Проектирование электропривода. Выбор типа и мощности двигателя

Проектирование электропривода выполняется на основе ряда критериев при учете системы конкретных ограничений. Основные этапы инженерного проектирования следующие.

Формулировка задачи – первый, наиболее ответственный этап проектирования. На этом этапе формулируются лишь самые главные черты объекта до и после проектирования.

Анализ задачи – выявление всех существенных качественных и количественных признаков создаваемого объекта в исходном (до проектирования) и конечном (после проектирования) состояниях, определение ограничений и назначение критериев, по которым будет оцениваться качество спроектированного объекта.

Поиск возможных решений. Предлагается, как правило, несколько решений, которые в принципе соответствуют задаче.

Выбор решения. Выбор осуществляется из множества возможных на основе критериев и с учетом ограничений.

Детальная разработка выбранного технического решения. Это этап окончательного выбора оборудования, расчета характеристик, составления алгоритмов управления, конструктивной компоновки узлов, оценки основных показателей и т.п.

Выбор типа и мощности двигателя – один из ответственных этапов проектирования привода, т. к. именно двигатель осуществляет электромеханическое преобразование энергии и в значительной мере определяет технические и экономические качества привода в целом.

Важным качеством двигателя является надежность его работы при минимуме капитальных затрат и эксплуатационных издержек. Это требование может быть удовлетворено лишь при выборе двигателя соответствующей мощности. Применение двигателя завышенной мощности влечет за собой неоправданное повышение капитальных вложений, снижение КПД, а для асинхронных двигателей – ухудшение коэффициента мощности. Применение двигателей недостаточной мощности может привести к нарушению нормальной работы механизма, возникновению аварий и сокращению нормального срока службы двигателя.

Нагрузка на двигатель при длительном ее воздействии ограничивается нагревом, а при кратковременном – его перегрузочной способностью. Перегрузочная способность λ представляет собой отношение максимального момента, который способен развить двигатель хотя бы кратковременно, к его номинальному моменту:

Для асинхронных двигателей максимальный момент ограничен критическим значением момента; для синхронных – значением момента, при котором возможна устойчивая работа двигателя в синхронном режиме, для двигателей постоянного тока максимальный момент ограничен значением, при котором коммутация тока протекает без опасного искрения на коллекторе.

Ограничение по нагреву двигателей определяется теплостойкостью их изоляции. При соблюдении установленных заводом ограничений по температуре срок службы изоляции электрических машин составляет около 10 лет, что и является нормальным сроком их эксплуатации. Нагрев изоляции выше предельных значений недопустим, т. к. вызывает сокращение срока службы электрических машин. Предельные температуры обмоток двигателей с различными классами изоляции соответствуют номинальной нагрузке двигателей и температуре окружающей среды +40 °С. Если действительное значение температуры t_окр <+40 °С, то двигатель без опасности перегрева может быть нагружен несколько выше номинальной нагрузки; при t_окр> +40 °С нагрузка двигателя должна быть снижена против номинальной.

При выборе мощности двигателя основными исходными данными являются требуемые моменты, которые должны быть приложены к валу механизма, требуемые скорости и ускорения рабочего органа механизма. Эти величины должны быть известны из требований технологического процесса.

Задача выбора мощности двигателя осложняется тем, что в динамическом режиме момент, развиваемый двигателем, не равен моменту статической нагрузки, а разница – динамический момент – зависит от суммарного момента инерции привода, в который входит и момент инерции двигателя. В связи с этим в тех случаях, когда динамические режимы играют заметную роль, задача решается в два этапа: предварительный выбор двигателя и его проверка по перегрузочной способности и по нагреву. В частном случае, когда двигатель работает преимущественно в установившихся режимах (M = M_c), выбор двигателя может быть произведен непосредственно по требуемым М_с и w.

Исходные данные для обоснованного выбора двигателя обычно представляются в виде нагрузочных диаграмм механизма, т.е. зависимостей М_с(t) и w(t) и приведенного момента инерции J_м¢. Зависимость w (t) иногда называют тахограммой. Иногда М_с(t) зависит от пути, в этом случае при известной скорости можно перестроить заданный график М_с(j), получив его в виде М_с(t).

Нагрузочные диаграммы механизма могут иметь разнообразный вид, однако всегда можно выделить цикл, т.е. промежуток времени t_ц, через который диаграмма повторяется. Если характер работы таков, что режимы воспроизводятся нерегулярно (лифт, подъемный кран и т.п.), строят нагрузочные диаграммы для наиболее вероятного или наиболее тяжелого цикла.

Проверка двигателя по нагреву, сводящаяся к оценке фактической температуры изоляции обмоток и сравнению ее с допустимой, также выполняется с использованием нагрузочных диаграмм двигателя. Эта операция выполняется с использованием тепловой модели двигателя.