Методика выбора электродвигателя для привода объекта управления в САУ

Введение
Правильный выбор электродвигателей для производственных механизмов гарантирует их бесперебойность и надежность работы в течении всего нормативного срока службы. Это очень важный процесс, в котором должны учитываться много различных факторов и критериев. Одним из самых важны факторов является учет характера и типа нагрузки. Цель: выявить методику выбора электродвигателя для привода объекта управления в САУ.Задачи:1. Рассмотреть критерии выбора двигателя2. Определить классификацию номинальных режимов работы ЭД в автоматизированном электроприводе3. Предоставить информацию о расчете мощности и выборе электродвигателейГлава 1. Выбор двигателяКритерии выбора двигателя:Основой для расчета мощности и выбора двигателей являются нагрузочная диаграмма и диаграмма скорости (тахограмма) исполнительного органа рабочей машины. Нагрузочной диаграммой исполнительного органа рабочей машины является зависимость приведенного к валу двигателя статического момента нагрузки от времени Мс (t) или Рс (t). Эта диаграмма рассчитывается на основании технологических данных, характеризующих работу рабочих машин.Диаграммой скорости или тахограммой называется зависимость скорости движения исполнительного органа от времени υс (t) или ωс (t). После выполнения операции приведения эти зависимости изображаются в виде графика ω (t).Нагрузочные диаграммы показывают, что данный исполнительный орган создает при своей работе постоянный момент нагрузки Мс=const, а его движение состоит из участков разгона, движения с установившейся скоростью, торможения и паузы.Выбор двигателя заключается в подборе для соответствующего механического оборудования электродвигателя, подходящего по роду тока, напряжению, мощности и частоте вращения.Выбор двигателя и типа ЭД представляет собой важную и достаточно сложную задачу. Правильно выбранный двигатель должен обеспечить выполнение технологического процесса при наименьших затратах энергии, установленной мощности и эксплуатационных затратах. С этой точки зрения установка двигателя завышенной мощности крайне нежелательна. Это увеличивает первоначальные затраты, усложняет конструкцию и увеличивает ее размеры. ЭД повышенной мощности окажется недогружен в процессе эксплуатации и будет работать с низким КПД и cоs φ (если это двигатель переменного тока). Обычно конструкторы по аналогии с запасом прочности механических конструкций стремятся создать «запас мощности» ЭД и завышают ее. Это стремление не только бесполезно, но и крайне вредно с энергетической точки зрения.С другой стороны, выбор двигателя недостаточной мощности приводит к уменьшению производительности механизма. При перегрузке ЭД увеличиваются потери мощности и нагрев двигателя, который ускоряет старение изоляции. Таким образом, при выборе двигателя по мощности следует придерживаться золотой середины и с возможной точностью определять ее значение.Основным критерием выбора мощности электродвигателя является его нагрев. Жесткие ограничения по нагреву, существующие в электрических машинах, связаны с нагревостойкостью изоляции обмоток. Номинальная мощность ЭД определяется исходя из допустимого нагрева изоляции. При перегрузке двигателя температура изоляции увеличивается, что ведет к преждевременному старению изоляции и ухудшению ее диэлектрических свойств При превышении допустимой температуры изоляции на 8…10 ºС срок ее службы уменьшается в 2 раза.Изоляционные материалы по нагревостойкости разделяются на классы в зависимости от максимальной допустимой температуры. Максимальная температура изоляции зависит не только от нагрузки ЭД, но и от температуры окружающей среды. При расчете тепловых режимов и выборе мощности ЭД температуру окружающей среды принимают равной 40ºС.В ЭД существует ряд ограничений, которые необходимо учитывать при выборе мощности. Наиболее существенными являются ограничения по перегрузочной способности. Допустимая перегрузка асинхронного двигателя определяется максимальным или критическим моментом, который имеет конкретное значение, приведенное в каталогах. Перегрузка двигателей постоянного тока лимитируется условиями коммутации и не имеет такого четкого ограничения. Условия коммутации зависят от нагрузки и скорости двигателя (допустимые нагрузки ЭД по моменту приводят в каталогах в виде графиков).Вторым видом ограничений, характерным для асинхронных короткозамкнутых двигателей, являются ограничения по пусковому моменту. При включении ЭД пусковой момент должен превышать момент нагрузки, иначе пуск осуществить невозможно. Малая разность между этими моментами приведет к длительному «вялому» пуску.Критерием выбора мощности двигателя можно считать максимальное ускорение, которое способен обеспечить ЭД в системе автоматического электропривода. Среднее ускорение в переходных режимах определяется отношением динамического момента к моменту инерции механической системы электропривода.Таким образом, выбор двигателя по мощности носит итеративный характер и его следует выполнять в несколько этапов. Прежде всего предварительно выбирают двигатель этот выбор можно произвести по аналогии с уже существующей конструкцией механизма, по ориентировочному расчету или по инженерной интуиции, которой должен обладать каждый конструктор.Затем выбранный ЭД необходимо проверить по нагреву, перегрузочной способности и условиям пуска. В случае неудовлетворительного результата выбирают новый двигатель и повторяют расчет.Глава 2. Классификация номинальных режимов работы ЭД.Режимы работы ЭД в автоматизированном электроприводе весьма разнообразны. Они отличаются:длительностью и характером приложения нагрузки;продолжительностью пауз;переходными процессами пуска и торможения.Каждый электродвигатель выпускается для конкретного режима работы, который называется номинальным. При выборе электродвигателя реальный режим работы должен быть сопоставлен с номинальным режимом работы. Для облегчения такого сопоставления номинальные режимы работы нормированы и разделены на группы. Классификация номинальных режимов работы представлена следующей структурно-логической схемой.842303-146050НОМИНАЛЬНЫЕ РЕЖИМЫ РАБОТЫ00НОМИНАЛЬНЫЕ РЕЖИМЫ РАБОТЫНОМИНАЛЬНЫЕ РЕЖИМЫ РАБОТЫНОМИНАЛЬНЫЕ РЕЖИМЫ РАБОТЫ Основа классификации- влияние режимов работы ЭД на нагрев. При этом длительность режима сопоставляется2834640-194310000 с тепловой инерционностью двигателя и постоянной времени нагрева. 30480001828800032766001828800083820018288000ОСНОВНЫЕ РЕЖИМЫ S1 S 2 S3Продолжительный кратковременный повторно-кратковременный характеризуется неизменной режим, при котором режим, при которомнагрузкой, приложенной к неизменяемая нагрузка нагрузка имеет двигателю на такое длительное прикладывается к ЭД на циклический характервремя, что превышение время, недостаточное для и состоит из кратко-температуры всех частей достижения установившегося временных периодовдвигателя достигает превышения температуры, неизменяемой нагрузки 4997450-76835000установившегося значения. после чего ЭД отключается и коротких пауз. на столь длительное время, что все его части охлаждаются 2940050123190Разновидности 00Разновидности до температуры окружающейРазновидности Разновидности среды. S4-повторо-кратковременныйс частыми пусками;S5-повторно-кратковременныйс частыми пусками и электрическимторможением;S6- перемежающийся режим;S7- перемежающийся режим с частыми реверсами;S8- перемежающийся режим с двумя и более скоростями.Первые три режима являются основными. Двигатели, выпускаемые электротехнической промышленностью, рассчитываются для работы в одном из этих режимов.Продолжительный режим работы характерен для двигателей вентиляторов, насосов, компрессоров, транспортеров, мощных металлорежущих станков и др.. График продолжительного режима работы с постоянной нагрузкой представлен на рисунке 1.182880032956500 Р,Ө 220853055245002574290552450022085305524500184277012509500220853012509500 Өу Ө175260014478000Рисунок 1 Кратковременный режим работы характерен для двигателей затворов шлюзов, подъемных механизмов разводных мостов и т. п. Продолжительность работы двигателя в кратковременном режиме нормализована и составляет 15; 30; 60 и 90 минут. График кратковременного режима работы приведен на рисунке 2.36576005778500 Р228600149225006858001263650068580012636500129540012636500 Р467741033020004951730330200046774103302000431165033020003945890330200039458903302000 Ө6858001949450012954001949450043116501143000467741011430003945890114300036715701143000 Ө 4585970812800035814001492250019685012954000 Рисунок 2 Рисунок 3При повторно-кратковременном режиме работы периоды работы и паузы не настолько длительны. Чтобы температура достигла установившегося значения. такой режим работы характерен для двигателей подъемно-транспортных механизмов, прессов, штамповочных машин и некоторых металлообрабатывающих станков. Максимальная продолжительность цикла в повторно-кратковременном режиме принята равной 10 минут. Кроме того, нормируется относительная продолжительность включенияПВ= (tр/tц) 100%.Стандартное значение продолжительности включения составляет 15; 25; 40 и 60 %.График нагрузки при повторно-кратковременном режиме показан на рисунке 3.Глава 3. Расчет мощности и выбор электродвигателейПроцедура проектирования электропривода начинается с обоснования требований к нему и выбора в соответствии с указанными требованиями электропривода по роду тока и принципу действия. На рисунке 4 (а,б) показаны основные варианты электроприводов, получающих питание от источника переменного или постоянного тока.Выбор типа двигателя по роду тока и принципу действия для регулируемых электроприводов обусловлен диапазоном регулирования скорости, характером изменения нагрузки, статизмом (точностью) при регулировке и т.д., т.е. всеми теми факторами, которые определяют технико-экономические показатели электропривода. Предпочтение отдается той системе электропривода, которая при максимальном соответствии техническим требованиям обеспечивает максимальный производственный эффект.4128770132715 =00 =836930132715 ~00 ~а) б) = = ~ ~4951730180975001751330180975004677410159385004403090159385003671570679450013855701593850013855701593850014770101593850012026901593850011112501593850056261015938500-152400228600АД (кзр)00АД (кзр)1905000228600УВ-ДПТ00УВ-ДПТАД (кзр)АД (кзр)УВ-ДПТУВ-ДПТ4860290917575ДПТ СВ00ДПТ СВ3305810917575ДПТ ПВ00ДПТ ПВ48602903175ИП-ДПТ00ИП-ДПТ33058103175ДПТ НВ00ДПТ НВДПТ СВДПТ СВДПТ ПВДПТ ПВИП-ДПТИП-ДПТДПТ НВДПТ НВ685800457200017526004572000-22860022860АД (фр)00АД (фр)182880022860ПЧ-АД00ПЧ-АДАД (фр)АД (фр)ПЧ-АДПЧ-АД16764002057400060960091440001905000182880ПЧ-СД00ПЧ-СД-228600182880СД00СДПЧ-СДПЧ-СДСДСД6858000 АВК00 АВК АВК АВКРисунок 4Выбор серийных двигателей производиться с учетом следующих показателей:Род тока. Двигатель должен иметь род и величину напряжения, соответствующие сетям переменного или постоянного тока данного предприятияЗначение скорости. Выбор номинальной скорости двигателя вновь проектируемого электропривода осуществляется в зависимости от скорости исполнительного органа и передаточного числа редуктора (механические передачи) и должен производиться путем технико-экономического сравнения нескольких вариантовКонструктивное исполнение. Конструкция выбираемого двигателя должна соответствовать условиям его компоновки с исполнительным органом. Выпускаемые двигатели имеют разнообразное конструктивное исполнение по расположению валов и способам крепления на рабочей машине.Способ вентиляции и защиты от действий окружающей среды. От правильного выбора двигателя для работы в определенных условиях окружающей среды зависят его долговечность, надежность и безопасность обслуживания. Выбор двигателя в математическом отношении представляет собой задачу синтеза, в результате решения которой должен быть найден такой двигатель, который обеспечивает заданный технологический цикл рабочей машины, соответствует условиям окружающей среды и компоновки с рабочей машиной и при этом будет иметь нормативный нагрев.Основным требованием при выборе двигателя является соответствие его мощности условиям технологического процесса рабочей машины. При выборе электродвигателя должно проверяться также его соответствие условиям пуска рабочей машины и возможности перегрузок. Выбор электродвигателя производится обычно в следующей последовательности:Расчет мощности и предварительный выбор двигателя;Проверка выбранного двигателя по условиям пуска и перегрузки;Проверка выбранного двигателя по нагреву.Если предварительно выбранный двигатель удовлетворяет условиям проверки, то на этом выбор двигателя заканчивается. Если же выбранный двигатель не удовлетворяет условиям проверки, то выбирается другой двигатель (как правило большей мощности) и проверка повторяется.Следует отметить, что проверка двигателя по нагреву выполняется не только при выборе вновь проектируемого электропривода, но и для работающих двигателей для определения их загрузки и теплового режима.При постоянной нагрузке определяется мощность или статический момент механизма, приведенные к валу двигателя, и по каталогу выбирается двигатель, имеющий ближайшую не меньшую номинальную мощность.При длительной переменной нагрузке определение номинальной мощности двигателя производят по методу средних потерь, либо методу эквивалентных величин.Метод средних потерь:а) По графику нагрузки определяют среднюю за цикл мощность по формулеΡср=(1/tц ) *Σ Pk*tkгде k- число участков графика нагрузки.б) По каталогу (2) выбирают ЭД мощностью Рном= (1,1- 1,3) Рср,где коэффициент 1,1…1,3 учитывает инерционность привода и нагрузку, связанную с динамическим моментом привода.в) Определяют потери выбранного двигателя на каждом участке графика нагрузки:Δ P k= [ Pk*(1-η k)]/ ηkЗначение КПД при частичных нагрузках находят по каталогу.г) Определяем средние потери по формуле:ΔΡср=(1/tц ) *Σ Δ Pk*tkд) Сравнивают средние потери с номинальными потерями двигателя, которые рассчитываются по формуле:Δ Pном = [ Pном*(1-η ном)]/ ηномЕсли ΔΡср≤ Δ Pном , то двигатель выбран правильно .В то же время по условиям работы асинхронный двигатель допускает допустимую перегрузку не более 10 %.Метод эквивалентных величин основан на методе средних потерь и является более простым. Различают метод эквивалентного тока, метод эквивалентного момента и метод эквивалентной мощности.Метод эквивалентного тока удобен. Когда исходным графиком нагрузки является зависимость I (t). Обычно эту зависимость получают экспериментально с помощью самопишущего прибора. Если зависимость I (t) необходимо получить расчетным путем, то предварительно выбирают двигатель, а затем для каждого участка графика нагрузки определяют ток, потребляемый из сети. Для асинхронного трехфазного двигателяIk=Pk/(√Uном* ηk*cosφk) , где k= 1,2, …, n;где ηk и cosφk определяют по каталогам для каждой относительной нагрузки Pk/ Рном.Исходя из того, что общие потери двигателя делятся на постоянные и переменные, которые пропорциональны квадрату тока, получаем:ΔP==ΔPпост+ΔPпер.ном(I/Iном)²;На основании формулы средних потерь можно записать:ΔPср= ΔPпост+ΔPпер.ном(I/Iном)²= (1/tц )∑ ΔPпостtk + (1/tц )∑ ΔPпер.ном(I k/Iном)²*tk;сократив постоянные величины в левой и правой части, получаем значение эквивалентного тока:I=√1/tц∑Ik²tk.Таким образом, эквивалентное значение представляет собой среднеквадратическое значение тока за время цикла.Метод эквивалентного тока применяют для проверки правильности выбора ЭД. Если I э≤Iном, двигатель выбран правильно. Метод эквивалентного момента основан на предположении о прямой пропорциональной зависимости между моментом и током. Для электродвигателя постоянного тока эта зависимость выполняется строго. В асинхронных двигателях линейная связь между током и моментом существует только при больших нагрузках, в области, близкой к холостому ходу, эта зависимость является нелинейной.Если предположить, что I=M/c, где с=const, тоМэ= √(1/tц )∑М²ktk.Метод эквивалентного момента удобен для выбора двигателя привода подачи, когда график нагрузки задан в виде зависимости М (t). Тогда определяют эквивалентный момент и затем по каталогу выбирают двигатель, у которого Мном≥ Мэ.В этом случае путь выбора двигателя намного проще, чем при использовании метода средних потерь или эквивалентного тока.Метод эквивалентной мощности является дальнейшим развитием методов эквивалентных величин. Если предположить, что за время цикла скорость двигателя остается постоянной и равной номинальной скорости ωном, то можно произвести замену Мk= Рk/ ωном.Откуда эквивалентная мощностьРэ= √(1/tц )∑ Р²ktk.Данная формула наименее точная из всех формул эквивалентных величин. При ее выводе сделано наибольшее количество серьезных допущений. Однако эта формула очень удобная для расчетов. Так как позволяет по графику нагрузки Р (t) найти эквивалентную мощность за время цикла и затем по каталогу выбрать ЭД, номинальная мощность которого Рном≥ Рэ.
Заключение
В данной работе мы рассмотрели ключевые пункты, такие как критерии выбора двигателя, классификацию номинальных режимов работы ЭД, расчет мощности и выбор электродвигателей для определения методики выбора электродвигателя для привода объекта управления в САУ.Выбор электродвигателя производится обычно в следующей последовательности:Расчет мощности и предварительный выбор двигателя;Проверка выбранного двигателя по условиям пуска и перегрузки;Проверка выбранного двигателя по нагревуЕсли предварительно выбранный двигатель удовлетворяет условиям проверки, то на этом выбор двигателя заканчивается. Если же выбранный двигатель не удовлетворяет условиям проверки, то выбирается другой двигатель (как правило большей мощности) и проверка повторяется.Проверка двигателя по нагреву выполняется при выборе вновь проектируемого электропривода для определения их загрузки и теплового режима.При постоянной нагрузке определяется мощность или статический момент механизма, приведенные к валу двигателя, и по каталогу выбирается двигатель, имеющий ближайшую не меньшую номинальную мощность.При длительной переменной нагрузке определение номинальной мощности двигателя производят по методу средних потерь, либо методу эквивалентных величин.
Список литературы
Епифанов, А.П. Основы электропривода: учебное пособие/ А.П. Епифанов. – 2-е изд. – СПб.: Лань, 2009. – 192 с.Методическая разработка учебного занятия по теме «Выбор двигателя» учебной дисциплины «Электропривод» // URL: https://infourok.ru/metodicheskaya-razrabotka-uchebnogo-zanyatiya-po-teme-vybor-dvigatelya-uchebnoj-discipliny-elektroprivod-4142935.html (дата обращения: 20.01.2021).Электропривод и электрооборудование / А.П. Коломиец, Н.П. Кондратьева, И.Р. Владыкин, С.И. Юран. – М.: КолосС, 2008. – 328 с.Шичков, Л.П. Электрический привод / Л.П. Шичков. – М.: КолосС, 2006. – 279 с.Электропривод: практикум / Е.А. Шабаев, Н.Е. Пономарева, Д.М. Таранов и др. – Зерноград: ФГБОУ ВПО АЧГАА, 2013. – 94 с.