Асинхронни двигатели във високоциклични приложения

ЕлектроапаратурaСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 7, 2006

 

Работни режими, оразмеряване на двигателя, ограничения в използването им

Редица специалисти са на мнение, че маломощни асинхронни двигатели в комбинация с честотни инвертори могат успешно да се използват за реализация на различни задвижвания с високоцикличен режим на работа. Маломощните асинхронни двигатели заменят традиционни технически решения като по-мощни АС двигатели и серводвигатели. Сред основните предимства на маломощните асинхронни двигатели в подобни високоциклични приложения е по-ниската им цена, което е от определящо значение за икономичността на решението. За да изпълняват ефективно специфичните задачи, характерни за подобни приложения, маломощните асинхронни двигатели трябва да отговарят на специални изисквания, свързани с големия брой пускове и спирания на машината.

Традиционните
решения

Традиционно използваният начин за реализиране на работния режим в приложения, характеризиращи се с многобройни пускове и спирания са спирачна система със съединител или серводвигател. За съжаление тези решения са скъпи, а използването на спирачна система и съединител е свързано с необходимост от периодична поддръжка. От друга страна, използването на серводвигатели или спирачни системи не винаги е целесъобразно, тъй като възможностите им често превишават изискванията на високоцикличните приложения. Тогава, възниква напълно резонния въпрос - какво е оптималното техническо решение за приложения, при които са характерни чести пускове и спирания. Редица специалисти са на мнение, че за целта много успешно се използват маломощни асинхронни двигатели с променливотокови инвертори. Особено в приложения с 10 до 30 пуска в минута.

Инженерният смисъл
на високоциклични

Двигателите в немалко приложения се пускат веднъж - в началото на работния ден. Не са изключение и приложения, в които се налага пускане и повторно развъртане на двигателя през един час. Обикновено, това включва представата за нормална работа на задвижването. Трябва да се направи и разлика между високо- и много високо циклични режими на работа. Първата категория включва до 30 пускания и спирания в рамките на една минута, докато при втората стойностите достигат 50-60 пуска/стопа и дори повече. Типични приложения, с високоцикличен режим на работа на двигателя са палетизиране, пакетиране, позициониране на изделия и др.

Ограничения
при използването

Голяма част от маломощните АС двигатели могат безпроблемно да се използват в технически приложения, за които са характерни до 10 - 15 пускания, респективно спирания за минута. Ограниченията в областта на приложение на преобладаващата част от разработените съобразно изискванията на NEMA асинхронни двигатели се дължат на комплекс от фактори. На първо място, за първия етап от работния цикъл е характерен голям пусков ток, който предизвиква отделяне на топлинна енергия. Така генерираната топлина трябва да се разсее при работа на двигателя в установен режим. Ако между отделните пускове на двигателя няма технологично определен минимален период от време съществуват всички необходими предпоставки за повреда на двигателя. Броят на допустимите пускания, респективно спирания на асинхронните двигатели зависи от инерцията на външните за двигателя товари, загубите от триене и работния режим на машината.

Конструкция
на двигателя

За да се използват най-целесъобразно във високоциклични приложения, маломощните асинхронни двигатели трябва да бъдат коректно избрани в зависимост от изискванията на приложението и съответния инерционен товар. Когато се избира двигател за приложение, изискващо множество пускания и спирания за минута, първият въпрос на който следва да се отговори е какъв е инерционният товар, на който е подложен валът на двигателя.

Всеки инженер знае, че инерцията е функция на кинетичната енергия. Всеки движещ се обект, било то двигател, маховик или товар върху транспортна лента, притежава кинетична енергия, която е равна на масата му по квадрата на скоростта. Един обект, който се намира в състояние на покой и друг, който се движи с постоянна скорост, за да бъдат ускорени се нуждаят от приложението на външна сила. Инерцията на един обект е правопропорционална на големината на силата, необходима, за да се внесе изменение в големината на скоростта или направлението на движение на обекта. Следователно във високоциклични приложения инерцията на двигателя е много важна:

Инерционен момент на двигателя = Инерционен товар x (ъглова скорост на товара/ъглова скорост на двигателя)2

Като правило, двигателите с по-малък диаметър и по-голяма дължина на ротора имат по-добри инерционни характеристики в сравнение с двигатели, които имат по-къс ротор с по-голям диаметър. Обикновено двигателите с по-голямо хлъзгане, по-високо съпротивление на ротора и по-голямо съотношение въртящ момент/големина на тока са по-подходящи за високоциклични приложения.

Режим на работа

Той се определя от промените в натоварването (въртящия момент), на които е подложен двигателя при дадени обороти на въртене за определен период от време. Повечето циклични работни режими обхващат четири основни етапа. Първият включва периода на ускоряване, в който товарът се привежда от състояние на покой в движение. По време на този период въртящия момент на двигателя достига най-висока стойност.

Вторият етап е т.нар. установен режим на работа на машината, в който оборотите на въртене на ротора са постоянни. Характерно тук е, че изискванията към въртящия момент на двигателя са най-малки. Третият етап от работния режим е аналогичен на първия. Разликата е, че от установен режим машината трябва да бъде приведена отново в състояние на покой, т.е. говорим за обратно или отрицателно ускорение на двигателя. Изискванията по отношение въртящия момент на двигателя са сходни с тези в първия етап. Конкретните изисквания към въртящия момент на двигателя са функция на оборотите на въртене на вала в установения режим и периодът от време, за който машината трябва да бъде приведена в състояние на покой. Последният, четвърти етап е този, при която двигателят е в покой преди старта на следващия работен цикъл. Сумата от четирите времеви периода се нарича продължителност на работния цикъл. В графичен вид режимът на работа на двигателя се представя с трапецовидна крива.

Изчисляване
на товара
на двигателя

Първата стъпка при пресмятането на двигателя е да се определи общата инерция на системата, включително и инерцията на двигателя. Съществуват два вида движение на товарите - въртеливо и постъпателно. Към първия вид - товарите с ротационно движение принадлежат вентилаторите, маховиците и др. Представители на втората група са различни като изпълнение и предназначение транспортьори. Обикновено товарът се привежда в движение при по-ниска скорост от номиналните обороти на въртене на двигателя. Поради тази причина инерцията на привеждания в движение товар трябва да бъде преобразувана към инерцията на вала на двигателя, или с други думи да се приведе до оборотите на въртене на вала.

За преобразуване на инерцията, характерна за ротационно движение към инерцията на вала на двигателя се използва следното уравнение:

Инерция при ротационно движение = Инерционен товар x (обороти на товара/обороти на въртене на двигателя)2

В случаите, при които се преобразува инерцията на привеждан в постъпателно движение товар се използва зависимостта:

Инерция при постъпателно движение = W{(V/(6,28.N)2),

където с W е означено теглото на товара в килограми, с V - линейната скорост на товара (м/сек), а с N - оборотите на двигателя в минута.

Изчисляване на въртящият момент
на двигателя

Въртящият момент на двигателя, необходим за привеждане в движение на товари е различен във всеки от етапите на работния цикъл. Например триенето и загубите в лентата от деформация в лентата на хоризонтален конвейер предизвикват появата на товарен момент. Въртящият момент в процеса на пускане на предавката е и най-големият необходим въртящ момент по време на работния цикъл, тъй като включва инерционния момент плюс товарния момент. За втория етап от работния цикъл - установения режим на работа, е характерен само товарния момент. Въртящият момент в третата фаза представлява въртящия момент, необходим за да се приведе товара в състояние на покой минус товарния момент. Следователно:

Въртящ момент в процеса на ускорение на товара = инерционен момент + товарен момент;

Въртящ момент в процеса на привеждане на товара в покой = инерционен момент - товарен момент.

След изчисляване на въртящите моменти, характерни за всеки етап от работния цикъл е възможно да се изчисли средноквадратичния въртящ момент. За конкретния пример би могъл да се избере по-малък и по-евтин двигател, тъй като единственият пик на въртящия момент е в процеса на ускоряване на товара. Известно е, че всеки двигател би могъл да бъде натоварен над номиналните си параметри за кратък период от време. Средноквадратичният въртящ момент за дадено приложение отчита натоварването, характерно за всеки етап от работния цикъл и продължителността му. В конкретния случай, изчисленият средноквадратичен въртящ момент би следвало да се сравни с номиналния товарен момент на двигателя. В случай, че изчисленият средноквадратичен въртящ момент е по-малък от тази стойност, то задвижването може да поеме изчислената максимална стойност на въртящия момент. Това е в сила само за кратки работни цикли с продължителност от 5 минути или по-малко.

Честотни
инвертори

Честотните инвертори се използват в комбинация с маломощни асинхронни двигатели във високоциклични приложения.Сред най-големите им предимства е възможността да се управлява процеса на развъртане и спиране на двигателя. Честотните инвертори се избират в зависимост от необходимата големина на изходния ток (въртящия момент), с отчитане на пиковия въртящ момент. В редица приложения се изисква динамичен спирачен режим в случаи на възникване на т.нар. изпреварващи товари. Те се появяват във фазата на обратно ускоряване на двигателя, когато инерционният товар се противопоставя на намаляването на оборотите на двигателя. Той започва да работи като генератор и връща енергия обратно в задвижването, което води до повишаване на напрежението на постояннотоковата шина. В резултат се създават предпоставки за повреда на задвижването. За да се избегне това, задвижването се оборудва със специален демпферен резистор, който поема регенерираната енергия, създадена от двигателя.

Понижаващ
редуктор

В много случаи техническата реализация на високоциклични задвижвания включва използването на понижаващ редуктор. Основната причина, налагаща включване на редуктор в конструкцията на задвижванията е необходимостта от увеличаване на въртящия момент и намаляване на оборотите на изходния вал. Освен това редукторът намалява инерционния товар с квадрата на предавателното отношение. Например, при предавателно отношение на понижаващия редуктор 2:1, той ще намали инерционния товар четири пъти. От друга страна, при избора на понижаваща зъбна предавка трябва да се подходи с повишено внимание, тъй като редукторът е подложен на циклично натоварване. Затова, когато във функцията на редуктор се използва фабрично произведен възел е необходимо внимателно да се проучат техническите спецификации, предоставени от компанията-производител.

Конструкция на асинхронните двигатели

Асинхронните електродвигатели дължат широкото си разпространение за решаване на различни инженерни задачи на сравнително елементарната си конструкция, малкият брой подвижни части и високата износоустойчивост на елементите на двигателя. Тя се дължи преди всичко на отсъствието на колектор и свързаните с него триене, искрене, износване на четките и контактните елементи. Важно предимство на тези машини е прякото им захранване от мрежа за променлив ток. Основно предимство на асинхронните двитатели, имащо определящо значение за възможността да бъдат използвани във високоциклични приложения е компактната им конструкция. При една и съща изходна мощност, тези двигатели се отличават с по-малки габарити в сравнение с други видове двигатели.

Повече за NEMA

Националната асоциация на производителите на електроапаратура NEMA се занимава с разработването и внедряването на нови стандарти в електротехническата индустрия. Обект на NEMA са сигурността и разнообразието на електроапаратурата. От чисто американска NEMA се превръща в международна организация включваща в себе си повече от 430 компании от цял свят. В момента в асоциацията членуват водещи компании като GE, Areva, Bosch, Philips, Siemens, Toshiba и др. Дейността на NEMA е разделена в отделни дивизии, отговорни за широк диапазон от браншове - от индустриалната автоматизация до медицинското оборудване. Главната й квартира се намира в САЩ, щата Вирджиния.




ЕКСКЛУЗИВНО

Top