Номинальные режимы работы двигателей S1, S2, S3.

Номинальный режим S1 называется продолжительным режи­мом работы, при котором двигатель работает длительно с посто­янной номинальной нагрузкой и за время работы успевает на­греться до установившейся температуры. Зависимости мощности на валу Р, мощности потерь и превышения температуры т от времени для режима S1 представлены на рис. 5.9. Время работы в этом режиме много больше времени нагревания двигателя, по­этому установившееся превышение температуры не должно быть

больше допустимого. Условию соответствуют указывае­мые на щитке двигателя продолжительного режима номинальные значения

Двигатели номинального продолжительного режима работы предназначаются для использования преимущественно для об­ширной группы электроприводов механизмов непрерывного дей­ствия.

Номинальный режим S2 называется кратковременным режи­мом работы. В этом режиме периоды работы двигателя с номи­нальной нагрузкой чередуются с периодами отключения двигате­ля, причем за время работы двигатель не успевает нагреться до установившейся температуры, а за время отключения (паузы) ус­певает охладиться до температуры окружающей среды (рис. 5.10). Благодаря последнему условию начальное превышение темпера­туры при каждом включении равно нулю, а достигаемая за вре­мя работы температура двигателя в соответствии с (5.29)

определяется номинальной нагрузкой, временем и постоян­ной времени нагрева Следовательно, номинальная мощность двигателя режима S2 соответствует вполне определенному номи­нальному времени работы , которое указывается на щитке двигателя и в каталогах. Значения стандартизованы: =15; 30; 60; 90 мин.

Если по истечении времени двигатель не отключается, то

его температура, как показано на рис. 5.10, продолжает возрас­тать до , что может повлечь за собой ускоренный износ изоляции и даже выход двигателя из строя.

Двигатели кратковременного режима работы широко исполь­зуются на электрическом транспорте и относительно редко в промышленном электроприводе для различных вспомогательных кратковременно работающих механизмов.

Номинальный режим S3 называется повторно-кратковремен­ным. В этом режиме цикл работы содержит одно включение дви­гателя и одну паузу (см. рис. 5.11), причем за время работы двига­тель не успевает нагреться до установившейся температуры, а за время паузы не успевает охладиться до температуры окружающей среды. На рис. 5.11 представлен цикл, соответствующий устано­вившемуся процессу нагрева, при котором все тепло, выделивше­еся в двигателе за время цикла, отдается в окружающую среду и превышение температуры колеблется вблизи среднего значе­ния . Для того чтобы значения максимального превышения температуры незначительно отличались от среднего значения, необходимо выполнение условия поэтому наи­большее время цикла регламентировано и составляет 10 мин.

Главной характеристикой повторно-кратковременного режима является продолжительность включения двигателя

t Рис. 5.11. Номинальный режим S3

причем номинальные значения ПВ_ном составляют 15, 25, 40, 60 и 100%. На щитке двигателя указываются номинальные значения соответствующие конкретному указанному на щит­ке значению номинальной продолжительности включения ПВ_ном. В каталогах приводятся номинальные данные для всех номиналь­ных ПВ, в том числе и для ПВ_ном= 100%, что соответствует рабо­те двигателя режима S3 в продолжительном режиме S1.

Полезно сопоставить двигатель режима S3, работающий при ПВ_ном= 100%, с двигателем режима S1, предназначенным для ра­боты с ПВ_ном= 100%. Двигатель повторно-кратковременного режи­ма проектируется для работы в основном режиме ПВ_ном= 25% или ПВ_ном= 40%, его параметры оптимизированы для этого основно­го режима. Благодаря наличию паузы в цикле работы в период двигатель можно перегрузить при ПВ_Н0М= 25% примерно вдвое в сравнении с продолжительным режимом работы. При этом долж­на быть обеспечена требуемая перегрузочная способность

Максимальный момент двигателя обеспечивается его конст­руктивными данными и не зависит от ПВ. Поэтому при работе двигателя режима S3 в продолжительном режиме его перегрузоч­ная способность составит

Эта перегрузочная способность избыточна, двигатель имеет худшие массо-габаритные показатели, чем двигатель режима S1, рассчитанный на ПВ_ном= 100% и имеющий нормальную для это­го режима перегрузочную способность X— 2+2,5. Однако двига­тель режима S1 нельзя использовать в режиме ПВ_ном=25%: по нагреву его можно перегрузить в этом случае в 2 раза, но доста­точного запаса по моменту для переходных процессов при такой нагрузке не будет.

Эти несложные рассуждения наглядно демонстрируют необхо­димость создания специальных серий двигателей для различных режимов работы и рациональность использования двигателей в тех режимах, для которых они рассчитаны.

Рассмотренные режимы SI, S2, S3 являются основными и до сравнительно недавнего времени другие номинальные режимы не предлагались. Разработанные в теории электропривода инже­нерные методы эквивалентирования режимов работы двигателей по нагреву позволяют решать задачи выбора двигателей на осно­ве этих трех номинальных режимов для всех практических случа­ев. Действующий ГОСТ расширил номенклатуру номинальных режимов до S8 в целях облегчения выбора двигателей для кон­кретных осложненных обстоятельств.

2.2 Нагрузочные диаграммы механизма и двигателя.

нагрузка двигателя является ос­новным фактором, определяющим потери энергии, выделяющи­еся в двигателе при работе. В соответствии с основным уравне­нием движения она зависит от статической нагрузки и динами­ческих моментов, обусловленных изменениями скорости элект­ропривода:

Нагрузочными диаграммами электропривода называются зави­симости, определяющие его статические и полные нагрузки как функции времени в процессе работы. Соответственно различают два вида нагрузочных диаграмм. Нагрузочной диаграммой испол­нительного механизма называется зависимость момента статиче­ской нагрузки от времени дополненная заданной тахограммой установившихся рабочих скоростей Нагрузочная диаграмма двигателя — зависимость момента двигателя от време­ни соответствующая известной зависимости текущей скорости электропривода от времени

Расчет нагрузочной диаграммы двигателя может быть произве­ден с помощью (5.31), если известны нагрузочная диаграмма ис­полнительного механизма, суммарный момент инерции электро­привода и зависимость На первых этапах проектиро­вания до выбора двигателя не определены, поэтому основой предварительного выбора двигателей и расчета нагру­зочных диаграмм двигателей являются нагрузочные диаграммы исполнительного механизма, рассчитываемые по техническому заданию на проектирование. Нагрузочные диаграммы двигате­ля — зависимости M(t) в сочетании с зависимостями поз­воляют рассчитать токи, суммарное тепловыделение в двигателе и осуществить проверку правильности предварительно­го выбора двигателя.

Все многообразие производственных механизмов с точки зре­ния режимов работы электропривода можно разделить на две большие группы: механизмы непрерывного и механизмы цикли­ческого действия. Для электроприводов механизмов, относящих­ся к этим группам, характерны вполне определенные зависимо­сти и, в конечном счете, определенные типовые на­грузочные диаграммы двигателей M(t). Заметим, что на вид за­висимостей принципиальное влияние оказывает требование изменения направления движения механизма, в соответствии с которым различают нереверсивные и реверсивные электропри­воды. Эта классификация при выборе двигателей по нагреву принципиального значения не имеет, однако, оказывает решаю­щее влияние на проектирование системы управления электро­приводом и поэтому ее следует иметь в виду.

Начнем рассмотрение с нагрузочных диаграмм механизмов не­прерывного действия. Примером механизма непрерывного дей­ствия, пуск которого осуществляется в начале смены, а отключе­ние — в конце смены или после нескольких смен непрерывной работы, является вентилятор. Так как регулирование скорости не предусматривается, а нагрузка постоянна, нагрузочная диаграм­ма двигателя не отличается от нагрузочной диаграммы вентиля­тора: (рис. 5.7,а). Аналогичный ре­жим работы, например, для эскалатора метрополитена будет от­личаться изменениями во времени статической нагрузки обусловленной изменениями потока пассажиров. В соответствии с механической характеристикой двигателя

изменения будут вызывать изменения скорости и в пере­ходных процессах динамические нагрузки будут оказывать влия­ние на нагрузочную диаграмму двигателя, степень которого зави­сит от нагрузочной диаграммы исполнительного механизма и от параметров электропривода.

Для анализа степени влияния динамических нагрузок механиз­мов непрерывного действия на нагрузочные диаграммы двигате­лей рассмотрим нагрузочную диаграмму механизма, представ­ленную на рис. 5.7б. Цикл работы механизма состоит из четырех участков работы с постоянным моментом нагрузки соответ­ственно нагрузочная диаграмма исполнительного меха­низма показана на рисунке тонкой сплошной линией, а за­данная скорость — штриховой линией

Естественная механическая характеристика двигателя приведе­на на рис. 5.7,в, там же показаны нагрузки Вследствие ограниченной жесткости механической характеристики измене­ния нагрузки приводят к изменениям установившейся скорости

Рис. 5.7. Нагрузочные диаграммы при непрерывном режиме работы (а, б, г) и механические характеристики двигателя (в)

электропривода. Переходный процесс при изменении нагрузки скачком в соответствии с (4.54) и (4.55) для i-го участка нагрузо­чной диаграммы можно при представить уравнениями:

причем отсчет времени для i-го участка ведется от

Рассматривая (5.32), видим, что основное влияние на характер нагрузочной диаграммы двигателя при ступенчатом графике оказывает в соответствии со свойством экспоненты соотно­шение длительности приложения нагрузки и электромеха­нической постоянной времени . Случай, когда представлен на рис. 5.7,5 — зависимости M(t) и изображены сплошными жирными линиями. Его характер­ной особенностью является достижение установившейся скоро­сти на каждом из участков в соответствии с рис. 5.7,в. При этом динамические нагрузки, показанные на рис. 5.7,6 верти­кальной штриховкой, незначительно влияют на нагрев двигателя и проверку двигателя по перегрузочной способности можно про­изводить по нагрузочной диаграмме исполнительного механизма, так как

Иные условия складываются, если Предположим, что увеличение Т_м произошло вследствие соответствующего уве­личения Для рассматриваемой нагрузочной диаграммы меха­низма графики M(t) и при представлены на рис. 5.7,г. Нетрудно видеть, что большая механическая инерция привода является фактором, благоприятно влияющим на нагру­зочную диаграмму двигателя. Нагрузочная диаграмма сглажива­ется, размах колебаний момента уменьшается и в пределе при . Так как снижаются требования к перегрузочной способности двигателя, а сглажива­ние зависимости M(t) обеспечивает снижение переменных по­терь, пропорциональных квадрату момента (тока).

В технике рассматриваемый эффект используется в электро­приводах механизмов, работающих с ударной нагрузкой на валу (прессы, ножницы для резки металла и т. п.). Для увеличения суммарного момента инерции в таких механизмах на промежу­точном валу передач устанавливается маховик, соответственно (прессы, ножницы для резки металла и т. п.). Для увеличения суммарного момента инерции в таких механизмах на промежу­точном валу передач устанавливается маховик, соответственно такие электроприводы называются маховиковыми. Запасенная на предшествующем этапе энергия в увеличенных за счет махо­вика инерционных массах привода при ударе реализуется в боль­ших динамических нагрузках на рабочем органе за счет освобо­ждающейся кинетической энергии при снижении скорости.

Из выражения следует, что увеличение Т_м может быть обеспечено соответствующим уменьшением жесткости ме­ханической характеристики. Если принять, что значение Т_м на рис. 5.7,г получено не за счет увеличения а за счет уменьше­ния как показано на рис. 5.7,в, то кривая не претерпит изменений, сглаживание нагрузочной диаграммы дви­гателя реализуется при любом способе увеличения одинаково. Однако неравномерность хода, определяемая по кривой дол­жна существенно возрасти: при том же разбросе измене­ния скорости в несколько раз больше, чем при . Это естественно, так как при том же реализовать те же требуемые для преодоления пиковой нагрузки изменения кине­тической энергии можно только за счет увеличения

Рассмотрим нагрузочные диаграммы механизмов циклического действия. Их главной особенностью является наличие в рабочем цикле одного или нескольких пусков, реверсов, торможений. При этом в техническом задании на проектирование электропривода, кроме данных, необходимых для расчета статических нагрузок, указываются исходные данные для расчета зависимости

К их числу относятся: заданные перемещения на уча­стках цикла работы; допустимое или требуемое ускорение ; ра­бочая скорость ; время цикла t_ц или число циклов в час N_u. Эти данные позволяют рассчитать зависимость и построить нагрузочную диаграмму исполнительного механизма В ка­честве примера на рис. 5.8 построены зависимости M_c(t) и для механизма циклического действия, цикл которого состоит из участка движения от места загрузки к месту выгрузки, и участка возвращения к месту загрузки. Расчет нагрузочной диаграммы двигателя M(t), показанной на этом рисунке, производится с по­мощью (5.31).

В заключение необходимо еще раз отметить, что на первона­чальном этапе проектирования электропривода до выбора двигателя расчет нагрузочной диаграммы двигателя невозможен, так как неизвестны и другие параметры. На этом этапе осуще­ствляют предварительный выбор двигателя по нагрузочной диа­грамме исполнительного механизма, пытаясь ориентировочно учесть влияние динамических нагрузок на требуемую мощность двигателя. Для механизмов непрерывного действия необходимо учитывать, как выше показано, возможное выравнивание, сгла­живание нагрузочной диаграммы двигателя и соответствующее снижение потерь в двигателе. Для механизмов циклического дей­ствия динамические нагрузки, как следует из рассмотрения рис. 5.8, увеличивают потери в двигателе и во многих случаях вы­бор двигателя по зависимости M_c(t) без оценки влияния динами­ческих нагрузок недопустим. Поэтому в сложных случаях про­цесс выбора двигателя осуществляется в три этапа:

1) по нагрузочной диаграмме исполнительного механизма с грубой оценкой влияния динамических нагрузок осуществляют предварительный выбор двигателя;

2) для выбранного двигателя рассчитывают нагрузочную диа­грамму двигателя и проверяют двигатель по нагреву;

3) если двигатель перегружен или недоиспользуется, по уточ­ненной оценке влияния динамических нагрузок повторяют вы­бор и проверку вновь выбранного двигателя.

Рис. 5.8. Нагрузочная диаграмма электропривода циклического действия