Э лектропривод Виды, классификация и режимы работы

Электроприводом называют электромеханическое устройство, предназначенное для приведения в движение рабочих органов ма­шины или исполнительного механизма. Электрическая часть элек­тропривода состоит из электродвигателя, преобразующего элект­рическую энергию в механическую, и электроаппаратуры, служащей для управления электродвигателем. Вращающий момент, со­здаваемый на валу электродвигателя, передается через него и ра­бочие органы машины на вал рабочей машины с помощью пере­даточных устройств: муфт сцепления, шестерен, редукторов, це­пей, ремней, называемых передачей и представляющих собой ме­ханическую часть электропривода.

По структуре схемы передачи энергии от электросети к рабо­чим органам машин различают три основных типа электроприво­да: групповой, одиночный, многодвигательный.

Групповым называют электропривод, у которого от одного электродвигателя с помощью трансмиссии приводится в действие несколько (группа) рабочих машин. Этот тип привода в настоящее время почти не применяется ввиду присущих ему недостатков: тя­желые и громоздкие механические трансмиссии с большим чис­лом узлов трения, подвергающихся износу и вызывающих потери энергии; одновременное прекращение работы всей группы рабо­чих машин при повреждениях в электрической части привода и др.

Одиночный привод, наиболее распространенный, применяет­ся для приведения в действие одним электродвигателем одной какой-либо рабочей машины: конвейера (транспортера), насоса, компрессора и др. При применении одиночного привода можно выбрать для рабочей машины электродвигатель, соответствую­щий требованиям различных производственных процессов. В из­вестных случаях необходимы электродвигатели со строго посто­янной скоростью вращения, в других — требуется автоматичес­кое снижение скорости вращения электродвигателя при увеличе­нии нагрузки на валу рабочей машины (тяговые устройства, бу­ровые установки). Некоторые установки не требуют регулирова­ния скорости или изменения направления вращения (центробеж­ные насосы, компрессоры), другие, наоборот, нуждаются в этом (крановые установки).

Примером многодвигательного привода может служить экскава­тор ЭКГ-4, имеющий четыре электродвигателя: первый — для подъема груза, второй — для напора на грунт, третий — для пово­рота и четвертый — для передвижения. Многодвигательный при­вод позволяет выбрать электродвигатель для каждого рабочего органа машины с необходимыми механическими характеристиками. При этом создаются наиболее благоприятные условия для автоматиза­ции производственных процессов.

По степени автоматизации привод можно разделить: на автоматизированный, полуавтоматизированный, ручной.

Электродвигатели характеризуются номинальными данными, к числу которых относятся следующие величины: мощность; на­пряжение; скорость вращения; коэффициент полезного действия; коэффициент мощности.

Номинальным режимом работы электрической машины называ­ют такой режим ее работы, который рассчитан для данной маши­ны заводом-изготовителем. При номинальном режиме обеспечи­вается нормальная работа электродвигателя и допустимая темпе­ратура его нагрева.

Номинальной мощностью электродвигателя называют полезную механическую мощность на валу, которая выражается в ваттах или киловаттах. Фактическая мощность, развиваемая электродвигате­лем в какой-либо момент времени, называется нагрузкой элект­родвигателя.

Шкала номинальных мощностей электродвигателей различно­го исполнения и назначения установлена Государственными об­щесоюзными стандартами (ГОСТ). Например, для трехфазных асин­хронных электродвигателей общего применения, защищенного и закрытого обдуваемого исполнения серий А2 и А02, имеющих широкое распространение, предусмотрена следующая шкала но­минальных мощностей: 0,6; 0,8; 1,1; 1,5; 2,5; 3; 4; 5,5; 7,5; 10; 13; 17; 22; 30; 40; 55; 75 и 100 кВт.

Номинальные напряжения, на которые выпускают электродви­гатели общего применения переменного трехфазного тока — 220, 380, 500, 3 000 и 6000 В, постоянного тока — ПО, 220 и 440 В.

Номинальный момент вращения (М_н.) электродвигателя разви­вается на его валу при номинальной мощности и номинальной скорости вращения.

Номинальным коэффициентом полезного действия электродви­гателя называют отношение номинальной мощности на его валу к мощности, потребляемой из электрической сети при номиналь­ном режиме. Мощность на валу электродвигателя Р всегда меньше мощности, потребляемой из сети, на величину потерь энергии. Эти потери складываются: из потерь энергии на нагревание про­водников обмоток статора и ротора (потерь в меди), протекаю­щим через них электрическим током; из потерь в стали, возника­ющих за счет перемагничивания и вихревых токов, а также из ме­ханических потерь на трение. Коэффициент полезного действия электродвигателя изменяется в зависимости от его нагрузки: от нуля при холостом ходе до максимального значения, обычно со­ответствующего ее номинальному значению. Все потери энергии в электродвигателе превращаются в тепло, нагревающее его.

По условиям нагрева электродвигателей различают три основ­ных режима их работы: длительный; кратковременный; повторно-кратковременный.

Длительным режимом работы называют режим, при котором все части электродвигателя за время работы достигают установив­шейся температуры. В начале нагрева электродвигателя (после вклю­чения его в работу) лишь часть тепла, выделяющегося в нем за счет потерь электроэнергии, отдается в окружающую среду. Ос­тальная часть аккумулируется (запасается) внутри электродвига­теля и вызывает повышение его температуры, с ростом которой увеличивается отдача тепла в окружающую среду. Увеличение тем­пературы прекращается, когда все выделяющееся в двигателе теп­ло отдается окружающей среде.

Примером длительного режима работы может служить режим работы электродвигателей центробежных насосов, вентиляторов, компрессоров и транспортеров.

Кратковременным режимом работы называют режим, при кото­ром длительность рабочего периода недостаточна для того, чтобы температура электродвигателя достигла установившегося значения. Последующая затем остановка (пауза) электродвигателя настоль­ко продолжительна, что он успевает охладиться до температуры окружающей среды. Для кратковременного режима работы уста­новлены следующие стандартные длительности рабочего периода: 15, 30, 60 и 90 мин. На щитках электродвигателя, предназначенно­го для работы в таком режиме, указывается, на какую стандарт­ную длительность рабочего периода данная машина рассчитана.

В кратковременном режиме работает, например, электродвига­тель механизма подъема стрелы одноковшового экскаватора.

Повторно-кратковременным режимом работы называют режим, при котором за время рабочего периода электродвигатель не успе­вает достигнуть установившейся температуры, а за время последу­ющей паузы не успевает охладиться до температуры окружающей среды. Повторно-кратковременный режим характеризуется вели­чиной относительной продолжительности включения (ПВ), под которой понимается отношение времени работы к общей продол­жительности всего цикла, включающего кроме времени работы также и паузу:

где t — продолжительность рабочего периода; t₀ — продолжитель­ность паузы.

Установлены следующие стандартные значения относительной ПВ: 15, 25, 40 и 60%, причем ПВ, равная 25%, принимается за номинальную. Продолжительность одного цикла не должна пре­вышать 10 мин. Если продолжительность цикла превышает 10 мин, то режим работы электродвигателя считается длительным.

Повторно-кратковременный режим работы весьма распростра­нен для электропривода строительных машин, в таком режиме ра­ботают одноковшовые экскаваторы, различные краны, подъем­ники и другие машины.

На (рис. 5.1) приведены графики работы электродвигателей в раз­личных режимах.

Нагрев и охлаждение электродвигателей

Теряемая в электродвигателе энергия идет на нагрев его час­тей. С момента пуска электродвигателя температура нагрева его постепенно повышается и достигает установившегося состояния, когда количество тепла, выделяемое электродвигателем в едини­цу времени, в тот же промежуток времени отдается в окружаю­щую среду. Допустимая нагрузка электродвигателей определяется нагревом его обмоток, нормы нагрева которых зависят от рода изоляции. Изоляционные материалы, применяемые в электрома­шиностроении, разделяются по теплостойкости на следующие классы изоляции:

Класс 0 — непропитанные волокнистые материалы из целлю­лозы и шелка.

Класс А — пропитанные волокнистые материалы из целлюло­зы и шелка.

Класс В — материалы на основе слюды, асбеста и стекловолок­на, применяемые с органическими связующими и пропитываю­щими составами.

Класс Е — синтетические органические пленки.

Класс F — материалы на основе слюды, асбеста и стекловолок­на, применяемые в сочетании с синтетическими связующими и пропитывающими составами.

Класс Н — материалы на основе слюды, асбеста и стеклово­локна, применяемые в сочетании с кремнийорганическими свя­зующими и пропитывающими составами.

Класс С — слюда, керамические материалы, стекло, кварц, при­меняемые без связующих составов.

Наибольшая допустимая температура нагрева (°С) для изоля­ции класса А — 105; класса В — 130; класса F — 155; класса Н — 180; класса С — более 180.

Понижение температуры у электродвигателей с вентиляцией при холостой работе происходит интенсивнее, чем при полной остановке, так как для охлаждения внутренних частей при их вра­щении создаются более благоприятные условия.

Выбор типа и мощности электродвигателя для различных условий работы

Электродвигатель должен удовлетворять требованиям, предъяв­ляемым к нему со стороны производственного механизма, соот­ветствовать условиям среды, в которой он будет находиться во время работы, обладать достаточной надежностью и экономично­стью, простой по устройству и управлению конструкцией и иметь наименьшую массу и габариты. Выбор электродвигателя произво­дят по роду силы тока и номинальному напряжению; по номи­нальной мощности и скорости; по естественной механической ха­рактеристике; пусковым и тормозным свойствам; регулированию скорости и конструктивному исполнению.

Правильный выбор электродвигателя имеет большое значение. При недостаточной мощности невозможно обеспечить проведе­ние намеченного технологического процесса и, кроме того, дви­гатель может быстро выйти из строя. Излишняя мощность двигате­ля влечет за собой дополнительные капитальные затраты и увели­чивает эксплуатационные расходы вследствие снижения КПД и коэффициента мощности из-за его недогрузки. Каждый электро­двигатель при пуске, остановке и торможении работает в переход­ных режимах, при которых изменяется скорость, вращающий мо­мент и величина силы тока.

Зависимость скорости вращения от вращающего момента назы­вается механической характеристикой электродвигателя, которой оценивают электромеханические свойства двигателей и выявляют пригодность его для исполнительного механизма.

Механические характеристики подразделяются на естественные и искусственные.

Естественная механическая характеристика дает зависимость скорости от вращающего момента для нормальных условий рабо­ты электродвигателя — при номинальном напряжении, без реос­тата и т. п.

Искусственная механическая характеристика соответствует ус­ловиям работы электродвигателя, отличающимся от номинально­го режима, т.е. при пониженном напряжении, при включенном реостате в цепь ротора асинхронного двигателя и т. п.

Механические характеристики подразделяются на следующие виды:

Абсолютно жесткая характеристика электродвигателя оп­ределяется строго постоянной скоростью вращения при различ­ных нагрузках двигателей. Такой характеристикой обладают синх­ронные двигатели.

Жесткая характеристика определяется сравнительно небольшим снижением скорости (не более 5... 10%) при возраста­нии нагрузки. Такую характеристику имеют асинхронные электро­двигатели с короткозамкнутым ротором и электродвигатели по­стоянного тока с параллельным возбуждением.

Мягкая характеристика электродвигателя определяет­ся относительно большим изменением скорости вращения при воз­растании нагрузки. Такую характеристику имеют двигатели посто­янного тока с последовательным возбуждением и асинхронные дви­гатели с сопротивлением в цепи ротора.

Различные механизмы требуют установки двигателей с различ­ной степенью жесткости. Так, например, насосы, компрессоры, транспортеры требуют применения двигателей с жесткой или аб­солютно жесткой характеристикой.

Из существующих двигателей наиболее простыми, надежными в работе, легкими и дешевыми являются асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором, присоединяемые непосредственно к сети. Этот тип двигателей нашел преимущественное применение во всех отраслях промышленности, в тех случаях, когда не требуется плавного регулирования скорости. При ступенчатом регулировании могут применяться многоскоростные асинхронные двигатели.

Асинхронные двигатели с фазным ротором несколько сложнее двигателей с короткозамкнутым ротором, тяжелее и дороже их. Но двигатели этого типа позволяют регулировать скорость, а также вращающий момент при пуске и торможении, что дает возмож­ность получать необходимую плавность хода. При переходных про­цессах двигатели с фазным ротором имеют меньшие потери энер­гии в обмотках, что делает их незаменимыми для работы с часты­ми пусками и остановками. Следует отметить, что двигатели с фаз­ным ротором не дают возможности получить жесткие искусствен­ные механические характеристики при малых скоростях.

При необходимости улучшить регулирование и при большой частоте включений применяются двигатели постоянного тока, бо­лее сложные по устройству и в эксплуатации, а также более доро­гие по сравнению с асинхронными двигателями.

По роду защиты выпускают электродвигатели следующих типов: открытые, у которых все вращающиеся и токоведущие части не имеют специальных защитных приспособлений; для общего применения открытые электродвигатели не изготовляются;

защищенные электродвигатели, у которых все вращающиеся и токоведущие части предохранены от случайных прикосновений, от попадания внутрь посторонних предметов, капель воды, пада­ющих отвесно, или брызг. Этот вид машин не защищен от пыли и вредных газов. Электродвигатели, имеющие защиту от капель, на­зываются каплезащищенными, а от брызг — брызгозащищенными. Защищенные электродвигатели нельзя устанавливать в пожа­роопасных, взрывоопасных помещениях и в помещениях с едки­ми парами и газами;

закрытые электродвигатели, у которых имеются отверстия лишь для ввода проводов и для болтов, скрепляющих детали машины. Закрытые машины подразделяются на обычные, обдуваемые, про­дуваемые (с закрытой вентиляцией) и герметические. В обдувае­мых электродвигателях охлаждающий воздух засасывается венти­лятором и прогоняется через корпус машины. У машин с закры­той вентиляцией охлаждающий воздух подводится через трубы. Закрытые электродвигатели могут быть установлены на открытом воздухе вне зданий, в пыльных и пожароопасных помещениях;

электродвигатели взрывозащищенные. Выпускаются в нескольких исполнениях: взрывонепроницаемые и повышен­ной надежности, предназначенные для работы во взрывоо­пасных помещениях соответствующих классов.

Электродвигатели различной конструкции выполняют преимущественно с горизонтальным валом. Для уменьшения габаритов производственных машин удобно применять электродвигатели с вертикальным валом, имеющим упорные подшипники. Особенно удобно для индивидуального привода машин применять фланце­вые электродвигатели, имеющие вместо лап фланцы для крепле­ния к машине.

Основным показателем, определяющим допустимую нагрузку двигателя или его мощность, является температура нагрева обмо­ток, которая зависит от режима его работы. При длительной неиз­менной или мало изменяющейся нагрузке мощность двигателя определяется по формулам, выведенным аналитическим или опыт­ным путем.