ЕЛЕКТРОТЕХНІКА У БУДІВНИЦТВІ

Механічні характеристики виробничих механізмів і електродвигунів

При розгляданні роботи електродвигуна, що приводить до дії виробничий механізм, необхідно насамперед виявити відповідність механічних характерис­тик двигуна характеристиці виробничого механізму.

Механічною характеристикою виробничого механізму називають за­лежність між швидкістю і приведеним до вала двигуна моментом опору меха­нізму о = 7(моп).

Механічні характеристики виробничих механізмів ділять на наступні групи.

Механічна характеристика, в якої момент опору Моп не залежить від швидкості (пряма 1 на рис. 14.2). Таку характеристику мають, наприклад, під­йомні крани, лебідки та ін. Сюди ж можуть бути віднесені з певним наближен­ням всі механізми, де основним моментом опору є момент тертя.

Лінійно зростаюча механічна характеристика (пряма 2 на рис. 14.2). В цьому випадку момент опору лінійно залежить від швидкості о, збільшуючись з її зростанням.

Нелінійно зростаюча (параболічна) механічна характеристика (крива 3 на рис. 14.2). Момент опору Моп тут залежить від квадрата швидкості. Механізми, які мають таку характеристику, називають іноді механізмами з вентиляторним моментом, оскільки у вентиляторів момент опору залежить від квадрата швид­кості. До механізмів, які мають таку механічну характеристику, належать також відцентрові насоси, гребні гвинти, екскаватори та ін.

Як вже відзначалось в розділі 10.5, під механічною характеристикою елект­родвигуна розуміють залежність його кутової швидкості від обертового моменту, тобто о = 7М). Для електродвигунів є характерним зниження швидкості обертан­ня при зростанні моменту навантаження. Однак ступінь зміни швидкості із зміною моменту у різних двигунів різна і характеризується показником, що називають жорсткістю. Під жорсткістю механічної характеристики електропривода ро­зуміють відношення різниці електромагнітних моментів, що розвиваються елек- тродвигуновим пристроєм, до відповідної різниці кутових швидкостей електро­привода. Тобто жорсткість в визначається співвідношенням

_ M 2 - M, AM

p = —2----- 1 =-----

(o2 - ©j A®

Звичайно на робочих ділянках механічні характеристики двигунів мають від’ємну жорсткість p < 0. Лінійні механічні характеристики мають постійну жорсткість. У випадку нелінійних характеристик їхня жорсткість не постійна і визначається в кожній точці як похідна моменту за кутовою швидкістю

>=%■ . . (»■'«

Поняття жорсткості може бути застосоване і до механічних характерис­тик виробничих механізмів. Ці характеристики можна оцінювати жорсткістю

=-M _ (14Л7)

Механічні характеристики електродвигунів можна розділити на чотири

категорії:

1. Абсолютно жорстка механічна характеристика (Р = да) - це характе­ристика, в якої швидкість із зміною моменту залишається незмінною. Таку ха­рактеристику мають синхронні двигуни (пряма 1 на рис. 14.3).

2. Жорстка механічна характеристика - це характеристика, в якої швид­кість із зміною моменту зменшується в малому ступені. Жорстку механічну ха­рактеристику мають двигуни постійного струму незалежного збудження, а та­кож асинхронні двигуни в межах робочої частини механічної характеристики (крива 2 на рис.14.3).

3. М'яка механічна характеристика - це характеристика, в якої із зміною моменту швидкість значно змінюється. Таку характеристику мають двигуни постійного струму послідовного збудження, особливо в зоні малих моментів (крива 3 на рис.14.3). Для цих двигунів жорсткість не залишається постійною.

4. Абсолютно м'яка механічна характеристика (Р = 0) - це характеристика, в якої момент двигуна із зміною кутової швидкості залишається незмінним. Таку ха­рактеристику мають, наприклад, двигуни постійного струму незалежного збуджен­ня при живленні їх від джерела струму або при роботі в замкнутих системах елект­ропривода в режимі стабілізації струму якоря (пряма 4 на рис. 14.3).

Якщо є механічні характеристики двигуна і виробничого механізму, неваж­ко знайти точки (М, т), що характеризують сталий режим. Для цього досить скла­сти графічно за моментом дві характеристики. Отриману в результаті криву нази­вають спільною характеристикою електродвигуна і виробничого механізму. Там, де спільна характеристика перетинає вісь частоти обертання т, буде точка сталого режиму, в якій сума моментів двигуна і механізму дорівнює нулю. Отже відповідно до виразу (14.10) частота обертання в часі змінюватися не буде.

На рис. 14.4 як приклад наведені механічні характеристики двигуна 1, механі­зму подачі токарного верстата 2 і крива спільної характеристики 3. Спільна характе­ристика перетинає вісь т у точці з частотою обертання т де момент дорівнює нулю. Отже при цій частоті обертання виконується умова (14.10) і здійснюється сталий ре­жим. Використовуючи характеристики 1 і 2, неважко визначити момент М'да, що роз­вивається електродвигуном, і М'вм виробничого механізму в цьому режимі.

Умова (14.10) виконується, якщо абсолютне значення М дорівнює Мвм. Отже, якщо в механічній характеристиці виробничого механізму перед момен­том опустити знак мінус, точка сталого режиму виявиться там, де перетнуться знову отримана характеристика і механічна характеристика двигуна. Графічно перехід від від’ємних моментів статичного опору до додатного полягає в дзер­кальному відбитті кривої 2 відносно осі т у першому квадранті. На рис. 14.4 ці­єю характеристикою є крива 4 і, отже усталений режим відображається точкою А з координатами М'дв, т

Роботі електричного двигуна і виробничого механізму в сталому режимі відпо­відає рівновага моменту опору механізму і обертового моменту двигуна при пе­вній швидкості, тобто Моп = М. Зміна моменту опору на валу двигуна приводить до того, що швидкість двигуна і момент, який він розвиває, можуть автоматич­но змінюватися, і привод буде продовжувати стійко працювати при іншій швидкості з новим значенням моменту. В електричних двигунах роль автома­тичного регулятора може виконувати ЕРС двигуна. Нехай М = М1 і двигун пра­цює із швидкістю о1. Із збільшенням навантаження двигун гальмується, швид­кість його знижується, завдяки чому зменшується ЕРС. При зменшенні ЕРС зростають струм у якірному колі двигуна і момент, що розвивається двигуном. Зростання моменту двигуна триває доти, поки не наступить рівновага моментів М = М2, що відповідає новій швидкості о2. Розглянуті умови роботи електро­привода в сталому режимі характеризують статичну стійкість привода, коли зміна в часі швидкості і моменту відбувається відносно повільно на відміну від динамічної стійкості, що має місце при перехідних режимах.

Під статичною стійкістю розуміють такий стан сталого режиму ро­боти привода, коли при появі випадкового відхилення швидкості від сталого значення привод повернеться до точки сталого режиму. При нестійкому русі будь-яке, навіть найменше, відхилення швидкості від сталого значення приво­дить до зміни стану привода - він не повертається до точки сталого режиму.

Привод є статично стійким, якщо в точці сталого режиму виконується умова

Ш М <0. (14.18)

do do

або іі - і < 0. (14.19)

Умова (14.18) означає, що привод статично стійкий, якщо при позитив­ному збільшенні кутової швидкості момент двигуна виявиться меншим за ста­тичний момент (момент опору) і привод внаслідок цього загальмується до ко­лишнього значення швидкості. При негативному збільшенні кутової швидкості момент двигуна виявиться більшим за момент опору, і привод внаслідок цього розженеться до колишнього значення швидкості.

При постійному моменті навантаження (пряма 1 на рис. 14.2) статична стійкість буде визначатися тільки жорсткістю механічної характеристики дви­гуна, тому що dMon = о. Якщо вона від’ємна, то робота в сталому режимі стійка do

dM dM„„ dM n < 0.

do do do

Звичайно при проектуванні електропривода механічна характеристика виробничого механізму відома. Тому для одержання усталеної роботи в стало­му режимі для певних швидкостей і моментів опору виробничих механізмів не­обхідно підбирати механічну характеристику електродвигуна відповідної фор­ми. Це може бути досягнуте шляхом підбору електродвигуна відповідного типу і зміною електричних параметрів його кіл.

Вибір двигуна при проектуванні ЕП є важливим етапом. Ніякі елементи системи керування або зворотних зв'язків не здатні забезпечити необхідні обер­тові моменти, потрібні швидкості і прискорення механізму, якщо двигун, осно­вний силовий вузол привода не створює для цього умов.

Правильний вибір двигуна визначається як економічними, так і технічни­ми вимогами до його параметрів і показників. Насамперед, при виборі віддають перевагу найбільш простим, дешевим і надійним двигунам - асинхронним і синхронним. Якщо ці машини не можуть задовольнити технічним вимогам, ви­бирають двигуни постійного струму.

До вимог, що ставляться до параметрів двигуна, належать: номінальна напру­га, що відповідає напрузі мережі; потужність, що забезпечує подолання моментів опору при необхідних швидкостях і прискореннях; перевантажувальна здатність, що забезпечує роботу привода при короткочасних навантаженнях; діапазон зміни швидкості при регулюванні, що відповідає вимогам технологічного процесу та ін.

Найбільш істотним параметром, за яким вибирають двигун, є потужність. Машина вважається обраною правильно за потужністю, якщо вона виконує не­обхідні функції і не перегрівається. Розглянемо фізичний зміст вибору двигуна за потужністю.

Істотною частиною конструкції будь-якої електричної машини є ізоляцій­ні матеріали, які мають фізико-хімічні властивості, що дозволяють ізолювати окремі провідники обмоток один від одного. Якщо ізоляційні матеріали втра­чають свої властивості, відбувається закорочення окремих ділянок обмоток, і машина виходить з ладу. Ізоляційні матеріали втрачають свої діелектричні вла­стивості, якщо їхня температура виявляється вище за гранично припустимою температуру. Здатність матеріалів зберігати свої властивості при гранично припустимій температурі називається нагрівостійкістю.

Якщо в процесі роботи двигуна з ізоляцією відповідного класу нагрівос - тійкості температура його нагрівання виявиться меншою (або рівною) гранично припустимій температурі цього класу, двигун буде працювати в нормальних умовах. Якщо ж температура двигуна виявиться вище гранично припустимої, ізоляція починає втрачати свої діелектричні властивості і виходити з ладу.

Після підключення електричної машини до джерела живлення по її обмотках проходить струм, перемагнічується сталь і відбуваються інші фізичні процеси, в ре­зультаті яких частина електричної і механічної енергії, що називається втратами АР, перетворюється на теплову. Деяка кількість теплової енергії віддається до на­вколишнього середовища, а інша витрачається на нагрівання двигуна.

У перший момент часу після підключення до джерела живлення двигун інтенсивно нагрівається, потім цей процес уповільнюється. Нарешті наступає період, коли зміна температури двигуна т практично не відбувається (рис.14.5).

Слід зазначити, що коли мова йде про нагрівання або охолодження елект­ричних машин, то звичайно замість дійсної температури користуються віднос­ною величиною, перевищенням температури т, що представляє різницю те­мператур машини і навколишнього середовища.

З деяким допущенням характерис­тика нагрівання електричної ма­шини має вигляд експоненти (рис. 14.5). Як видно з рисунка, переви­щення температури т прагне до максимального значення т = тст.

Електрична машина не перегрівається протягом трива­лого часу, якщо її стале значен­ня перевищення температури тст менше (або дорівнює) припус - Рис. 14.5 - Характеристика нагрівання тимого тприп класу ізоляції ма-

двигуна шини: тст < тприп.

Дотепер розглядався випадок, коли момент навантаження, а отже, і поту­жність, що розвивається двигуном, не змінюються в часі. Якщо ці величини збільшити, зросте стале перевищення температури двигуна, оскільки збіль­шаться струми, що проходять по обмотках, отже зростуть втрати.

У випадках, коли момент навантаження перевищує припустимі для дви­гуна значення, збільшується потужність, споживана двигуном, і, в результаті збільшення втрат у двигуні, тст може перевищити тприп і двигун почне перегріва­тися. Межею збільшення навантаження є номінальна потужність двигуна, тобто якщо в процесі роботи двигун розвиває потужність, яка не перевищує номіна­льної, то завод-виготовлювач гарантує його нормальну роботу без перегріву.

При навантаженні двигуна можна орієнтуватися також на номінальний струм і номінальний момент двигуна. Струм і момент двигуна не повинні пе­ревищувати його номінальних значень. Це справедливо, якщо температура на­вколишнього середовища відповідає 40°С. Саме на таку температуру навколи­шнього середовища орієнтуються при теплових розрахунках двигуна в процесі його конструювання.

При постійному навантаженні для вибору електродвигуна досить визна­чити потужність на валу виробничого механізму і вибрати за каталогом двигун тієї ж номінальної потужності або найближчої більшої.

При змінному навантаженні вибір двигуна ускладнюється. В цьому випа­дку використовують навантажувальну діаграму, яка визначає графічну зале­жність потужності опору робочого механізму від часу, а також навантажува­льні діаграми потужності, втрати потужності і струму двигуна. Вибір двигуна полягає в наступному. Відому з навантажувальної діаграми змінну потужність P(t) механізму (рис. 14.6) замінюють постійною середньою потужністю, обчи­сленою за цикл ^ за формулою

Р1 * t1 + P2 * 12 + ... + P6 * t6

(14.20)

t1 + 12 + ... + 16

Потім Рсер множать на коефіцієнт запасу k3= 1,14 ^1,3; Р'сер = Рсер k3. Далі за Р'сер вибирають двигун, будують для нього одну з навантажувальних діаграм і виконують перевірочний розрахунок.

Для більш точного вибору двигуна використовують метод середніх втрат. Для цього методу беруть діаграму потужності двигуна, що відрізняєть­ся від навантажувальної діаграми потужності виробничого механізму появою динамічного моменту при зміні швидкості привода. Дійсно, у перехідних ре­жимах потужність двигуна затрачується не тільки на подолання статичного мо­менту опору, але і на подолання динамічного моменту.

Звичайно цією відмінністю знехтують, а для методу середніх втрат вико­ристовують діаграму виробничого механізму. Спочатку для кожної ділянки на­вантажувальної діаграми з постійною потужністю за допомогою характеристи­ки ККД п(Р) визначають втрати двигуна АР, а потім середні втрати для всієї на­вантажувальної діаграми за виразом

APj ■ ti +Ар2 ■ 12 +... + AP6 ■ 16

(14.21)

t1 + 12 + ... + 16

де АР1 ^ АР6 - втрати на ділянках 1 ^ 6 діаграми; t1 ^ t6 - час ділянок 1 ^ 6 діаг­рами (рис.14.6).

Далі визначають номінальні втрати АРном за номінальною потужністю двигуна і Пшм у номінальному режимі і порівнюють значення АРном і АРсер. Як­що АРном > АРсер, вважають, що тст < тприп, і двигун обраний правильно. Якщо АРном < АРсер, необхідно вибрати з каталогу наступний двигун найближчої бі­льшої потужності і повторити розрахунок.

Також використовують менш точні, але більш прості методи еквівален­тних величин: струму, моменту і потужності.

АР =

ср

В кожному з цих методів з побудованої для попередньо обраного двигуна діаграми визначають значення еквівалентної величини (струму, моменту або потужності) за наступними виразами:

Отримані значення еквівалентних величин порівнюють з відповідними номінальними значеннями. Якщо вони виявляється не менше еквівалентних, двигун за потужністю обраний правильно.

Необхідно пам'ятати, що правильно обраний двигун за потужністю може бути непридатним для використання у приводі, якщо його перевантажувальна здатність незадовільна.

Перевірку двигуна за припустимим перевантаженням у методі еквівален­тного струму виконують за виразом

Imax/Іном — к , (14.25)

де Imax - максимальне значення струму при змінному навантаженні; ki - припус­тимий коефіцієнт перевантаження двигуна за струмом (для двигунів постійного струму загального призначення ki = 2 ^ 2,5; для спеціальних двигунів він може бути більшим).

Якщо умова (14.25) не виконується, необхідно вибрати за каталогом на­ступний двигун більшої потужності і перевірити його тільки за перевантажува­льною здатністю.

При виборі асинхронного двигуна необхідно перевірити, щоб його максима­льний момент був більшим за найбільший момент навантажувальної діаграми.

Для двигунів постійного струму незалежного або паралельного збуджен­ня, а також асинхронних і синхронних може бути застосований кожний з роз­глянутих методів.

Для двигунів постійного струму послідовного і змішаного збудження придатний тільки метод середніх втрат і метод еквівалентного струму.

Ми розглянули вибір двигуна при тривалому режимі роботи, коли те­мпература двигуна встигає досягти сталого значення. Але двигун може також працювати у короткочасному режимі, коли за робочий період він не встигає нагрітися до сталого значення, а за час відключення встигає охолонути до те­мператури навколишнього середовища.

У короткочасному режимі двигун необхідно навантажувати потужністю ви­ще за номінальну, щоб він був повністю використаний за нагрівом. Максимальне дозування навантаження здійснюють з умови ттах — тприп. Двигуни загального при­значення використовувати в короткочасному режимі недоцільно, тому що вони мають невисоку перевантажувальну здатність і вимагають завищеної потужності. Для короткочасних режимів промисловість випускає спеціальні двигуни з підвище­ною перевантажувальною здатністю і вказівкою номінальної нормованої трива­лості роботи (10, 30, 60 і 90 хв). Вибір двигуна здійснюють так само, як і в тривало­му режимі, використовуючи номінальні дані, що відповідають дійсному часу робо-

ти. Якщо час роботи відрізняється від нормованого, реальні параметри двигуна (по­тужність, струм, момент) приводять до найближчого обраного нормованого часу.

Існує ще один режим роботи двигуна - повторно-короткочасний, при

якому робочі періоди (tp) чергуються з паузами (tH); причому в робочий період двигун не встигає нагрітися до сталої температури, а в період паузи - охоло­нути до температури навколишнього середовища.

Повторно-короткочасний режим характеризується відносною триваліс­тю включення, що визначається як

ПВ = —L -100%. (14.26)

tp + tn

Для повторно-короткочасного режиму так само, як і для короткочасного, випускають спеціальні двигуни з підвищеними пусковими моментами. Нормована відносна тривалість включення таких двигунів 15, 25, 40, 60%. При цьому врахо­вується, що час циклу не перевищує 10 хв, у противному випадку режим вважа­ють тривалим. У каталогах для двигунів повторно-короткочасного режиму вказу­ють їхні номінальні дані для кожного нормованого (стандартного) значення ПВст. Вибір двигуна виконують так само, як і для тривалого режиму, використовуючи номінальні дані для відповідного значення ПВст. Якщо дійсна тривалість вклю­чення (ПВ) відрізняється від стандартної (ПВст), двигун вибирають за номінальни­ми даними, відповідними найближчому ПВст. При цьому реальні параметри дви­гуна (потужність, струм, момент) приводять до обраного значення ПВст.