4.1. Рис. 4.1 отражает цикличный (повторно-кратковременный) режим работы электрифицированного агрегата, для которого предусматривается выбор двигателя из серии длительного режима с принудительным обдувом (варианты задания по таблице Приложения А рассчитаны исходя из этого условия).
Поскольку на тепловой режим двигателя существенным образом могут влиять переходные режимы пуска и торможения то выбор двигателя должен производиться с учетом этих режимов. Однако построение нагрузочной диаграммы двигателя включающей участки пуска и торможения, возможно лишь в том случае, если известен момент инерции ротора выбираемого двигателя. Следовательно, задача выбора мощности двигателя должна решаться в 3 этапа:
- ориентировочный расчет мощности (на основе нагрузочной диаграммы механизма) и предварительный выбор двигателя по справочным данным;
- приближенная проверка мощности двигателя с учетом переходных режимов;
- уточненная проверка мощности двигателя с учетом переходных режимов.
Предварительно номинальная мощность двигателя выбирается по условию:
(4.1)
где: - эквивалентный длительно действующий момент
- скорость вращения двигателя в установившемся режиме
Работы, ;
- коэффициент запаса по мощности, .
Далее из таблицы Приложения Б выписываются все двигатели, имеющие мощности , ближайшие большие к рассчитанной по формуле (4.1) скорости , но имеющие различные моменты инерции.
Для проверки соответствия выбранных двигателей заданному режиму работы и для окончательного выбора наиболее подходящей машины необходимо построение их нагрузочных диаграмм (рис. 4.1)
Первоначально задача сводится к нахождению моментов Мп и МТ обеспечивающих разгон двигателя до скорости за время и торможение за время :
(4.2)
(4.3)
где: Мп – средний пусковой момент двигателя, Нм
Мт – средний тормозной момент, Нм
- суммарный момент инерции двигателя и механизма,
Где - момент инерции двигателя,
Из группы упомянутых выше машин принимается двигатель, удовлетворяющий условию:
(0,55 ÷ 0,65)Мк (4.4)
где: Мк – критический (максимальный) момент двигателя.
Последний определяется исходя из перегрузочной способности машины:
(4.5)
где: - перегрузочная способность, ;
Мн – номинальный момент, Нм;
Рис. 4.1. - Нагрузочная диаграмма двигателя.
Вопрос о необходимой мощности двигателя выясняется здесь путем сравнения его номинального момента с эквивалентным, рассчитываемым по формуле:
(4.6)
Если соблюдается условие то задачу приближенной проверки мощности двигателя можно считать решенной. Если указанное условие не соблюдается, то следует повторить все ранее проделанные расчеты, предварительно приняв более высокое значение .
Окончательная проверка мощности двигателя производится на основе действительных зависимостей момента от времени при пуске и торможении (cм.п.4.6).
4.2. (см.п.3.1,2). Расчет естественной механической характеристики выбранного двигателя производится по упрощенной формуле Клосса:
(4.7)
где: М, s – текущее значение момента и скольжения машины;
- критические значения указанных величин.
Критическое скольжение определяется как:
(4.8)
где: - номинальное скольжение двигателя,
;
Синхронная скорость выбирается из ряда величин - 1500, 1000, 750, 600 об/мин - как ближайшая большая к номинальной скорости .
Построение характеристики рекомендуется вести в пределах (в системе координат М - ; ).
4.3. (см.п.3.3) Построение ступенчатой диаграммы пуска двигателя (рис.4.2) рекомендуется вести в такой последовательности:
Определяется начальный пусковой момент из соотношения:
(4.9)
где: – начальный пусковой момент
- номинальные значения момента и скольжения
– средний пусковой момент рассчитанный по формуле (4.2)
- число секций роторного резистора (2,3,4,5,6)
Принимается такое значение , чтобы удовлетворялось условие:
(4.10)
Затем определяется момент переключения:
(4.11)
Найденные значения моментов откладываются на оси абсцисс. Далее проводятся прямые линии 1,2,3 и т.д., как показано на рисунке (здесь характеристика 5 – естественная, =4).
Описанная методика позволяет с первой попытки произвести точное построение диаграммы пуска.
Для построения характеристики торможения противовключением (на рисунке) рекомендуется следующий приём:
На оси абсцисс откладывается -Мт (рассчитанный по формуле), а на оси ординат . Точка В будет находится на пересечении линий, проведенных через полученные отметки. Искомая характеристика представляет собой прямую проходящую через и пересекающую ось ординат при скорости . Точка А соответствует началу торможения, т. С - его окончанию.
Нетрудно доказать что средний тормозной момент:
(4.12)
где: - моменты, соответствующие началу и окончанию режима торможения.
Рис. 4.2. - Диаграмма пуска и торможения двигателя.
4.4. (см. п. 3.4) При графическом метода расчет сопротивления пусковых секции роторного резистора определяются из соотношений:
(4.13)
где: ef; ed; cd – отрезки на диаграмме по рис 4.2
- масштабный коэффициент равный отношению .
Сопротивление обмоток ротора связано с его параметрами следующим образом:
(4.14)
где: - паспортные данные ротора.
Sн – номинальное скольжение двигателя
Аналогичным образом находится сопротивление секции противовключения:
(4.15)
где: - отрезок на диаграмме по рис. 4.2
- масштабный коэффициент,
- максимальное сопротивление роторной цепи при пуске
При аналитическом методе сопротивление i-й секции рассчитывается по формуле:
(4.16)
где: - сопротивление роторной цепи, соответствующее характеристике 1,
- моменты найденные по формулам (4.9) и (4.11)
i = 1,2,3……..
Сопротивление секции противовключения:
(4.17)
Для выбора роторных сопротивлений используем серийные резисторы ящиков сопротивлений.
Для этого рассчитывают эквивалентные токи при пуске и при торможении электродвигателя.
Расчет эквивалентного тока при пуске электропривода:
где и - токи переключения, соответствующие пусковым моментам переключения и .
Токи и моменты двигателя связаны соотношением , откуда, зная номинальный момент и номинальный ток двигателя, определяем коэффициент тогда,
и
Эквивалентный тормозной ток рассчитывается аналогично эквивалентному пусковому току (вместо значений пусковых моментов в формулу подставляем значения тормозных моментов).
По рассчитанным значениям эквивалентных токов и ранее найденным сопротивлениям секций подбирают ящики резисторов (таблица 4.1); при этом учитывают следующее:
а) при последовательном соединении звеньев секции значение допустимого тока секции определяется звеном с наименьшим значением допускаемого тока;
б) при параллельном соединении звеньев величина допустимого тока ограничивается тем звеном, у которого произведение его допустимого тока на сопротивление имеет наименьшую величину;
в) при смешанном соединении звеньев параллельно соединенные звенья заменяются эквивалентными;
г) выводные зажимы нормализованных ящиков резисторов не маркированы; если необходимо в пределах одного ящика произвести электрическое разделение секций, то достаточно снять соответствующую перемычку между этими секциями.
Таблица 4.1. – Нормализованные ящики резисторов
Пример графического оформления соединений секций выбранных ящиков резисторов:
4.5 (см. п. 3.5). Изменения во времени скорости, момента и тока двигателя в режимах пуска, торможения, реверса и т.п могут быть описаны обобщенной формулой вида:
(4.18)
где: - соответственно текущее, конечное и начальное значения обобщенного параметра (скорости, момента или тока) двигателя;
- основание натурального логарифма;
t – время;
Тм – электромеханическая постоянная времени.
Например требуется описать переходный процесс пуска двигателя под нагрузкой (Мс=Мсо=const) с начальной скорости . Искомое уравнение для скорости получается путем подстановки в уравнение (4.18) вместо П интересующего нас параметра:
(4.19)
где: - конечное (установившееся) значение скорости, определяемое статическим режимом работы двигателя на заданной механической характеристике.
Величины для каждой пусковой характеристики определяются положением точек 1,2,…..,5 на рис 4.2; соответственно участкам пуска находятся также величины и Тм.
Разгон двигателя на участке f – 1’ (см. рис. 4.2) описывается уравнением
(4.20)
на участке е – 2’ – уравнением:
(4.21)
и т.д
Здесь ..., - значения скорости в точках 1,2…. 5
- начальные значения скорости, определяемые положением точек 1’(e), 2’(d) и т.д
Тм2 – электромеханические постоянные времени на характеристиках 1,2…5
Последние удобно рассчитывать по формулам:
(4.22)
(4.23)
где: Sp; So – скольжения двигателя при номинальном моменте на характеристиках 1,2….5; в точках p,o рассчитываемые по отношениям: Sp = kp/kq; So = ko/kq
Уравнение переходного процесса для момента согласно формуле (4.18) имеет вид:
(4.24)
где: (см. рис. 4.2), Тм = Тм1, Тм2 и т.д соответственно характеристикам пусковой диаграммы.
Времена разгона на участках f – 1’, е – 2’, … с – 4’ рассчитывается по формулам:
(4.25)
(4.26)
(4.27)
Время разгона двигателя на естественной механической характеристике (участок b – 5’ на рис. 4.2)
(4.28)
На рис 4.3 представлены зависимости скорости и момента от времени, соответствующие пусковой диаграмме по рис. 4.2.
Рис. 4.3. Зависимости скорости и момента от времени в период пуска двигателя.
Рис. 4.4. Зависимости скорости и момента от времени в период торможения двигателя.
Для получения зависимостей и М(t) при торможении противовключением в уравнение (4.18) следует подставить и Мсо, и .
Время торможения на участке А – В:
(4.29)
где: - электромеханическая постоянная времени на характеристике 6.
В приведенную формулу входят абсолютные значения скорости и момента (без учета их знаков).
Искомые зависимости для торможения иллюстрированы рис. 4.4
Следует отметить, что суммарное время разгона:
(4.30)
и время торможения получаются несколько завышенными (на 4-5%) против тех значений, которые заданны тахограммой по рис. 3.1. Это объясняется вогнутостью экспоненциальных кривых М(t) в силу которой фактические средние пусковой и тормозной моменты двигателя ниже ранее рассчитанных значений Мп и Мт.
Данное обстоятельство должно учитываться при оценке степени соответствия результатов расчета исходным величинам t1 и t3, однако оно заметным образом не влияет на программу работы механизма и тепловой режим работы двигателя.
Зависимости тока двигателя от времени определяются соотношением:
i (t) = cM (t) (4.31)
где: с – коэффициент пропорциональности, равный
4.6. (см. п. 3.6). Уточненная нагрузочная диаграмма двигателя отличается от диаграммы на рис. 4.1 тем, что в периоды пуска и торможения момент двигателя изменяется согласно кривым на рис. 4.3 и 4.4 а времена пуска и торможения соответственно равны и .
Эквивалентный длительнодействующий момент:
(4.32)
где: (4.33)
(4.34)
- время цикла работы механизма, (см. рис. 3.1)
Двигатель будет находиться в нормальном тепловом режиме, если:
(4.35)
4.7. (см. п. 3.7) Основой для реализации заданных принципов автоматизации пуска и торможения двигателя может служить схема, приведенная на рис. 4.5
4.8. Как известно, ЭДС ротора , в зависимости от скольжения или скорости вращения изменяется по линейному закону:
(4.36)
где: - номинальное напряжение (ЭДС) ротора (при S=1).
Приблизительно по такому закону будет изменяться в зависимости от скорости вращения и напряжение на катушке KV (см. рис. 4.5). Уставка напряжения втягивания KV принимается равной (1,2-1,6) .
Рис.4.5. – Схема автоматизации пуска и торможения двигателя.