Электроприводы механизмов циклического действия работают в повторно-кратковременном режиме, характерной особенностью которого являются частые пуски и остановки двигателя. Из курса теории электропривода известно, что потери энергии в переходных процессах непосредственно зависят от момента инерции электропривода J∑ основную долю которого, если исключить инерционные механизмы, составляет момент инерции двигателя Jдв. Поэтому при повторно-кратковременном режиме желательно применять двигатели, которые при требуемых мощности и угловой скорости имеют возможно меньший момент инерции Jдв.
По условиям нагрева допустимая нагрузка двигателя при повторно-кратковременном режиме выше, чем при длительном. При пуске с повышенной статической нагрузкой двигатель должен развивать и повышенный пусковой момент, превосходящий статический на значение требуемого динамического момента. Поэтому в повторно-кратковременном режиме работы требуется более высокая перегрузочная способность двигателя, чем при длительном. Требование высокой перегрузочной способности определяется также и необходимостью преодоления кратковременных механических перегрузок, возникающих при отрыве грузов, черпании грунта и т. п.
Наконец, условия нагревания и охлаждения двигателей при повторно-кратковременном режиме отличаются от аналогичных условий при длительном режиме. Особенно сильно это отличие проявляется у двигателей с самовентиляцией, так как количество охлаждающего воздуха, поступающего в двигатель, зависит от его скорости. Во время переходных процессов и пауз теплоотдача двигателя ухудшается, что оказывает существенное влияние на допустимую нагрузку двигателя.
Все эти условия определяют необходимость использования в электроприводах механизмов циклического действия специальных двигателей, номинальным режимом которых является повторно-кратковременный режим, характеризующийся определенной номинальной продолжительностью включения
где tр и to — соответственно время работы и время паузы.
В повторно-кратковременном режиме при работе с номинальной нагрузкой температура двигателя колеблется около допустимого значения, увеличиваясь во время работы и снижаясь во время паузы. Очевидно, отклонения температуры от допустимой тем выше, чем больше при данной ПВ продолжительность цикла tц = tр + to и чем меньше постоянная времени нагрева двигателя Тн.
Чтобы ограничить возможную максимальную температуру двигателя, ограничивают допустимую длительность цикла. Для отечественных серий двигателей повторно-кратковременного режима допустимое время цикла установлено равным 10 мин. Таким образом, эти двигатели рассчитаны на рабочий цикл, график которого для стандартных продолжительностей включения (ПВ = 15, 25, 40 и 60 и 100%) показан на рис. 1. С увеличением ПВ номинальная мощность двигателя уменьшается.
Промышленность выпускает ряд серий двигателей повторно-кратковременного режима:
- асинхронные крановые с короткозамкнутым ротором серии MTKF и с фазным ротором серии MTF;
- аналогичные металлургические серий МТКН и МТН;
- постоянного тока серии Д (в экскаваторном исполнении серии ДЭ).
Для машин указанных серий характерна удлиненная форма ротора (якоря), обеспечивающая снижение момента инерции. Для уменьшения потерь, выделяющихся в статорной обмотке в переходных процессах, двигатели серий MTKF и МТКН имеют повышенное номинальное скольжение sHOM = 7÷12%. Перегрузочная способность двигателей крановой и металлургической серий составляет 2,3 - 3 при ПВ = 40%, что при ПВ = 100% соответствует λ = Мкр/Мном100 = 4,4- 5,5.
В крановых двигателях переменного тока за основной номинальный принят режим с ПВ = 40%, а в двигателях постоянного тока — кратковременный режим длительностью 60 мин (наряду с режимом ПВНОМ = 40%). Номинальные значения мощности двигателей крановой и металлургической серий при ПВНОМ = 40% лежат в пределах: 1,4-22 кВт для серий MTF и MTKF; 3-37 кВт и 3-160 кВт для серий соответственно МТКН и МТН; 2,4-106 кВт для серии Д. Продуваемые двигатели серии Д выполняются на номинальную мощность от 2,5 до 185 кВт при ПВНОМ = 100%.
Двигатели с короткозамкнутым ротором могут иметь многоскоростное исполнение с двумя или тремя раздельными обмотками на статоре: серии МТКН с числом полюсов 6/12, 6/16 и 6/20 и номинальной мощностью от 2,2 до 22 кВт при ПВНОМ = 40%; серии MTKF с числом полюсов 4/12, 4/24 и 4/8/24 и номинальной мощностью от 4 до 45 кВт при ПВН0М = 25%. Намечается производство новой серии 4МТ асинхронных крановых и металлургических двигателей в диапазоне мощностей 2,2 — 200 (220) кВт при ПВНОМ = 40%.
Использование двухдвигательного привода вдвое расширяет пределы применения перечисленных типов электрических машин. При больших требуемых мощностях применяются асинхронные двигатели серий А, АО, А К, ДАФ и др., а также двигатели постоянного тока единой серии П в специализированных модификациях, например в экскаваторном исполнении ПЭ, МПЭ, для лифтов МП Л и т. п.
Выбор двигателей крановых и металлургических серий наиболее просто осуществляется в тех случаях, когда действительный график работы его совпадает с одним из номинальных, показанных на рис. 1. В каталогах и справочной литературе указываются номинальные данные двигателей при ПВ-15, 25, 40, 60 и 100%. Поэтому при работе привода с постоянной статической нагрузкой Рст при номинальном цикле не представляет трудностей подобрать по каталогу двигатель ближайшей мощности из условия РНОМ > Рст.
Однако, реальные циклы, как правило, сложнее, нагрузка двигателя на различных участках цикла оказывается различной, а продолжительность включения отличается от номинальной. При таких условиях выбор двигателя производится по эквивалентному графику, приведенному в соответствие с одним из номинальных на рис. 1. С этой целью вначале определяется эквивалентная по нагреву постоянная нагрузка при действительной ПВД, которая далее пересчитывается к стандартной продолжительности включения ПВН0М. Пересчет может быть произведен с помощью соотношений:
Соотношения являются приближенными, так как не учитывают двух важных факторов, изменяющихся при изменении ПВ и существенно влияющих на нагрев двигателя.
Рис. 1. Номинальный цикл работы двигателя для повторно-кратковременного режима.
Первый фактор — количество теплоты, выделяющееся в двигателе за счет постоянных потерь. Это количество теплоты возрастает при увеличении ПВ и уменьшается при переходе на меньшие значения ПВ. Соответственно при переходе к большим ПВ нагрев возрастает и наоборот.
Второй фактор — условия вентиляции двигателей. При самовентиляции условия охлаждения в периоды работы в несколько раз лучше, чем в периоды пауз. Поэтому с возрастанием ПВ условия охлаждения улучшаются, с уменьшением — ухудшаются.
Сопоставляя влияние этих двух факторов, можно заключить, что оно противоположно и в той или иной степени взаимно компенсируется. Благодаря этому для современных серий приближенные соотношения дают достаточно правильный результат, если их использовать только для пересчета на ближайшую к ПВД номинальную продолжительность включения ПВном.
Из теории электропривода известно, что используемые при выборе двигателя методы средних потерь и эквивалентных величин имеют поверочный характер, так как требуют знания ряда параметров предварительно выбранного двигателя. При предварительном выборе во избежание многократных ошибок необходимо учитывать особенности конкретного механизма.
Для общепромышленных механизмов циклического действия можно указать три наиболее характерных случая предварительного выбора двигателя:
1. Цикл работы механизма задан, причем динамические нагрузки оказывают незначительное влияние на нагрев двигателя.
2. Цикл работы механизма задан и известно, что динамические нагрузки существенно влияют на нагрев двигателя.
3. Цикл работы механизма заданием не определен.
Первый случай наиболее характерен для механизмов с малыми инерционными массами — одноконцевых подъемных и тяговых лебедок. Оценить влияние динамических нагрузок на нагрев двигателя можно путем сравнения продолжительности пуска tп с продолжительностью установившегося режима работы tycт.
Если tп << tycт выбор двигателя можно произвести по нагрузочной диаграмме исполнительного механизма. По этой нагрузочной диаграмме определяется среднеквадратичный момент нагрузки с помощью формул, приведенных ранее, пересчитывается к ближайшей номинальной ПВном и далее определяется требуемая мощность двигателя по заданной рабочей скорости ωр:
При этом приближенный учет влияния динамических нагрузок производится путем введения в формулу коэффициента запаса kз = 1,1 ÷ 1,5. С увеличением отношения tп/tycт коэффициент запаса нужно увеличивать ориентировочно, полагая, что при tп/tycт0,2 – 0,3 — большее.
Предварительно выбранный двигатель необходимо проверить по нагреву одним из методов по теории электропривода, а также по перегрузочной способности из условия:
где Мдоп — допустимый момент кратковременной перегрузки.
Для двигателей постоянного тока момент ограничивается условиями коммутации тока на коллекторе:
где λ — перегрузочная способность двигателя по каталожным данным.
Для асинхронных двигателей при определении Мдоп необходимо учитывать возможность снижения напряжения сети на 10%. Так как критический момент Мкр пропорционален квадрату напряжения, то
Кроме того, асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором необходимо таким же путем проверять по пусковому моменту.
Второй случай характерен для механизмов с большими инерционными массами — тяжелых и быстроходных механизмов передвижения и поворота, но может иметь место и в других случаях при большой частоте включений.
Оценку влияния динамических нагрузок и здесь можно произвести, сравнивая время переходного процесса и установившейся работы. Если они соизмеримы или tп > tycт, пренебрегать динамическими нагрузками нельзя даже при предварительном выборе двигателя.
В этом случае необходимо для предварительного выбора построить приближенную нагрузочную диаграмму двигателя, задавшись по аналогии с действующими установками его моментом инерции. Если Jдв << Jм, ошибка в значении Jдв не может оказать существенного влияния на правильность выбора и, кроме того, необходимые уточнения в любом случае дает последующий поверочный расчет.
Наконец, третий случай характерен для механизмов универсального назначения, для которых построить конкретный цикл работы затруднительно. Примером могут служить механизмы нормального мостового крана небольшой грузоподъемности, который может использоваться в различных производственных помещениях.
Основой для выбора двигателя в таких случаях может служить расчетный цикл, при котором на первом рабочем участке tp1 двигатель работает с максимальной нагрузкой МСТ1, а на втором tp2 с минимальной нагрузкой МСТ2. Если известно, что влияние динамических нагрузок на нагрев двигателя данного механизма невелико, можно определить среднеквадратичный (эквивалентный по нагреву) момент нагрузки, полагая tp1= tp2
Требуемая мощность двигателя при заданной рабочей скорости определяется соотношением
Выбор двигателя по каталогу производится из условия Ртр< Рном при заданной для механизма расчетной продолжительности включения ПВном.
Для крановых механизмов правилами установлены следующие режимы работы, определяемые совокупностью условий их эксплуатации:
- легкий — Л (ПВНОМ == 15 ÷ 25%, число включений в час h < 60 1/ч),
- средний — С (ПВНОМ = 25 - 40%, h < 120 1/ч),
- тяжелый - Т (ПВНОМ = 40%, h < 240 1/ч)
- весьма тяжелый - ВТ (ПВНОМ = 60%, h < 600 1/ч).
- особо тяжелый — ОТ (ПВном =100%, h > 600 1/ч).
Наличие этих данных, основанных на статистическом материале, позволяет в случае необходимости конкретизировать условный цикл работы механизма, принятый выше в качестве расчетного. Действительно, определяется время работы
что дает возможность вести предварительный выбор двигателя теми же путями, что и в первых двух рассмотренных выше случаях. Это особенно важно тогда, когда можно предполагать, что влияние динамических нагрузок на нагрев двигателя существенно.