

т

н

н

н

Время цикла и z связаны соотношением:

tп + tт + tо + tуст = 3600 = tц ,

z

следовательно,

212

tо = tц - tп - tт - tуст = tц 1 -	tп + tт + tуст	=	3600	(1 - e)
	tц
			z

и

tуст = tц - tп - tт - tо = 3600 e - (tп + tт ) .

z

Учитывая последние равенства, получим:

A +ΔP		3600		ε −(t +t )	+ΔA =αΔP		(t
п		z		п т	т	н	т

+t	) +βΔP	3600	(1−ε) +ΔP		3600	ε −(t	+t	) .
п	н	z	н		z	п	т

Следовательно, выражение для определения числа включений в час имеет вид:

z = 3600

bDPн (1 - e) + e(DPн - DP)

» 3600

bDPн (1 - e) + e(DPн

- DP)

.

DA + DА - (t

+ t

)(DP + DP

(a -1))

п

т

0,97(DA + DA

)

п

т

н

п

т

Знак равенства заменен знаком ≈ из-за пренебрежения в знаменателе

выражением (tп + tт )(

P +

Pн (α −1)), вследствие его малости относительно

потерь при пуске и торможении (не более 2-4 % от суммы

Aп +

Ат ).

Потери энергии при пуске и торможении АД

Aп, т

под нагрузкой M c

определяются по приближенной формуле:

DA

= k

Jпрw0

×

M дв ср

,

п, т

п, т

2

M дв ср M c

где kп, т – коэффициент, зависящий от сопротивления роторной цепи и режима работы (для АД нормального исполнения знак kп = 2 и kт = 6 , для АД с повышенным скольжением kп = 1,5 и kт = 4,5); Jпр – суммарный момент инерции, приведенный к валу АД; ω0 – синхронная скорость вращения; знак «–» соответствует разгону привода, а знак «+» – торможению. Средний момент при пуске АД M дв ср п ≈ 0,5(λп + λM )Mн , а при торможении противовключением M дв ср тп ≈ 0,9λпMн , где λM – перегрузочная способность АД по моменту; λп = M п / M н – кратность пускового момента.

Пути повышения значения z:

213

1)увеличение b – применение независимой вентиляции;

2)применение двигателя с классом изоляции повышенной теплостойко-

сти – повышение номинальных потерь Рн;

3)уменьшение потерь Ап и Ат – применение механического тормоза или снижение приведенного момента инерции Jпр.

Если фактическое число включений в час zф = 3600 / tц оказалось больше допустимого значения zдоп , то необходимо выбрать двигатель другого типоразмера с достаточным значением z . Допустимое значение zдоп можно определить по формуле zдоп = zкат / kJ , где zкат – каталожное значение числа включений в час.

7.7. Выбор силовых преобразователей, аппаратов управления, коммутации и защит

Рассмотрим вопросы выбора элементов электрической части силового канала электропривода, а также защитных устройств.

Выбор электромашинного преобразователя. Генератор электромашин-

ного преобразователя (см. разд. 5.2) выбирается по номинальной мощности приводного двигателя Pдв н , Вт:

	Pг н ³	Pдв н	,
		hдв н × cosjдв н

где hдв н – номинальный КПД двигателя; cosjдв н – номинальный коэффициент мощности (для приводного ДПТ cosjдв н =1).

Величина напряжения генератора U г н ³U дв н , а максимальный ток на-

грузки генератора должен соответствовать максимальному допустимому току приводного двигателя.

Мощность приводного двигателя преобразовательного электромашинного агрегата определяется выражением:

P	³	Pг н	,
пд н		hг н

где hг н – КПД выбранного генератора.

При выборе приводного двигателя необходимо обращать внимание на его номинальную скорость, которая должна быть равна номинальной скорости генератора.

Выбор полупроводникового преобразователя. Выбор полупроводнико-

вого преобразователя (управляемого выпрямителя или преобразователя час-

214

тоты) осуществляется по каталогам электротехнической промышленности или справочникам на базе номинальных данных предварительно выбранного двигателя:

Uпр н ³Uдв н и Iпр н ³ Iдв н .

Полупроводниковые преобразователи характеризуются малыми величинами перегрузок из-за малой постоянной времени нагревания вентилей. Отдельные типы преобразователей допускают перегрузку двойным током ( lI пр = Imax / Iпр н = 2 ) в течение времени не более 10-15 с и lI пр =1,75 в течение 60 с. Длительная перегрузка преобразователей обычно не превышает значения lI пр =1,25 . Поэтому выбор полупроводниковых преобразователей при

циклическом режиме работы механизма проводится по максимальной нагрузке двигателя:

Iпр н ³	M c max × Iдв н	.
	lI пр × M дв н

Комплектный полупроводниковый преобразователь постоянного тока, включает, как правило, следующие элементы:

1)полупроводниковый комплект (два для реверсивного преобразователя), состоящий из силовых вентилей с системой охлаждения, защитных предохранителей, разрядных, фильтрующих и защитных R, L,

С-цепей;

2)система импульсно-фазового управления;

3)коммутационная и защитная аппаратура (автоматические выключатели, линейные контакторы, рубильники и др.);

4)узлы питания цепей возбуждения, комплекты устройств по управле-

нию, контролю и сигнализации и др.

Кроме того, определяется необходимость в применении сглаживающего реактора, а также согласующего преобразователь с сетью трансформатора или токоограничивающего реактора. Практически при наличии трехфазной сети переменного тока с линейным напряжением 380 В и ДПТ с Uдв н = 220 В

применяют трансформатор, а при Uдв н = 440 В – токоограничивающий реак-

тор.

Выбор типа преобразователей частоты для электроприводов переменного тока зависит от частоты питающей сети, требуемого диапазона изменения частоты на выходе преобразователя, определяемого диапазоном изменения скорости вращения двигателя, от мощности двигателя, диапазона изменения нагрузки на валу двигателя, наличия или отсутствия реверса, режимов работы двигателя.

215

При сетевой частоте 50 Гц и выходных частотах менее 25 Гц для любого типа привода целесообразно использовать преобразователь с непосредственной связью.

При выходных частотах 50 Гц и ниже или выше 50 Гц используются преобразователи с автономными инверторами напряжения или тока. Применение автономных инверторов тока целесообразно в приводах, работающих с поддержанием заданной величины момента. При широких диапазонах регулирования скорости двигателя подобные преобразователи используются лишь в замкнутых системах электропривода.

Промышленные преобразователи частоты чаще всего имеют автономный инвертор напряжения и комплектуются собственными силовыми трансформаторами. Выходное напряжение подобных преобразователей, как правило, стабилизировано с высокой точностью внутренними обратными связями, что позволяет не учитывать внутреннее сопротивление преобразователя при расчете механических характеристик двигателя.

Преобразователи частоты с непосредственной связью могут не иметь собственных силовых трансформаторов. Для подобных преобразователей предусматривается выбор трансформатора из условия обеспечения номинальных режимов работы двигателя. Кроме того, при расчете механических характеристик двигателя необходимо учитывать внутреннее сопротивление такого преобразователя.

Выбор электрических аппаратов и элементов защит. Автоматические выключатели выбираются по номинальным току и напряжению, роду тока, предельной коммутационной способности , электродинамической и термической стойкости, собственному времени отключения. Все параметры автоматов должны соответствовать их работе как в обычном, так и аварийном режимах, а конструктивное исполнение – условиям размещения.

Номинальный ток автомата должен быть не ниже тока продолжительного режима установки, а сам аппарат не должен отключаться при предусмотренных технологических перегрузках.

Проверка выбираемого автомата по условию защиты электроустановки от токов короткого замыкания состоит в сопоставлении тока короткого замыкания в установке с предельной коммутационной способностью автомата, которая должна быть выше этого тока.

Защита установки от перегрузок по току будет обеспечена, если номинальный ток автомата с тепловым расцепителем будет равен или несколько больше номинального тока защищаемого объекта.

Уставка тепловой и максимальной защит электродвигателей должна соответствовать уровням соответствующих токов. Максимальная токовая защита не должна срабатывать при пуске двигателя, для чего ее уставка выбирается по соотношению [12]:

Iуст max ³ kнIпуск

216

где kн = 1,5 ÷ 2, 2 – коэффициент, учитывающий вид расцепителя и возможный разброс тока его срабатывания относительно уставки; Iпуск – пусковой

ток двигателя.

Защита от перегрузки (тепловая защита) считается эффективной при следующем соотношении ее тока уставки Iуст и номинального тока двигателя Iн :

Iуст = (1,2 ÷1,4)Iном .

К числу показателей, по которым выбираются контакторы и магнитные пускатели, относятся характер и величина напряжений главной цепи и цепи управления (включающих катушек); коммутационная способность контактов и их количество, допустимая частота включений; режим работы; категория размещения; степень защиты от воздействия окружающей среды.

Выключатели и переключатели выбираются по роду и величине напряжения, току нагрузки, количеству переключений, которое они допускают по условиям механической и электрической износостойкости, а также конструктивному исполнению.

Выбор плавкой вставки предохранителей силовой части электропривода производится таким образом, чтобы при пуске двигателей она не перегорала от пускового тока двигателя. Номинальный ток вставки можно определить по формуле [7]:

Iвст = λI Iном .

kп

где kп – коэффициент, учитывающий особенности пуска ( kп = 2,5 при длительности пуска не более 5 с; kп = 1,6 ÷ 2 при тяжелых условиях пуска дли-

тельностью более 20 с).

Уставки реле максимального тока должны выбираться таким образом, чтобы не происходило отключение двигателей при их пуске или других переходных процессах, когда токи в силовых цепях в несколько раз превышают номинальный уровень.

Уставка тока реле максимального тока при защите АД с короткозамкнутым ротором выбирается из соотношения

Iуст = (1,2 ÷1,3)Iпуск

а для АД с фазным ротором и ДПТ по формуле

217

Iуст = (2 ÷ 2,5)Iном

Выбор силовых резисторов. Резистор выбирается по двум основным параметрам – сопротивлению и току (прил. 3). При этом сопротивление должно равняться расчетному, а номинальный ток должен соответствовать рабочему (эквивалентному по нагреву) току двигателя, что обеспечит нормативный нагрев резистора. Подбор величины сопротивления осуществляется за счет последовательного, параллельного и смешанного соединений отдельных элементов в секции.

7.8. Проверка выбранных устройств электропривода на нагрев и перегрузку

Условие правильно выбранного двигателя по условиям нагрева имеет

вид:

I экв ≤ I доп или M экв ≤ M доп ,

(7.7)

где Iдоп и M доп – длительно допустимые ток и момент двигателя, как прави-

ло, равные номинальному значению.

Эквивалентный ток (момент), характеризующий нагрев двигателя за весь цикл работы, рассчитывается по формуле, А:

	Iэкв =				∑ Iск2	i			ti
					i					,	(7.8)
					∑αi
								ti
					i
где Iск i –	среднеквадратичное значение тока на i-ом участке нагрузочной
диаграммы I = f (t) длительностью		ti :
				ti
	Iск i =			∫ I 2 (t)dt
			0					,
					ti
рассчитываемое по формуле (7.4); αi			– коэффициент ухудшения теплоотдачи
двигателя,	который определяется по графику ω = f (t)										на основании средней
угловой скорости вала двигателя за время ti							[5, 7]:

			218
	b, если 0 £ wср < 0, 2 × wн;
			+ b
	1
ai	=			, если 0, 2 × wн £ wср £ 0,8 × wн;
			2
				если w	> 0,8 × w .
	1,
				ср	н

Коэффициент ухудшения теплоотдачи двигателя β при ω = 0 зависит от его конструктивного исполнения и условий вентиляции. Так, для двигателей закрытого исполнения с независимой вентиляцией β = 1, с естественной вентиляцией β = 0,95 ÷ 0,98, с самовентиляцией β = 0, 45 ÷ 0,55 . Условия теплоотдачи двигателей защищенного исполнения с самовентиляцией в неподвижном режиме еще хуже – β = 0, 25 ÷ 0,35 .

Эквивалентный ток (момент) двигателя, предназначенного для повтор- но-кратковременного режима, рассчитывается по (7.8) только за время его работы (без учета паузы). Кроме того, значение допустимого по нагреву тока Iдоп двигателя, работающего в повторно-кратковременном режиме, приводят

к фактической (расчетной) продолжительности включения:

Iдоп = Iн × ПВст , ПВфакт

где Iн – номинальный ток двигателя для стандартной продолжительности

включения ПВст .

Для двигателей, у которых момент пропорционален току (ДПТ параллельного и независимого возбуждения, АД при небольших отклонениях нагрузки от номинальной), проверку по нагреву можно производить методом эквивалентного момента по формуле (7.5).

Проверку АД по нагреву можно провести методом средних потерь. Для этого при помощи кривой зависимости КПД АД от загрузки η = f (M ) или

	η = f (P) строится график потерь в двигателе			p = f (t) , а затем определяются
	средние потери за весь цикл работы, Вт:
			n
			∑ Dpi Dti
	Dp	=	i=1	.
			n
	ср
			∑aiDti

i=1

Правильность предварительного выбора АД по нагреву оценивается с помощью проверки выполнения условия ( ПВфакт = ПВст = 100% для длитель-

ного режима работы):

	Dpср ×	ПВфакт
		ПВ
		ст

219

		1
				(7.9)
	£ Dpн = Рн		-1 .
	hн

При проверке выполнения условий (5.1) и (5.3) возможна недогрузка двигателя в пределах (20÷30) %, т. е. небольшой запас по нагреву [5]:

Dзап =

I

доп

- I

экв

×100 % =

Dpн

-

Dpср

×100 % £ 30 % ,

(7.10)

Iдоп

Dpн

а перегрев ( зап < 0 ) недопустим.

Проверка двигателя на кратковременную перегрузку заключается в сравнении наибольших значений тока (момента) двигателя на нагрузочной диаграмме с максимально допустимыми значениями тока (момента) выбранного двигателя.

Максимальный ток ДПТ ограничивается допустимым по условиям коммутации значением, следовательно должно выполняться неравенство:

Imax £ lI Iн .

(7.11)

Для ДПТ серий П, 2П, 4П lI = 2 ¸ 2,5 в течение 60 с. При этом следует учитывать ухудшение условий коммутации при скоростях выше номинальной

[3].Так при w = 3wн для ДПТ серий П и 2П lI £1,8 .

УАД кратковременная перегрузка ограничивается не током, а критическим моментом M к двигателя. Если учесть, что в заводских сетях допустимо

снижение напряжения на 10 %, то условие допустимой кратковременной перегрузки АД имеет вид:

M max £ 0,8 × M к .

(7.12)

Кроме того, для АД следует проверить возможность пуска с соответствующей нагрузкой на его валу.

Итак, выбранная предварительно мощность двигателя удовлетворяет заданным требованиям технологического процесса без перегрева и перегрузки двигателя, если выполняются неравенства (7.7), (7.9)-(7.12).

Если предварительно выбранный двигатель не проходит по условиям нагрева ( зап < 0 или зап > 30 % ), то производят ориентировочный выбор

другого двигателя с требуемой мощностью, используя соотношение [5]:

220

P

@ P

×

I

экв

= P

×

Dpср

.

н тр

н предв

Iдоп

н предв

Dpн

Аналогично поступают, если первоначально выбранный двигатель не проходит по условиям кратковременной перегрузки.

Среднеквадратичное значение тока за время цикла до 10 мин не должно превышать номинальный ток выбранных полупроводниковых преобразователей, трансформатора (токоограничивающего реактора) и сглаживающего реактора. Кратковременная токовая перегрузка преобразователей не должна превышать каталожного значения λI пр .

В зависимости от режима работы выбранного предварительно добавочного сопротивления в электроприводе определяются эквивалентный ток через сопротивление, который сравнивается с каталожным значением по нагреву.

Для продолжительного режима работы резистора эквивалентный ток рассчитывается по выражению (7.3).

Для кратковременного режима эквивалентный ток равен:

		−	tраб
	- e		T
Iэкв = Iраб 1			н эс		,

где Ipаб и tpаб – рабочий ток и время кратковременной работы элемента (ящика) сопротивления; Тн эс – постоянная времени нагрева элемента сопро-

тивления. Рабочий ток при линейном изменении тока через сопротивление определяется по формуле (7.4).

Для повторно-кратковременного режима работы сопротивление определяется по его продолжительности включения по формуле (7.2) и отношению времени работы выбранного элемента сопротивления к его постоянной времени нагрева tраб / Tн эс . Для определения эквивалентного тока через сопро-

	Iэкв	tраб
тивление используют кривые зависимости					для различных зна-
	Iраб	= f
		Tн эс

чений ПВ (рис. 7.12).

Рассчитанный таким способом эквивалентный ток резистора не должен превышать допустимого (номинального) значения длительного тока через элементы сопротивления, указываемого в каталоге:

Iэкв ≤ Iдоп эс .