Что такое нагрузочная диаграмма двигателя

9.4. Нагрузочные диаграммы электроприводов

Нагрузочная диаграмма электропривода ха­рактеризует зависимость вращающего момента, тока или мощности, развиваемой двигателем, от времени. Нагрузоч­ные диаграммы используются для оценки перегрузочной способности электропривода и сопоставления ее с допусти­мой кратковременной нагрузкой для данного типа электро­двигателя, а также для проверки мощности предварительно выбранного двигателя по нагреву.

Нагрузочная диаграмма электропривода учитывает ста­тические и динамические нагрузки, преодолеваемые элект­роприводом в течение цикла работы механизма.

Статические нагрузки определяются на основании тех­нологических данных, характеризующих работу того или иного класса производственных механизмов, а динамиче­ские нагрузки оцениваются инерционными моментами, ко­торые развиваются электроприводом для обеспечения соот­ветствующих угловых ускорений, обусловливающих за­данную производительность механизмов.

Рассмотрим примеры построения нагрузочных диаграмм электропривода некоторых типовых механизмов.

а) Нагрузочная диаграмма электропривода

шахтного подъемника с уравновешенным

Кинематическая схема шахтного подъемника с уравновешенным канатом и шкивом трения представлена на рис. 9.22, где 1 и 2 — клети, в которых поднимается

или спускается полезный груз G; Ш_т — шкив трения, не­посредственно соединенный с приводным двигателем М, и Ш_н — направляющие шкивы. Канат, закрепленный сво­ими концами с клетями и охватывающий шкивы, приво­дится в движение двигателем.

В соответствии с технологическими данными механиче­ского оборудования и требуемой производительностью шахты задается примерная диаграмма скорости (тахограмма)

Рис. 9.22. Кинематическая схема шахтного ^подъемника с уравнове­шенным канатом и шкивом трения.

одного цикла работы подъ­емника υ = f (f) (рис. 9.23, а), предусматриваю­щая: время углового уско­рения t₁, длительность установившегося режима t₂, углового замедления t₃ и время паузы между со­седними подъемами t₄. По­следующие циклы работы подъемника повторяются. Графику скорости соответ­ствует график углового ус­корения и замедления (рис. 9.23, б), значения которых постоянны по абсолютно-

му значению и имеют разные знаки соответст­венно на участках t₁ и t₃. На участках пуска и торможения

динамические составляющие момента равны M_дин=J_Σdω/dt

и показаны на рис. 9.23, в. Далее определяется статический момент нагрузки, приведенный к валу двигателя: M_c = = F_cR/η, где F_c — расчетное усилие на окружности шкива трения; R — радиус шкива трения; η — КПД передачи. Силы тяжести клетей и каната в расчет статического мо­мента не входят, так как они уравновешены. Но масса всех поступательно движущихся и вращающихся элементов системы учитывается в связи с определением суммарного мо­мента инерции привода. Сюда же входит и момент инерции приводного двигателя, мощность и угловая скорость кото­рого должны быть предварительно выбраны.

Ориентировочно мощность двигателя рассчитывается поформуле

где k—коэффициент запаса (k = 1,2 — 1,3), учитываю­щий влияние динамических моментов; υ_y — установившаяся угловая скорость подъем­ника, по значению которой в соответствии с равенст­вом —υ_y = ωR устанавли­вается номинальная угло­вая скорость двигателя.

Рис. 9.23. К построению нагрузоч­ной диаграммы электропривода шахтного подъемника.

а — диаграмма скорости электропри­вода (тахограмма); б — график уско­рения привода; в —- график динамиче­ского момента; г — нагрузочная диаг­рамма подъемника (механизма); д — нагрузочная диаграмма электропри­вода.

Очевидно, что в рас­сматриваемом случае мо­мент М_с остается постоян­ным. Зависимость М = f (t), представляющая собой нагрузочную диаг­рамму электропривода, мо­жет быть получена в ре­зультате суммирования статического и динамиче­ского моментов, т. е. М(t)=М_С + М_ДИН(t). Гра­фик М = f (t) показан на рис. 9.23, д. В зависимо­сти от соотношения стати­ческого и динамического моментов на участке замед­ления привода может воз­никать либо положитель­ный, либо отрицательный момент. Данная нагрузоч­ная диаграмма иллюстрирует повторно-кратковременный режим с частыми пусками (типа S4), при наличии от­рицательных моментов на участке замедления нагрузочная диаграмма будет близка к диаграмме режима S5.

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Нагрузочная диаграмма — электропривод

Нагрузочная диаграмма электропривода характеризует зависимость вращающего момента, тока или мощности, развиваемой двигателем, от времени. Нагрузочные диаграммы используются для оценки перегрузочной способности электропривода и сопоставления ее с допустимой кратковременной нагрузкой для данного типа электродвигателя, а также для проверки мощности предварительно выбранного двигателя по нагреву. [1]

Нагрузочная диаграмма электропривода учитывает статические и динамические нагрузки, преодолеваемые электроприводом в течение цикла работы механизма. [2]

Нагрузочные диаграммы электроприводов характеризуют собой зависимость вращающего момента, тока и мощности двигателя от времени работы привода. Построение нагрузочных диаграмм основано на учете особенностей совместной работы двигателей и исполнительных механизмов. Для их построения необходимо знать характер изменения момента сопротивления механизма и законы протекания переходных процессов в электроприводах. [3]

Нагрузочные диаграммы электроприводов характеризуют собой зависимость вращающего момента, тока и мощности двигателя от вре-мени работы привода. Построение нагрузочных диаграмм основано на учете особенностей совместной работы двигателей и исполнительных механизмов. Для их построения необходимо знать характер изменения момента сопротивления механизма и законы протекания переходных процессов в электроприводах. [4]

Если нагрузочная диаграмма электропривода задана графиком мощности, развиваемой двигателем, то проверка его по нагреву может быть произведена в том случае, когда между мощностью и током существует прямая пропорциональность. [5]

Используя полученную нагрузочную диаграмму электропривода , проверяем выбранный двигатель по допустимой нагрузке и по нагреву, применяя, методы, изложенные в последующих параграфах. [6]

Для построения нагрузочных диаграмм электропривода , кроме характера изменения момента сопротивления производственного механизма, необходимо также знать законы протекания переходных процессов в электродвигателе. [7]

Ход построения нагрузочных диаграмм электропривода для механизмов I класса удобнее всего проследить на примере одного из типичных механизмов, которым может служить шахтный подъемник с уравновешенным канатом и шкивом трения. [8]

Для построения нагрузочных диаграмм электропривода , кроме характера изменения момента сопротивления производственного механизма, необходимо также знать законы протекания переходных процессов в электроприводе. [9]

Ход построения нагрузочных диаграмм электропривода для механизмов I класса удобнее всего проследить на примере одного из типичных механизмов, которым может служить шахтный подъемник с уравновешенным канатом и шкивом трения. [10]

Для построения нагрузочной диаграммы электропривода необходимо учесть периоды пауз. Если полагать, что двигатель не отключается, то нагрузка его в периоды пауз обусловлена потерями холостого хода станка. [12]

В основу построения нагрузочных диаграмм электропривода положено уравнение движения. Мс, нагрузочные диаграммы производственного механизма совпадают с нагрузочными диаграммами электропривода, построение участков нагрузочных диаграмм, относящихся к переходным режимам, является одной из ответственных и трудных задач. В большинстве случаев моменты двигателя и статического сопротивления в переходных режимах имеют сложную зависимость от скорости. Аналитическое решение уравнения движения в этом случае невозможно, поэтому прибегают к графическим или граф о-а налитическим методам, которые подробно рассмотрены в специальной литературе по электроприводу. [13]

Почему для построения нагрузочной диаграммы электропривода необходимо предварительно произвести ориентировочный выбор двигателя. [14]

Рассмотрим примеры построения нагрузочных диаграмм электропривода некоторых типовых механизмов. [15]

Нагрузочные диаграммы механизма и двигателя

Исходные данные для выбора двигателя обычно представляются в виде нагрузочных диаграмм механизма , т.е. зависимостей М с (t) и w (t) и приведенного момента инерции J м ў (см. п.2.2). 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, вообще говоря, могут иметь любой вид, однако всегда можно выделить цикл, т.е. промежуток времени t ц , через который диаграмма повторяется. Если характер работы таков, что режимы воспроизводятся плохо (лифт, подъемный кран и т.п.), строят нагрузочные диаграммы для наиболее вероятного или наиболее тяжелого цикла.

Следует особо подчеркнуть, что для обоснованного выбора двигателя требуемая нагрузочная диаграмма механизма должна быть известна. На рис. 2 в качестве примера приведены требуемые нагрузочная диаграмма и тахограмма некоторого механизма (верхние для графика).

Рис. 2. Нагрузочные диаграммы механизма и двигателя

Для предварительного выбора двигателя по известной нагрузочной диаграмме механизма можно найти средний момент статической нагрузки

,

где М c i – момент статической нагрузки на i -ом интервале;

t i – продолжительность i -ого интервала;

n – число интервалов, где M с = const .

Номинальный момент искомого двигателя с учетом динамических нагрузок может быть оценен как

.

В качестве номинальной скорости следует взять w макс , если регулирование однозонное вниз от основной скорости, или w мин , если регулирование однозонное вверх от основной скорости. По найденным таким образом величинам М н и w н можно выбрать двигатель по каталогу и, следовательно, определить его момент инерции, построить механические характеристики, кривые переходных процессов.

После того, как двигатель предварительно выбран, можно перейти к построению нагрузочной диаграммы двигателя , т.е. зависимости М(t) . Это построение сводится к решению уравнения движения

одним из описанных в гл.5 приемов.

На рис. 2 внизу показана нагрузочная диаграмма двигателя, построенная в предположении, что при изменении скорости M » cons t , а при набросе и сбросе нагрузки привод работает на линейной механической характеристике.

Нетрудно видеть, что нагрузочная диаграмма двигателя существенно отличается от нагрузочной диаграммы механизма. На рис. 3 – 5 показано еще несколько типичных нагрузочных диаграмм и соответствующие

динамические характеристики привода.

Рис. 3 соответствует случаю, когда механизм с M с = cons t работает

в режиме изменяющейся скорости. Идеализированная динамическая механическая характеристика показана внизу. Следует отметить, что при построении нагрузочных диаграмм двигателя часто прибегают к подобной идеализации, так как для целей выбора двигателя детали диаграммы, обусловленные особенностями конкретной характеристики, обычно несущественны.

Рис. 3. Нагрузочная диаграмма при М с = const и w = var

На рис. 4 показана нагрузочная диаграмма привода, работающего в режиме частых пусков и торможений, осуществляемых по характеристикам, приведенным внизу. Графики w (t) М(t) построены в соответствии с правилами, изложенными в п. 5.2.

Рис. 4. Нагрузочная диаграмма при частых пусках – торможениях

На рис. 5 показаны нагрузочные диаграммы электропривода с пиковым характером нагрузки при линейной механической характеристике двигателя. Момент статической нагрузки изменяется мгновенно от М с0 до М с1 . Момент, развиваемый двигателем при приложении М с1 выразится как

,

а при снятии нагрузки

,

где .

Рис. 5. Нагрузочная диаграмма маховикового электропривода

Величины M ў , М ў ў и w ў , w ў ў при заданных t 1 и t 2 определяются значением T м . Если T м мала, то момент, развиваемый двигателем, будет повторять изменение М с . Если, напротив, T м велика, то M ў , М ў ў и w ў , w ў будут мало отличаться от соответствующих средних значений М с ср и w ср благодаря тому, что энергия, запасенная во вращающихся частях привода на интервале t 1 ( М с = М с 0 ) будет расходоваться на покрытие пика нагрузки на интервале t 2 ( М с = М с 1 ). При w » w ср эта энергия пропорциональна площадям, заштрихованным на рис. 5. “Спрямление” нагрузочной диаграммы двигателя при пиковом характере нагрузки часто оказывается весьма полезным, так как позволяет снизить требования к перегрузочной способности двигателя и уменьшить потери в двигателе.

Увеличение Т м в этих случаях достигается использованием маховика с моментом инерции и выбором соответствующей величины жесткости механической характеристики двигателя b .

Нагрузочная диаграмма двигателя, как отмечалось, служит основой для проверки предварительно выбранного двигателя по перегрузочной способности и по нагреву.

Проверка по перегрузочной способности сводится к проверке выполнения условия

,

где — максимальный момент из нагрузочной диаграммы двигателя;

— допустимый по перегрузке момент двигателя.

Для двигателя постоянного тока нормального исполнения

;

для асинхронного двигателя с учетом возможного снижения напряжения питания на 10%

;

для синхронного двигателя нормального исполнения

.

Асинхронные короткозамкнутые двигатели дополнительно проверяются по пусковому моменту; для нормального пуска должно выполняться условие:

,

где — максимальный момент статической нагрузки, при котором должен выполняться пуск привода;

— пусковой момент двигателя.

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

Исследование нагрузочных диаграмм электродвигателя

Цель работы: Снять и построить нагрузочные диаграммы электродвигателя постоянного тока с независимым возбуждением при продолжительной переменной нагрузке.

Краткая теория

Выбор электродвигателей для работы в системах автоматизирован­ного электропривода представляет собой важную и сложную задачу. От того, насколько правильно она будет решена, зависят технико-эко­номические показатели работы системы рабочая машина — электро­привод.

Основным требованием при выборе электродвигателя является со­ответствие его мощности условиям технологического процесса рабочей машины. Применение двигателя недостаточной мощности может при­вести к нарушению заданного цикла, снижению производительности ра­бочей машины. При недостаточной мощности двигателя будут иметь место также его повышенный нагрев, ускоренное старение изоляции и выход двигателя из строя, что вызовет прекращение работы машины и экономические потери.

Недопустимым является также использование двигателей завышен­ной мощности, так как при этом не только повышается первоначальная стоимость электропривода, но увеличиваются и потери энергии за счет снижения КПД двигателя, а для асинхронного электропривода, кроме того, снижается коэффициент мощности.

Основой для расчета мощности и выбора электродвигателя являются нагрузочная диаграмма и диаграмма скорости (тахограмма) исполнитель­ного органа рабочей машины.

Нагрузочной диаграммой испол­нительного органа рабочей машины называется зависимость приведенно­го к валу двигателя статического мо­мента нагрузки от времени M_c(t). Эта диаграмма рассчитывается на основании технологических данных, характеризующих работу рабочих машин.

Диаграммой скорости или тахограммой называется зависимость скорости движения исполнительного органа от времени v_{и. о}(t) или w_{и. о}(t). После выполнения операции приведения эти зависимости изображаются в виде графика w(t). Пример нагрузочной диаграммы и тахограммы показан на рис. 2.36.

По нагрузочной диаграмме возможно определить приблизительную номинальную мощность электродвигателя, по следующей зависимости , где k_зап – коэффициент запаса, принимаемый при выборе электродвигателя, М_экв — эквивалентный момент нагрузки. Если эквивалентный момент изменяется с течением времени, то его определяют как среднеквадратичную величину

, (2.45)

где t_п – продолжительность работы электродвигателя, M_i – момент на валу электродвигателя на участке, t_i – время работы двигателя на i – ом участке.

Рис. 2.36. Тахограмма и нагрузочная диаграмма электродвигателя

Метод эквивалентных величин выбора мощности электродвигателя при продолжительной переменной нагрузке даёт точные результаты лишь тогда, когда изменение нагрузки влияет лишь на величину переменных потерь, но постоянные потери (магнитные и механические) остаются неизменными. Отсюда данный метод можно применять только к тем электродвигателям, у которых изменение нагрузки не вызывает значительных изменений частоты вращения вала электродвигателя. Данное положение относится к асинхронным двигателям и двигателям постоянного тока с независимым (параллельным) возбуждением, работающих на естественной характеристике.

2.3.2 Порядок проведения опыта:

· Соберите электрическую схему, позволяющую исследовать работу электромашинного агрегата в двигательном режиме. Принципиальная электрическая схема приведена на рис. 2.15. Обмотка возбуждения машины постоянного тока, используемой как двигатель с независимым возбуждением, присоединена через реостат А1 к нерегулируемому выходу “ВОЗБУЖДЕНИЕ” источника G2. К регулируемому выходу “ЯКОРЬ” источника присоединены последовательно соединенные якорная обмотка того же двигателя, а также реостат АЗ и датчик тока блока А4. Вход питания источника G2 присоединен с помощью электрического шнура к одной из двух розеток “220 В

“ трехфазного источника G1. Обмотка ротора машины переменного тока, используемой как нагрузочный генератор G4 через гнезда “F1”, “FЗ” присоединена к выходу возбудителя G3, вход питания которого присоединен с помощью электрического шнура к одной из двух розеток “220 В

” трехфазного источника G1. Фазы статорной обмотки генератора G4 присоединены к активной нагрузке А2. Указатель частоты вращения Р1 присоединен к выходу преобразователя угловых перемещений G5. В цепь обмотки возбуждения и в якорную цепь двигателя постоянного тока включены амперметры Р2 и РЗ. Соберите схему тепловой защиты машины переменного тока (рис. 2.14). Соедините гнёзда защитного заземления устройств, используемых в эксперименте, с гнездом PE источника питания G1. Переключатели режима работы источника G2 и возбудителя G3 установите в положение “Ручн.”. Регулировочные рукоятки источника G2 и возбудителя G3 поверните против часовой стрелки до упора.

· Переведите регулировочные рукоятки реостатов А1 и А3 в крайнее против часовой стрелки положение.

· Включите источник G1. При этом о работе источника, возможно, судить по наличию свечения индикатора.

· Включите выключатель «СЕТЬ» и нажмите кнопку «ВКЛ» источника G2

· Вращая регулировочную рукоятку источника G2, разгоните двигатель М1 до частоты вращения 1500 мин -1 .

· Включите выключатель «СЕТЬ» и нажмите кнопку «ВКЛ» возбудителя нагрузочного генератора G3.

· Установите произвольное напряжение, вращая регулировочную рукоятку возбудителя генератора G3. Изменяя положение регулировочной рукоятки блока А2 фиксируйте скорость по указателю Р1, ток якоря Ia и напряжение якоря U_а (указатель напряжения генератора G2) двигателя М1 и время работы электродвигателя на каждом отдельном участке — таблица 2.15 (Программа исследования задаётся преподавателем).

· По завершении эксперимента сначала у возбудителя G3, а затем у источника G2 поверните регулировочную рукоятку против часовой стрелки до упора, нажмите кнопку «ОТКЛ.» и отключите выключатель «СЕТЬ». Отключите источник G1 нажатием на кнопку гриб и с последующим отключением ключа.

· Используя снятые данные, вычислите угловую скорость частоты вращения w и вращающего момента М на валу двигателя по следующим зависимостям.

,

.

• По данным таблицы 2.15 построить тахогрому электродвигателя, нагрузочную диаграмму и диаграмму токов.
• Рассчитать эквивалентный момент на валу электродвигателя.

2.3.3 Контрольные вопросы:

1. Какие номинальные режимы работы электродвигателей существуют?
2. Что представляет собой нагрузочная диаграмма электродвигателя?
3. В чём состоит метод эквивалентных величин при выборе электродвигателя?
4. В каких случаях применим данный метод?
5. Каковы нежелательные последствия работы электродвигателя при перегрузке и недогрузке?

2.4 Список использованной литературы:

1. Чиликин М.Г., Сандлер А.С.Общий курс электропривода.-М.: Энергоиздат,1981, — 576 с.

2. Вольдек А.И. Электрические машины. – Л.: Энергия, 1978.

3. Москаленко В. В. Автоматизированный электропривод: Учебник для вузов. – М.: Энергоатомиздат; 1986. – 416 с.: ил.