ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ЭЛЕКТРО­ПРИВОД

ДОПУСТИМЫЙ ПО НАГРЕВУ МОМЕНТ И И ЧИСЛО ВКЛЮЧЕНИЙ АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ ПРИ РАБОТЕ В ЗАМКНУТЫХ САУ

Важнейшим эксплуатационным требованием является обеспе­чение нормального теплового режима электропривода. Это тре­бование может быть удовлетворено, если греющие потери в ма­шине не будут превышать допустимые значения для выбранного двигателя.

Для решения задач, связанных с определением теплового со­стояния электрической машины (расчета номинальной мощности двигателя, допустимого по условиям нагревания момента двига­теля, числа включения в час асинхронных двигателей и т. д.), в теории и практике электропривода используется метод средних потерь [19, 29], исходное выражение для которого может быть записано в следующем виде [115]:

ДРСрЄ Гр^^ДРN>

где ДРср— средние потери в двигателе за цикл работы; е'гр — при­веденная продолжительность включения графика нагрузки; ДPn — номинальные потери двигателя; e'N — приведенная номи­нальная продолжительность включения выбранного двигателя.

Для двигателей, нормированных на повторно-кратковременный режим:

где en — номинальная продолжительность включения двигателя; §о — относительный коэффициент теплоотдачи неподвижного дви­гателя.

Если для двигателей номинальным является продолжительный режим, ТО 8/л?=1.

Для рассматриваемой типовой тахограммы повторно-кратко- временного режима (см. рис. 5.2):

, + ^'1 + ^'2 +

Гр Рп. т(^п + М 'Ь Pyl/yl + Py2^V2 + fVo

др = ди7п + Л^т + APyltyl + д Vy 2

Ср + t-I + tyl + А.2

ГДЄ Рп. т, Руь рУ2 — относительный коэффициент теплоотдачи при пуске (торможении), работе на установившихся скоростях fiyi и £2У2; АРУЬ АРу2—мощность потерь при работе на скоростях £2Уі и fiy2; ДГп, Ди^т — энергия потерь в двигателе при пуске, тормо­жении.

Зависимость коэффициента теплоотдачи от скорости имеет нелинейный характер [123], однако для упрощения и унификации расчетов и создания некоторого запаса по нагреву примем линей­ный закон изменения p=f(£2), считая, что (3=1 при fiw [124]. Тогда при заданной скорости £2

Р=Ро+^/Йа/ (1—Ро) =Ро+ (1-Ро) /D. (5.51)

Значение Рп, т определяется из следующего выражения:

Рп, т=0,5(1+Ро). (5.52)

Запишем (5.48) с учетом (5.50):

(ДіГп+ЛГіг+ДРу1*у1+ДРу2гу2) <

^ДРN&'n [Рп, т (^П-!-^) +

+)Ру1^у1_ЬРу2^у2+Ро^о] • (5.53)

Используя (5.53), можно выполнять расчеты, связанные с определением допустимых по условиям нагревания параметров асинхронного двигателя при работе в замкнутой САУ. Для уни­фикации расчетов целесообразно заменить времена работы на от­дельных участках тахограммы через обобщенные показатели пов­торно-кратковременного режима (5.32), а значение пониженной скорости Qy2 выразить через диапазон регулирования D.

Анализ (5.53) показывает, что средние потери, определяющие нагрев машины, зависят от большого числа факторов, характери­зующих свойства выбранного асинхронного двигателя {APn, s'n, Ро, /д), механизма (Мс, /м) и тахограммы (Z, єгр, tn(tT), D, ev). Задавая ряд параметров тахограммы и механизма, можно опре­делить возможности рассматриваемого двигателя.

Так, представляет интерес определение коэффициента исполь­зования двигателя по моменту &И)Д=|іс, т. е. определение предель­но допустимого по условиям нагревания момента статической на-

Укажем, что из-за использования режима ДТ выражение (5.54) получено при рассмотрении потерь в одной фазе.

Для короткозамкнутых двигателей, управляемых напряжени­ем, когда при s>sN и бМ2>6мі, значение £и, д может быть при­ближенно определено при рассмотрении только потерь в меди ротора. В этом случае формула для расчета £и, д, полученная при тех же условиях, что и (5.54), имеет следующий вид:

3600 *

[еГрО—ev) + Ро О — єгр) + (РоЯ + 1 — Ро) Vrp/^] —

kjkj

P7

Значение &и. д, рассчитанное по (5.55), оказывается несколько меньшим, чем полученное при использовании (5.54).

Укажем, что (5.54) или (5.55) справедливы только тогда, ког­да вычисленное по ним значение &и, д<Сц7, заданного при расчете, так как расчетные формулы получены в предположении, что при торможении электропривод работает в режиме ДТ. Если окажет­ся, что &и, дто расчет должен быть выполнен по выражениям, учитывающим, что при торможении машина работает в двигатель­ном режиме. Для этого случая получаем:

а) учет суммарных потерь в меди статора и ротора

(5-56)

(^4 1 гь)/Z *8 і 9

где

F „ =

И/

б) у:ет потерь только в меди ротора 3600 є'

—Г~ Ієгр( 1 - *v) + РоО - егр) + (Ро^ + 1 - Рс) VrpJD]

к, „ = -—-

'и, д 3600 .о г D— 1 + SN

everp “Ь Єгр( 1 ev)

Dsл

(1 — Syv) (I — Po)

Iх/

kk2Q * (5.57)

J П c

Расчеты &и>д для короткозамкнутых двигателей показывают, что при увеличении z, /, D, ev и єгр значение &и, д уменьшается. Существуют такие параметры тахограммы (Z, егр, D) и механизма (/м), которые не могут быть удовлетворены рассматриваемым двигателем без его перегрева даже при &и>д, стремящемся к нулю.

При продолжительном режиме работы асинхронного двигателя на регулируемой пониженной скорости Йу2 выражение (5.53) при­обретает следующий вид:

APy2^Py2APweV (5.58)

Если рассматривать только потери в меди ротора, то при про­должительном режиме работы с пониженной скоростью

£ _ Р>25Л, еДг _ 5УУеЛ' (РоР + 1 ~~ Ро)

И, Я__ ^у2 ~ kl(D-l+Slv)

Из-за значительного возрастания потерь в короткозамкнутых асинхронных двигателях при регулировании скорости, как видно из (5.59), допустимый по условиям нагревания момент статиче­ской нагрузки резко снижается даже при небольших диапазонах

189

регулирования. Так, при D—(2-^-2,5) допустимый момент не пре­вышает (0,05^-0,07)Мдг, т. е. в этом случае при использовании короткозамкнутых двигателей, регулируемых напряжением, практически нельзя обеспечить продолжительную работу на по­ниженных скоростях. У самовентилируемых двигателей уменьше­ние £и, д обусловлено еще ухудшением коэффициента теплоотдачи при снижении скорости. При применении двигателей с повышен­ным номинальным скольжением и независимой вентиляцией (ког­да при всех скоростях (3=1) удается несколько увеличить &и, д. Для иллюстрации этих выводов на рис. 5.3 приведены рассчитан­ные для двигателя 4А90Ь4УЗ графики допустимых моментов при изменении скорости, а также расчетные и опытные зависимости kvitA—f (D).

Используя выражение для средних потерь (5.53), можно определить и допустимое число циклов, отрабатываемых асин­хронным двигателем. Так, при реализации тахограммы рис. 5.2 [119, 125]:

3600 {ДРд/Єдг [єгрО ev) ""ЬРу2егреу“ЬРоО єгр)1 A^VrpO ev) A^y2erpev} АІГП + bWT - 2tn [ДPyl - APN 4(1- pn>T)]

(5.60)

Полученные ранее выражения для А-Руї, А^уг, AWn, AWT по­зволяют рассчитать значение Z при различных способах парамет­рического управления.

Приведем выражения для определения Z короткозамкнутых асинхронных двигателей, управляемых напряжением, при учете суммарных потерь в меди ротора и статора для случая реактив­ного момента статической нагрузки:

a) при торможении используется режим ДТ

(5.61)

^0(^7 — F 6 — F 8) --F1--F2--F3

б) [і/<|1с, при торможении используется двигательный режим

Fp ^с(^4 ~Ь Fb)

Fi + Цс(^в — Fs)

Если управление асинхронным двигателем с контактными кольцами осуществляется за счет регулирования добавочного со­противления в роторе, то при использовании торможения проти- вовключением и реактивном моменте нагрузки формула для рас­чета Z при учете суммарных потерь в меди статора и ротора приобретает следующий вид:

Выражение (5.63) справедливо для любых соотношений [х,-

И [1с.

Экспериментальные исследования предложенных методик рас­чета Z, основанные на измерении среднего установившегося пре­вышения температуры обмоток статора в номинальном режиме (Д#лО и в повторно-кратковременном режиме по тахограмме рис. 5.2 (ЛФ) показали, что при работе двигателя с расчетным значением Z перегрев обмоток не превышает допустимого уровня, т. е. ЛФсЛФа?. Для иллюстрации этого в табл. 5.4 приведены некоторые из полученных результатов при єГр=0,4.

Как следует из анализа (5.60), (5.63), свойства используемого двигателя (АРмілг, APwn, z'n, Ро, Sjv, /д) оказывают существенное влияние на значение Z. Для увеличения числа включений корот­козамкнутый двигатель должен иметь минимальный момент инер­ции, большое значение номинальных потерь (т. е. высокое sN) и увеличенное значение e'N. Этим требованиям в наибольшей сте­пени удовлетворяют асинхронные двигатели краново-металлурги­ческих серий, а также двигатели серии 4А, модификации с повы­шенным скольжением, которые предназначены для работы в пов­торно-кратковременном режиме. С ростом номинальной мощности двигателя (из-за снижения sN и увеличения /д) допустимое число включений существенно снижается.

Для выбранного двигателя Z=f(^c, егр, ev, D, /м). При воз­растании |1с возрастают потери в установившихся режимах, что снижает значение Z. При управлении короткозамкнутыми двига­телями изменение 1,- (при условии, что |Л/>»Цс) не оказывает су­щественного влияния на Z, однако увеличение D (а следовательно, потерь в машине) и ev резко снижает значение Z. К этому же приводит и возрастание /. Отсутствие в тахограмме участка ус­тойчивой пониженной скорости (^y2l=0, ev=0), что характерно для позиционных электроприводов, позволяет увеличить допусти­мое число включений короткозамкнутых асинхронных двигателей.

Из (5.60) следует отмеченная в [29] особенность: при

APwe'w( 1—Ро)—ЛРуі=0 число включений в час не зависит от егр. Используя это условие, можно найти граничное значение момента М-с. гр, при котором Z не зависит от егр. Принимая Qyi=Qyv, полу­чаем:

Pc, rp=e/jv(l—Ро) Ап2. (5.64)

При |1с>>|Лс|гр с ростом еГр значение Z падает, если выполняется условие |хс<СЦс, гр, то возрастание егр приводит к увеличению числа включений асинхронного двигателя.

Укажем также, что в ряде случаев, в частности при работе с участками пониженной скорости при большом цс, короткозамк­нутый двигатель по условиям нагревания вообще не может реа­лизовать заданную тахограмму, так как значение Z приближается к нулю.

Если асинхронный короткозамкнутый двигатель не проходит по требуемому числу включений в час, то следует использовать двигатели с фазовым ротором, позволяющие получить значитель­но большее число включений, так как потери в машине не зави­сят от скольжения. Используя РДС для двигателей с контактными кольцами, можно, как правило, реализовать по условиям нагре­вания необходимую тахограмму повторно-кратковременного режи­ма. Исключением из этого условия могут быть случаи, когда дви­гатели с повышенным током холостого хода (увеличенное значе­ние Л) должны работать при jic~l и erp>eyv. На рис. 5.4 приве­дены зависимости Z—f{|ic) для двигателя MTF111-6, управляемо­го напряжением (г= 1) и изменением сопротивления в роторе.

О 0,25 0,5 0,15м С О 0,25 0,5 075/1 с

В) г)

Рис. 5.4. Зависимости Z—f(iic) для двигателя MTF111-6, управляемого напряже­нием при ґ = 1 (а, б) и изменением добавочного сопротивления в роторе при Umr= 1(б> г), D = 10, ev = 0, 1 (а, в), = 0 (б, г);

1 — ЕГр=0,25, <п=0,25 с, У=/д; 2- егр=0,25, *п=0,5 с, /=/д; 3— Єгр=0,25, *п=1 с, /=/д; 4 — єгр=0,15, *п=0,5 с, /=/д; 5 — егр=0,4, *п=0,5 с, /=^д; 6 — єгр=0,25, fn=0,25 с,/=27д

Укажем, что приведенные в § 5.1, 5.2 исходные выражения по­зволяют определить возможности использования выбранного асин­хронного двигателя по нагреванию (т. е. рассчитать kH. д, Z) при отработке диаграмм скорости, отличных от проанализированных типовых тахограмм продолжительного и повторно-кратковремен­ного режимов.