Какие режимы работы электроприводов вам знакомы

16.3. Основные режимы работы электроприводов

Длительность работы и ее характер определяют рабочий режим привода. Для электропривода принято различать три основных режима работы: продолжительный, кратковременный и повторно-кратковременный.

Продолжительный режим (согласно ГОСТ 183-74) — это режим работы такой длительности, при которой за время работы двигателя температура всех устройств элек­тропривода достигает установивше­гося значения (рис. 16.4, а).

В качестве примеров механиз­мов с длительным режимом работы можно назвать центробежные насо­сы насосных станций, вентиляторы, компрессоры, конвейеры непрерыв­ного транспорта, дымососы, бу­магоделательные машины, машины для отделки тканей и т. д.

При кратковременном режиме рабочий период относительно кра­ток (рис. 16.4, б) и температура двигателя не успевает достигнуть установившегося значения. Перерыв же в работе исполнительного механизма достаточно велик для того, чтобы двигатель успевал охладиться практически до температуры окружающей среды. Такой режим работы характерен для самых различных механизмов кратковременного действия: шлюзов, разводных мостов, подъемных шасси самолетов и многих других.

При повторно-кратковременном режиме (рис. 16.4, в) периоды работы чередуются с паузами (остановка или холостой ход), причем ни в один из периодов работы температура двигателя не достигает установившегося значения, а во время снятия нагрузки двигатель не успевает охладиться до температуры окружающей среды.

Характерной величиной для повторно-кратковременного режима является отношение рабочей части периода Т’ ко всему периоду Т. Эта величина именуется относительной продолжительностью работы (ПР %) или относительной продолжительностью включения (ПВ %). Примерами механизмов с повторно-кратковременным режимом работы могут служить краны, ряд металлургических станков, прокатные станы, буровые станки в нефтяной промышленности и т. д.

В соответствии с основными видами режимов работы электропривода различно определяется и номинальная мощность электродвигателя. Условия нагревания и охлаждения двигателя при повторно-кратковременном режиме существенно отличаются от условий работы в продолжительном режиме.

Например, условия охлаждения обмотки возбуждения двигателя постоянного тока параллельного возбуждения практически остаются неизменными и при остановке двигателя, а условия охлаждения якоря при остановке сильно ухудшаются. По этой причине двигатель постоянного тока, рассчитанный для продолжительного режима на неизменные условия охлаждения, при повторно-кратковременном режиме будет использоваться нерационально; при предельно допустимом нагреве обмотки якоря и коллектора обмотка возбуждения будет нагреваться значительно ниже допустимой температуры.

Следовательно, целесообразно для повторно-кратковременного режима изготовлять двигатели специальных типов. Руководствуясь этим, электротехническая промышленность изготовляет крановые электродвигатели, рассчитанные на три различных номинальных режима: продолжительный, кратковременный и повторно-кратковременный. Соответствующее указание делается на табличке электродвигателя; под его номинальной мощностью следует понимать полезную механическую мощность на валу в течение времени, соответствующего его номинальному режиму, т. е. продолжительно, кратковременно или же повторно-кратковременно при определенной продолжительности включения.

В течение весьма короткого промежутка времени двигатель может развивать мощность значительно большую, чем номинальная. Мгновенная перегрузочная мощность двигателя — это наибольшая мощность на валу в течение весьма малого промежутка времени, развиваемая двигателем без каких-либо повреждений. Такая мощность определяется в большинстве случаев электрическими свойствами двигателя (максимальным моментом у асинхронных двигателей или условиями коммутации у двигателей постоянного тока), а иногда и механической конструкцией двигателя. Мгновенные перегрузочные свойства электродвигателя обычно характеризуются коэффициентом перегрузки по моменту λ_мом, т. е. отношением максимального кратковременно допустимого перегрузочного момента к номинальному: λ_иоы = M_max/М_ном. Для большинства электродвигателей λ_мом ≈ 2 (у специальных электродвигателей λ._мом = 3 ÷ 4).

Часто по условиям работы привода важна перегружаемость электродвигателя не мгновенная, а на определенный, относительно короткий промежуток времени. В соответствии с этим требованием указывается кратковременная перегрузочная мощность двигателя (временная мощность) — мощность, развиваемая двигателем в течение определенного ограниченного промежутка времени (5, 10, 15, 30 мин и т. д.), после чего двигатель должен быть отключен на столько времени, чтобы он успел охладиться до температуры окружающей среды. Для одного и того же двигателя соотношения между его продолжительной, перегрузочной и кратковременной перегрузочной мощностями зависят от электрической характеристики и конструкции двигателя.

Режимы работы электроприводов в координатах скорости и момента

Подавляющая часть вырабатываемой электрической энергии преобразуется в механическую посредством электрического привода для обеспечения работы различных машин и механизмов.

Одной из важных задач электропривода является определение необходимого закона изменения момента М двигателя при известной нагрузке и требуемом характере движения, задаваемом законом изменения ускорения или скорости. Эта задача сводится к синтезу системы электропривода, обеспечивающей заданный закон движения.

В общем случае знаки моментов М ( вращающий момент двигателя) и Мс (момент сил сопротивления) , могут быть различными.

Например, при одинаковых знаках М и Мс привод работает в двигательном режиме с возрастанием скорости w (угловое ускорение e > 0). В этом случае вращение привода происходит в сторону приложения момента М двигателя, который может действовать в любом из двух возможных направлений (по часовой стрелке или против нее).

Одно из этих направлений, например по часовой стрелке, принимают за положительное, и при вращении привода в этом направлении момент М и скорость w считают положительными. В системе координат момента и скорости (М , w) такой режим работы будет расположен в I квадранте.

Области режимов работы электропривода в координатах скорости w и момента М

Направление статического момента Мс (или его знак) зависит от вида сил сопротивления, действующих на рабочий орган, и направления вращения.

Статический момент создается силами полезных и вредных сопротивлении. Полезными являются силы сопротивления, для преодоления которых предназначена машина. Их величина и характер зависят от вида производственного процесса и конструкции машины.

Вредные силы сопротивления обусловлены различными видами потерь, возникающих в механизмах при движении, и при их преодолении машина не совершает никакой полезной работы.

Основной причиной этих потерь являются силы трения в подшипниках, передачах и т. п., которые всегда препятствуют движению при любом его направлении. Поэтому при изменении знака скорости со изменяется знак статического момента Мс, обусловленного указанными силами сопротивления.

Такие статические моменты называют реактивными или пассивными, так как о ни всегда препятствуют движению, но под их воздействием при отключенном двигателе движение не может возникнуть.

Реактивными могут быть и статические моменты, создаваемые силами полезного сопротивления, если работа машины связана с преодолением сил трения, резания или растяжения, сжатия и скручивания неупругих тел.

Однако если производственный процесс, выполняемый машиной, связан с изменением потенциальной энергии элементов системы (подъем груза, упругие деформации скручивания, сжатия и т. п.), то создаваемые полезными силами сопротивления статические моменты называют потенциальными или активными.

Направление действия их остается постоянным, и знак статического момента Мс при изменении знака скорости о не меняется. В этом случае при увеличении потенциальной энергии системы статический момент препятствует движению (например, при подъемегруза), а при уменьшении — способствует движению (спуск груза) даже при отключенном двигателе.

Если электромагнитный момент М и скорость о направлены встречно, то электрическая машина работает в тормозном режиме, что соответствует II и IV квадрантам. В зависимости от соотношения абсолютных значений М и Мс скорость вращения привода при этом может возрастать, уменьшаться или оставаться постоянной.

Назначение электрической машины, используемой в качестве приводного двигателя, заключается в сообщении рабочей машине механической энергии для выполнения работы или в торможении рабочей машины (пример — Выбор электропривода конвейеров).

В первом случае электрическая энергия, подведенная к электрической машине, преобразуется в механическую, и на валу машины создается вращающий момент, обеспечивающий вращение привода и выполнение полезной работы производственным агрегатом.

Такой режим работы электропривода называется двигательным. Вращающий момент и скорость двигателя при этом совпадают по направлению, и мощность на валу двигателя Р = М w > 0.

Характеристики двигателя в этом режиме работы могут находиться в I или III квадранте, где знаки скорости и момента одинаковы, а следовательно, Р > 0. Выбор знака скорости при известном направлении вращения двигателя (правое или левое) может быть произвольным.

Обычно за положительное направление скорости принимают направление вращения привода, при котором механизм выполняет основную работу (например, подъем груза подъемной машиной). Тогда работа электропривода в противоположном направлении происходит с отрицательным знаком скорости.

Чтобы снизить скорость или остановить машину, двигатель может быть отключен от сети. В этом случае уменьшение скорости будет происходить под действием сил сопротивления движению.

Такой режим работы называется свободным выбегом. В этом случае при любой скорости вращающий момент привода равен нулю, т. е. механическая характеристика двигателя совпадает с осью ординат.

Для более быстрого, чем при свободном выбеге, снижения скорости или остановки, а также для поддержания неизменной скорости механизма при моменте нагрузки, действующем в сторону вращения, направление момента электрической машины должно быть противоположным направлению скорости.

Такой режим работы привода называется тормозным, а электрическая машина при этом работает в генераторном режиме.

Поведение электропривода, как следует из уравнении движения, при заданных параметрах механических элементов определяется величинами моментов двигателя и нагрузки на валу рабочего органа.

Так как наиболее часто анализируется закон изменения скорости электропривода в процессе работы, то для электроприводов, у которых вращающий момент двигателя и момент нагрузки зависят от скорости, удобно использовать графический метод.

С этой целью обычно применяют механическую характеристику двигателя, представляющую зависимость угловой скорости двигателя от его вращающего момента w = f(M), и механическую характеристику механизма, устанавливающую зависимость скорости двигателя от приведенного статического момента, создаваемого нагрузкой на рабочем органе w = f(Mc).

Указанные зависимости для установившегося режима работы электропривода называют статическими механическими характеристиками.

Статические механические характеристики электродвигателей

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Ранее на эту тему: Электропривод

Режимы работы электроприводов

Возможные режимы работы электроприводов отличаются огромным многообразием по характеру и длительности циклов, значениям нагрузок, условиям охлаждения, соотношения потерь в период пуска и установившегося движения и т.п., поэтому изготовление электродвигателей для каждого из возможных режимов работы электропривода не имеет практического смысла.

На основании анализа реальных режимов выделен специальный класс режимов —номинальные режимы, для которых проектируются и изготавливаются серийные двигатели.

Данные, содержащиеся в паспорте электрической машины, относятся к определенному номинальному режиму и называются номинальными данными электрической машины. Заводы-изготовители гарантируют при работе электродвигателя в номинальном режиме при номинальной нагрузке полное использование его в тепловом отношении.

Действующим ГОСТ предусматриваются 8 номинальных режимов, которые в соответствии с международной классификацией имеют условные обозначения S1 — S8.

Продолжительный режим работы S1

— работа машины при неизменной нагрузке достаточно длительное время для достижения неизменной температуры всех ее частей.

Enlarge this image

Продолжительный режим работы электродвигателя S1

Кратковременный режим работы S2

— работа машины при неизменной нагрузке в течение времени, недостаточного для достижения всеми частями машины установившейся температуры, после чего следует остановка машины на время, достаточное для охлаждения машины до температуры, не более чем на 2°С превышающей температуру окружающей среды.

Для кратковременного режима работы нормируется продолжительность рабочего периода 15, 30, 60, 90 мин.

Enlarge this image

Кратковременный режим работы электродвигателя S2

Повторно-кратковременный режим работы S3

— последовательность идентичных циклов работы, каждый из которых включает время работы при неизменной нагрузке, за которое машина не нагревается до установившейся температуры, и время стоянки, за которое машина не охлаждается до температуры окружающей среды.

В этом режиме цикл работы таков, что пусковой ток не оказывает заметного влияния на превышение температуры. Продолжительность цикла недостаточна для достижения теплового равновесия и не превышает 10 мин. Режим характеризуется величиной продолжительности включения в процентах:

ПВ = (tр / (tр + tп)) х 100%

Enlarge this image

Повторно-кратковременный режим работы электродвигателя S3

Нормируемые значения продолжительности включения: 15, 25, 40, 60 %, или относительные значения продолжительности рабочего периода: 0,15; 0,25; 0,40; 0,60.

Для режима S3 номинальные данные соответствуют только определенному значению ПВ и относятся к рабочему периоду.

Режимы S1 — S3 являются в настоящее время основными, номинальные данные на которые включаются отечественными электромашиностроительными заводами в каталоги и паспорт машины.

Номинальные режимы S4 — S8 введены для того, чтобы впоследствии упростить задачу эквивалентирования произвольного режима номинальным, расширив номенклатуру последних.

Повторно-кратковременный режим работы с влиянием пусковых процессов S4 — последовательность идентичных циклов работы, каждый из которых включает время пуска, достаточно длительное для того, чтобы пусковые потери оказывали влияние на температуру частей машины, время работы при постоянной нагрузке, за которое машина не нагревается до установившейся температуры, и время стоянки, за которое машина не охлаждается до температуры окружающей среды.

Enlarge this image

Повторно-кратковременный режим с влиянием пусковых процессов

S4: tп и tн -время пуска и торможения

Повторно-кратковременный режим с влиянием пусковых процессов и электрическим торможением S5 — последовательность идентичных циклов работы, каждый из которых включает достаточно длительное время пуска, время работы при постоянной нагрузке, за которое машина не нагревается до установившейся температуры, время быстрого электрического торможения и время стоянки, за которое машина не охлаждается до температуры окружающей среды.

Enlarge this image

Повторно-кратковременный режим с влиянием пусковых процессов и электрическим торможением S5

Перемежающийся режим работы S6 — последовательность идентичных циклов, каждый из которых включает время работы с постоянной нагрузкой и время работы на холостом ходу, причем длительность этих периодов такова, что температура машины не достигает установившегося значения.

Enlarge this image

Перемежающийся режим работы S6: to — время холостого хода

Перемежающийся режим с влиянием пусковых процессов и электрическим торможением S7 — последовательность идентичных циклов, каждый из которых включает достаточно длительный пуск, работу с постоянной нагрузкой и быстрое электрическое торможение. Режим не содержит пауз.

Enlarge this image

Перемежающийся режим работы с влиянием пусковых процессов и электрическим торможением S7

Перемежающийся режим с периодически изменяющейся частотой вращения S8 — последовательность идентичных циклов, каждый из которых включает время работы с неизменной нагрузкой и неизменной частотой вращения, затем следует один или несколько периодов при других постоянных нагрузках, каждой из которых соответствует своя частота вращения (например, этот режим реализуется при переключении числа пар полюсов асинхронного двигателя). Режим не содержит пауз.

Enlarge this image

Перемежающийся режим работы с периодически изменяющейся частотой вращения S8

Учет режима работы имеет большое значение при подборе двигателя. Мощности двигателей, указанные в каталогах, приведены для режима S1 и нормальных условий работы, кроме двигателей с повышенным скольжением.

Если двигатель работает в режиме S2 или S3, он нагревается меньше, чем в режиме S1, и поэтому он допускает большую мощность на валу.

При работе в режиме S2 допустимая мощность может быть повышена на 50 % при длительности нагружения 10 мин, на 25 % — при длительности нагружения 30 мин, на 10% — при длительности нагружения 90 мин.

Для режима S3 рекомендуются двигатели с повышенным скольжением.

Режимы работы электродвигателей

Возможные режимы работы электроприводов отличаются огромным многообразием по характеру и длительности циклов, значениям нагрузок, условиям охлаждения, соотношения потерь в период пуска и установившегося движения и т.п., поэтому изготовление электродвигателей для каждого из возможных режимов работы электропривода не имеет практического смысла.

На основании анализа реальных режимов выделен специальный класс режимов — номинальные режимы , для которых проектируются и изготавливаются серийные двигатели .

Данные, содержащиеся в паспорте электрической машины , относятся к определенному номинальному режиму и называются номинальными данными электрической машины. Заводы-изготовители гарантируют при работе электродвигателя в номинальном режиме при номинальной нагрузке полное использование его в тепловом отношении.

Различают следующие режимы работы двигателей под нагрузкой в зависимости от ее длительности : продолжительный, кратковременный и повторно-кратковременный.

При продолжительном режиме двигатель работает без перерыва, причем рабочий период настолько велик, что нагрев двигателя достигает установившейся температуры.

Продолжительная нагрузка может быть постоянной или изменяющейся. В первом случае температура не изменяется, во втором — изменяется вместе с изменением нагрузки. С малоизменяющейся нагрузкой в этом режиме работают двигатели конвейеров, лесопильных рам и др., с переменной продолжительной нагрузкой работают двигатели различных металлообрабатывающих и деревообрабатывающих станков.

При кратковременном режиме двигатель не успевает нагреться до установившейся температуры, а в течение паузы охлаждается до температуры окружающей среды. Продолжительность кратковременной работы ГОСТ на электрические машины устанавливает равной 10, 30, 60 и 90 мин.

При повторно-кратковременном режиме двигатель за период работы не успевает нагреться до установившейся температуры, а за время паузы — охладиться до температуры окружающей среды. В этом режиме двигатель действует с непрерывно чередующимися периодами работы под нагрузкой и вхолостую, или паузами.

При повторно-кратковременном режиме двигатель за период работы не успевает нагреться до установившейся температуры, а за время паузы — охладиться до температуры окружающей среды. В этом режиме двигатель действует с непрерывно чередующимися периодами работы под нагрузкой и вхолостую, или паузами.

Продолжительность включения электротехнического изделия (электротехнического устройства, электрооборудования) — отношение времени пребывания во включенном состоянии электротехнического изделия (электротехнического изделия, электрооборудования), работающего в повторно-кратковременном режиме, к длительности цикла (ГОСТ 18311-80).

Повторно-кратковременный режим характеризуется относительной продолжительностью включения ПВ = [tp/(tp + tо)] 100 %, где tp и tо — время работы и паузы при продолжительности цикла ( t ц = t р+ t о) не более 10 мин.

Повторно-кратковременный режим бывает:

• с продолжительностью включения ПВ = 1 5, 25, 40 и 60% и продолжительностью цикла 10 мин,
• с частыми пусками при ПВ = 15, 25, 40 и 60 % и числом включений в час 30, 60, 120 и 240 при коэффициенте инерции 1,2, 1,6, 2,5 и 4,
• с частыми пусками и электроторможением при тех же номинальных ПВ, числе включений и коэффициенте инерции,
• перемежающийся с продолжительностью цикла 10 мин при нагрузках ПВ= 15, 25, 40 и 60%,
• перемежающийся с электроторможением и частыми реверсами, число которых в час составляет 30, 60, 120 и 240 при коэффициенте инерции 1,2, 1,6, 2,5 и 4.

Режимы работы электродвигателей по ГОСТ

Действующим ГОСТ предусматриваются 8 номинальных режимов , которые в соответствии с международной классификацией имеют условные обозначения S1 — S8.

Продолжительный режим работы S1 — работа машины при неизменной нагрузке достаточно длительное время для достижения неизменной температуры всех ее частей.

Продолжительный режим работы электродвигателя S1

Кратковременный режим работы S2 — работа машины при неизменной нагрузке в течение времени, недостаточного для достижения всеми частями машины установившейся температуры, после чего следует остановка машины на время, достаточное для охлаждения машины до температуры, не более чем на 2°С превышающей температуру окружающей среды.

Для кратковременного режима работы нормируется продолжительность рабочего периода 15, 30, 60, 90 мин.

Кратковременный режим работы электродвигателя S2

Повторно-кратковременный режим работы S3 — последовательность идентичных циклов работы, каждый из которых включает время работы при неизменной нагрузке, за которое машина не нагревается до установившейся температуры, и время стоянки, за которое машина не охлаждается до температуры окружающей среды.

В этом режиме цикл работы таков, что пусковой ток не оказывает заметного влияния на превышение температуры. Продолжительность цикла недостаточна для достижения теплового равновесия и не превышает 10 мин. Режим характеризуется величиной продолжительности включения в процентах:

ПВ = (t р / ( t р + t п)) х 100%

Повторно-кратковременный режим работы электродвигателя S3

Нормируемые значения продолжительности включения: 15, 25, 40, 60 %, или относительные значения продолжительности рабочего периода: 0,15; 0,25; 0,40; 0,60.

Для режима S3 номинальные данные соответствуют только определенному значению ПВ и относятся к рабочему периоду.

Режимы S1 — S3 являются в настоящее время основными, номинальные данные на которые включаются отечественными электромашиностроительными заводами в каталоги и паспорт машины.

Номинальные режимы S4 — S8 введены для того, чтобы впоследствии упростить задачу эквивалентирования произвольного режима номинальным, расширив номенклатуру последних.

Повторно-кратковременный режим работы с влиянием пусковых процессов S4 — последовательность идентичных циклов работы, каждый из которых включает время пуска, достаточно длительное для того, чтобы пусковые потери оказывали влияние на температуру частей машины, время работы при постоянной нагрузке, за которое машина не нагревается до установившейся температуры, и время стоянки, за которое машина не охлаждается до температуры окружающей среды.

Повторно-кратковременный режим с влиянием пусковых процессов S4: t п и t н — время пуска и торможения

Повторно-кратковременный режим с влиянием пусковых процессов и электрическим торможением S5 — последовательность идентичных циклов работы, каждый из которых включает достаточно длительное время пуска, время работы при постоянной нагрузке, за которое машина не нагревается до установившейся температуры, время быстрого электрического торможения и время стоянки, за которое машина не охлаждается до температуры окружающей среды.

Повторно-кратковременный режим с влиянием пусковых процессов и электрическим торможением S5

Перемежающийся режим работы S6 — последовательность идентичных циклов, каждый из которых включает время работы с постоянной нагрузкой и время работы на холостом ходу, причем длительность этих периодов такова, что температура машины не достигает установившегося значения.

Перемежающийся режим работы S6: to — время холостого хода

Перемежающийся режим с влиянием пусковых процессов и электрическим торможением S7 — последовательность идентичных циклов, каждый из которых включает достаточно длительный пуск, работу с постоянной нагрузкой и быстрое электрическое торможение. Режим не содержит пауз.

Перемежающийся режим работы с влиянием пусковых процессов и электрическим торможением S7

Перемежающийся режим с периодически изменяющейся частотой вращения S8 — последовательность идентичных циклов, каждый из которых включает время работы с неизменной нагрузкой и неизменной частотой вращения, затем следует один или несколько периодов при других постоянных нагрузках, каждой из которых соответствует своя частота вращения (например, этот режим реализуется при переключении числа пар полюсов асинхронного двигателя). Режим не содержит пауз.

Перемежающийся режим работы с периодически изменяющейся частотой вращения S8

Учет режима работы имеет большое значение при подборе двигателя. Мощности двигателей, указанные в каталогах, приведены для режима S1 и нормальных условий работы, кроме двигателей с повышенным скольжением.

Если двигатель работает в режиме S2 или S3, он нагревается меньше, чем в режиме S1, и поэтому он допускает большую мощность на валу.

При работе в режиме S2 допустимая мощность может быть повышена на 50 % при длительности нагружения 10 мин, на 25 % — при длительности нагружения 30 мин, на 10% — при длительности нагружения 90 мин.

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети: