Требования, предъявляемые к регулируемому электроприводу

Неавтоматическим регулированием скорости называют изменение скорости электродвигателя посредством специального устройства или приспособления, независимо от характера и величины нагрузки.

Установленная при регулировании скорость при условии отсутствии воздействия на регулирующее приспособление в дальнейшем будет изменяться по механической характеристике электропривода в соответствии с нагрузкой.

Регулируемым электроприводом называют такой электропривод, в котором скорость может изменяться или эпизодически, или непрерывно, независимо от нагрузки. В современной практике он встречается практически во всех устройствах, питающихся электрической энергией. Правильный выбор регулируемого электропривода позволяет обеспечить должное протекание технологического процесса рабочей машины, повысить качество изготовляемой продукции и в ряде случаев упростить кинематику рабочей машины.

При выборе типа регулируемого привода и его оценке важны следующие характеристики:

  • Изменение скорости электропривода, обусловленной жесткостью его механической характеристики;
  • Пределы регулирования или диапазон – отношение максимальной скорости вращения при номинальном токе к минимальной при тех же условиях;
  • Количество ступеней скорости внутри диапазона регулирования, которое может изменяться от двух до очень большого числа;
  • Экономичность системы как в отношении затрат энергии и эксплуатационных затрат, так и в отношении стоимости покупки;
  • Соответствие характера изменения допустимого по условию нагрева момента электропривода при регулировании по закону изменения статического момента механизма в функции скорости;

Стремление современного машиностроения к упрощению кинематики производственных машин выражается в уменьшении количества различного рода передач (редуктора, шкивы и другое оборудование) в управлении системой электропривода. При таких условиях диапазон регулирования скорости сильно расширяется. Для примера, диапазон регулирования скорости главного движения для металлорежущих станков может составлять: для токарных 20 – 120, вертикально-сверлильных 2 – 12, фрезерных 20 – 30. Диапазон регулирования вспомогательных движений станков, в частности подач, может быть 5 – 200.

Бумагоделательная машина, изготавливающая высококачественные сорта бумаги, требует диапазон регулирования 10, а машины для производства специальных сортов бумаги все 20, а иногда и более.

Электроприводы станов горячей прокатки требуют диапазона регулирования от 3 до 10. Для станов холодной прокатки он может быть еще больше.

При регулировании, помимо обеспечения требуемого диапазона регулирования скорости, весьма существенным нюансом является и обеспечения соответствия закона изменения статического момента рабочей машины, и соблюдение допустимого нагрева электродвигателя.

Поясним это. Для обеспечения высокой производительности и качества поверхности изделий, обрабатываемых на металлорежущих станках, целесообразно поддерживать постоянными скорость и усилие резания, то есть Vр = const и Fр = const. При этом обработка должна вестись при постоянной мощности резания Рр = Vр∙ Fр = const.

При обработке на токарном станке торцевых поверхностей (меняющийся диаметр) сохранение постоянства мощности резания при неизменном усилии и скорости резания требуют увеличения угловой скорости вращения изделия. Таким образом, при сохранении неизменной мощности резания статический момент нагрузки должен изменяться обратно пропорционально быстроте вращения рабочего органа станка – его шпинделя с изделием, то есть Мс = с/n.

При подъеме груза краном или при работе грузового подъемника момент на валу барабана подъемного механизма будет оставаться неизменным независимо от быстроты движения груза. Подобная категория механизмов относится к группе машин, работающих при Мс = const.

Генератор постоянного тока с неизменным независимым возбуждением при включении его на нагрузочное сопротивление постоянной величины создаст на валу приводного двигателя статический момент, пропорционален частоте вращения вала, то есть Мс = с∙n.

Центробежные механизмы: вентиляторы, эксгаустеры, компрессоры, насосы относятся к группе, для которых статический момент пропорционален квадрату скорости, то есть Мс = с∙n2. При больших скоростях зависимость момента от частоты вращения усиливается: в отдельных случаях зависимость может приобрести кубическую и даже четвертую степень.

Таким образом, по характеру зависимости статического момента и мощности от скорости вращения рабочие механизмы могут быть классифицированы следующим образом:

klassifikaciya-rabochix-mexanizmov-po-xarakteru-zavisimosti-staticheskogo-momenta-i-moshhnosti-ot-skorosti

На фигуре ниже показаны различные зависимости статического момента от частоты вращения:

zakony-zavisimosti-staticheskix-momentov-rabochix-mexanizmov-ot-skorosti

Рациональное использование электродвигателя рабочей машины, требующей регулирования частоты вращения, будет иметь место в том случае, когда эквивалентный момент электрической машины по нагреву при изменении рабочей скорости будет изменяться по тому же закону, как и статический момент. При отсутствии такого совпадения электродвигатель будет плохо использован в одной части диапазона изменения частоты вращения, и может оказаться перегруженным в другой.

Нужно отметить, что возможности электроприводов в отношении различных законов зависимости эквивалентного момента от частоты вращения значительно уже. Как правило, можно иметь только два вида зависимостей P = const и P = c∙n.

Рассмотрим это на примере двигателя постоянного тока с независимым возбуждением.

При регулировании скорости электродвигателя путем введения в цепь якоря добавочного сопротивления магнитный поток машины останется неизменным, то есть Ф = const. Если условия охлаждения электрической машины остаются неизменными при любых оборотах вала (независимое охлаждение), двигатель по условиям нагрева на всем диапазоне регулирования может работать с номинальным током Iном = const, при этом не перегреваясь сверхдопустимой температуры.

В таких условиях электродвигатель может работать при М = kmIномФ = const при постоянном предельно допустимом по нагреву моменте. Мощность, развиваемая электродвигателем, будет изменяться по линейному закону.

При регулировании скорости вращения путем изменения величины магнитного потока машины Ф = var и неизменности условий охлаждения эквивалентный ток электрической машины не должен превосходить номинальное значение, то есть IЭ ≤ Iном = const. Поэтому при уменьшении магнитного потока Ф должен уменьшатся предельно допустимый по нагреву момент двигателя.

Пренебрегая падением напряжения в цепи якоря, допустим, что:

prenebregaya-padeniem-napryazheniya

Выразив магнитный поток через приложенное напряжение и частоту вращения, получим, что момент двигателя равен:

moment-dvigatelya-vyrazhennyj-cherez-magnitnyj-potok

Момент изменяется обратно пропорционально частоте вращения, а мощность, равная Р = М∙ω, будет оставаться постоянной.

В качестве иллюстрации результатов несоответствия характеристик двигателя и статического момента рабочего механизма рассмотрим несколько примеров, приведенных на рисунке ниже:

sootsheniya-maksimalno-dopustimogo-po-nagrevu-momenta-reguliruemogo-dvigatelya-i-staticheskogo-momenta

В первом случае имеем регулирование по закону Мэ =  с/n при неизменном статическом моменте. Как видно из фигуры а), в диапазоне от n1 до n2 эквивалентный момент электродвигателя будет больше статического, то есть будет использоваться не весь потенциал электрической машины, и будут иметь место первоначальные излишние затраты.

С другой стороны, применив закон регулирования Мэ = const для механизма, работающего при Рс = const (фигура б)), мы должны были бы выбрать момент электродвигателя по наибольшему его значению при малой скорости. Во всем диапазоне регулирования электродвигатель был бы плохо использован.

Применение для механизмов с квадратичной зависимостью статического момента  Мс =  с∙n2 (рисунок в)) регулирования частоты вращения двигателя при Р = const или Мэ = const оказывается невыгодным. В обоих случаях установленная мощность электрической машины будет плохо использована. Однако регулирование при  М = const оказывается несколько более благоприятным.

Оценка экономической целесообразности выбираемой системы управления является совершенно обязательной. Естественно следует отдавать предпочтение системам управления частотой вращения, которые обладают максимально высоким коэффициентом полезного действия. Это сокращает расход энергии, следовательно, будет способствовать снижению эксплуатационных расходов. Однако повышение КПД желательно еще и с точки зрения уменьшения нагрева электрических машин и аппаратов системы управления. В случаях, когда процесс регулирования ограничивается весьма непродолжительным временем, например низкие заправочные или посадочные скорости, могут быть использованы малоэкономичные с точки зрения расхода энергии способы управления, но не требующие больших первичных затрат.

Для сокращения эксплуатационных расходов и первоначальных затрат необходимо при одинаковых технических качествах систем управления предпочитать более простые и по возможности с минимальным количеством вращающихся машин. Более желательными являются всякого рода статические регулирующие устройства.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Подтвердите, что Вы не бот — выберите человечка с поднятой рукой: