Расчет и выбор автоматизированных электроприводов механизмов

Расчет и выбор автоматизированных электроприводов механизмов является частью электротехнического инжиниринга, который в свою очередь является частью системного инжиниринга, связанного с созданием нового технологического оборудования.
Электротехнический инжиниринг, обеспечивающий разработку и внедрение электромеханического оборудования, включает в себя:
связь с разработчиками технологического оборудования;
разработку технической документации по комплектам электрооборудования, связь с поставщиками и консультантами унифицированных средств автоматизированных электроприводов и другого электрооборудования;
заказ и производство электрооборудования;
монтаж и наблюдение за монтажом электрооборудования на объекте заказчика;
обучение операторов технологического оборудования и обслуживающего персонала;
выполнение пуско-наладочных работ;
гарантийное и сервисное обслуживание.
Расчет автоматизированного электропривода. Этот расчет связан с расчетом мощности электродвигателя, который выполняется в соответствии с режимом работы механизмов технологического оборудования на основании нагрузочных и скоростных диаграмм. Методы расчета и выбора мощности двигателей для длительного, кратковременного, повторно-кратковременного режимов работы изложены в книгах по теории электропривода и в справочниках.
Выбор системы электропривода. Выбор производится на основании требований к регулированию скорости и показателям качества регулирования: диапазону регулирования, плавности, точности поддержания заданной скорости, а также динамическим показателям качества процесса регулирования (быстродействие, перерегулирование и др.).
На выбор системы электропривода могут влиять также условия пуска механизмов. Многие механизмы (например конвейеры) требуют обеспечение пуска под нагрузкой, другие обладают значительными инерционными массами (центробежные вентиляторы главного проветривания шахт, дробилки крупного дробления). В случае применения асинхронных короткозамкнутых двигателей или синхронных с асинхронным пуском может оказаться, что время пуска недопустимо велико и за это время двигатель перегревается.
Завышение мощности и момента двигателя по условиям пуска приводит к его недоиспользованию в режиме рабочего функционирования и ухудшению энергетических показателей. При пуске двигателя механическая часть может испытывать большие перегрузки, что будет неблагоприятно сказываться на долговечности механической части оборудования, особенно при наличии упругих элементов (канаты лебедок, конвейерные ленты и др.). Вследствие этого может оказаться необходимым применение регулируемого привода.
Возможно применение редукторного привода или безредукторного с тихоходным двигателем. Выбор рационального привода может быть выполнен на основании технико-экономического сравнения, которое должно учитывать не только различные стоимости тихоходного и быстроходного (с дополнительным редуктором) двигателей, но и их массу, занимаемую площадь, влияющие на размеры помещения, фундамента, затрат на несущие конструкции при размещении привода.
При номинальной скорости исполнительного органа не менее 300...400 мин-1 предпочтительным является безредукторный привод с прямым соединением вала двигателя с валом рабочей машины (насосы, вентиляторы). При меньшей скорости рабочего органа выбор не однозначен, хотя чаще всего редукторный привод имеет меньшие массу и размеры. Однако сравнение только по этим показателям достаточно для механизмов, не требующих регулирования скорости.
Для механизмов с частыми пусками и реверсами важно сравнить двигатели по их динамическим показателям. Безредукторные электроприводы более динамичны и предпочтительны для регулируемых электроприводов, так как их легче разгонять, тормозить, регулировать скорость. Они широко применяются для шахтных подъемных установок, прокатных станов.
При выборе системы электропривода необходим учет характера нагрузки, создаваемой рабочим механизмом. Для нерегулируемых электроприводов с неравномерной или пульсирующей нагрузкой выравнивание момента двигателя может быть достигнуто увеличением инерционных масс электропривода (у поршневых компрессоров, дробилок крупного дробления), хотя это может затруднить пуск электропривода.
Значительно сложнее решать этот вопрос для регулируемых реверсивных электроприводов, так как увеличение механической инерции снижает быстродействие электропривода. Очень важно решение такой задачи в электроприводах реверсивных прокатных станов.
Наличие в нагрузке пиков требует дополнительной проверки приводов по допустимой перегрузке. В случаях, когда возможны перегрузки, которые не может преодолеть привод, необходимо предусмотреть соответственно настроенную защиту или систему управления, обеспечивающую ограничение тока и момента двигателя и динамические нагрузки в механических передачах (например в экскаваторных электроприводах).
Технические требования, технические условия, техническое задание. Эти документы составляются при проектировании и создании комплектного электрооборудования и его отдельных компонентов. Составление технических требований является одной из основных задач заказчика оборудования. На базе технических требований проектант комплектного электропривода разрабатывает техническое задание, в котором оговариваются все необходимые для данного электропривода технические характеристики, условия эксплуатации, требования по надежности и ресурсу и гарантии поставщика оборудования.
После изготовления и испытаний оборудования поставка производится по техническим условиям на комплектный электропривод и на функционально автономные составляющие комплекта: электродвигатель, полупроводниковый преобразователь, пульты управления и др.
Технические требования, техническое задание, технические условия являются текстовыми документами комплекта конструкторской документации на оборудование.
Технические требования и техническое задание состоят из следующих разделов.
1. Назначение и область применения комплектного электропривода.
2. Технические характеристики электропривода. Приводятся требования к мощности на валу электродвигателя, диапазону регулирования частоты вращения, статической точности и динамическим характеристикам регулируемых переменных электропривода, времени переходных процессов при пуске и торможении. Оговариваются требования к параметрам и мощности питающей сети. В связи с широким использованием регулируемых электроприводов с полупроводниковыми преобразователями при питании от сети ограниченной мощности необходимо сформулировать требования к коэффициентам мощности и нелинейных искажений. Приводятся требования, специфичные для каждого типа машин и технологических процессов.
3. Требования к управлению, сигнализации, защите, диагностированию. Приводятся требования по автоматизации управления электроприводом, устанавливаются количество и характеристики постов оператора, формулируются требования к блокировкам, сигнализации, видам и характеристикам защит, диагностированию. Обязательно указание вида и характеристики сигналов управления, блокировок и защиты (аналоговые, дискретные, ток, напряжение) и уставок защит, сигнализации и диагностирования.
4. Условия эксплуатации. Физическими значениями или ссылками на стандарты формулируются требования к климатическим условиям (температура, влажность, термоциклические воздействия и др.) и воздействию механических факторов (вибрация, удары, крен, специальные механические воздействия). Оговариваются требования к исполнению защиты от внешних воздействий, взрыво-защищенности и др., а также к условиям транспортирования и хранения оборудования.
5. Требования к надежности, ресурсу, обслуживанию и ремонту. В зависимости от назначения и требований к эксплуатации электропривода оговариваются требования к надежности (вероятность безотказной работы и средняя наработка на отказ для невосстанавливаемого оборудования, коэффициент готовности и среднее время восстановления для восстанавливаемого оборудования, к которому чаще всего относится электропривод машин и механизмов). Приводятся ресурс электропривода и комплектного оборудования, порядок и регулярность проведения регламентных и ремонтных работ.
6. Гарантии изготовителя. Оговариваются гарантии предприятия-изготовителя или предприятия— поставщика комплектного электрооборудования.
Технические требования и техническое задание — текстовые документы конструкторской документации, которые должны содержать краткие стандартизованные формулировки с обязательным указанием цифровых данных по всем характеристикам, показателям и условиям эксплуатации (мощности, диапазону регулирования, типам электропривода, типам электрооборудования, температурным условиям, относительной влажности окружающего воздуха, видам защит и др.).
Проектирование оборудования требует не только выполнения расчетов и выбора видов электрических машин и оборудования, но также определения типов этих машин и аппаратуры и выбора их из номенклатуры оборудования, выпускаемого промышленностью.
Первая часть проектирования обычно сосредоточена в пояснительной записке. Вторая часть выражается в составлении перечней оборудования и спецификаций, на основе которых будут производиться заказы. Главной частью проекта являются схемы (функциональные, принципиальные, монтажные), на основе которых выполняется установка электрооборудования, производятся внешние соединения, осуществляется наладка и т. п.
Очень важен выбор соответствующих монтажных размеров, например для двигателей, агрегатируемых с различными механизмами, а также выбор исполнений, отвечающих климатическим условиям и характеру помещений для установки электрооборудования.
Номинальные параметры типового электрооборудования. Эти параметры устанавливаются в соответствии с параметрическими рядами на основе геометрических прогрессий. Так, номинальные мощности электрических машин соответствуют ряду R10 со знаменателем геометрической прогрессии R10 = 1Щ0 =1,25, а номинальные мощности трансформаторов соответствуют ряду R5 со знаменателем R5 = л/fo" ~ 1,6. В стандартах предусматривается возможность округления значений параметров.
Для приемников постоянного тока номинальные напряжения 27; 110; 220; 440 В, а для приемников переменного тока — 40; 220; 380; 660 В. Для источников энергии (генераторов, трансформаторов) номинальное напряжение выше на 5 % (115; 230; 460 В постоянного тока и 230; 400; 690 В переменного тока). Специфическому стандарту подчиняются вторичные напряжения трансформаторов, предназначенных для питания полупроводниковых преобразователей. Эти напряжения таковы, что позволяют получить стандартные значения выпрямленного напряжения.
Номинальные значения частоты вращения машин трехфазного тока определяются известным соотношением, связывающим частоту питающей сети и число пар полюсов с синхронной частотой вращения: яс = 60f/p. Поэтому параметрический ряд синхронных частот вращения при питании от сети с частотой 50 Гц имеет вид: (100); (125); (150); (166,6); (187,5); 200; 250; 300; 375; 500; 600; 750; 1000; 1500; 3000 мин-1. Значения в скобках не рекомендуются к применению. При частоте питания 400 Гц параметрический ряд имеет следующие значения: (1500); (3000); 4000; 6000; 12 000; 24 000 мин-'.
Для электрических машин постоянного тока параметрический ряд номинальных частот вращения близок к ряду синхронных частот. Это объясняется широким опытом создания преобразовательных агрегатов, в состав которых входят машины постоянного и переменного тока, а также необходимостью унификации механического оборудования (редукторов) по частоте вращения первичного двигателя. Для машин постоянного тока параметрический ряд значительно расширен в сторону малых частот вращения. Для двигателей постоянного тока мощностью более 630 кВт, предназначенных для приводов механизмов металлургического производства и шахтных подъемных машин, значения параметрического ряда номинальных частот вращения находятся в пределах от 20 до 1000 мин-1 и соответствуют ряду R10.
Кроме унификации указанных параметров электродвигателей, унифицированы также их размеры (высоты осей вращения) и варианты исполнений по способу монтажа. Возможные конструктивные исполнения для различных типов машин приводятся в каталогах и справочниках.
Климатическое исполнение. Широкое применение электрического оборудования вызвало потребность обеспечения его клима-тостойкости, т.е. способности выдерживать без заметных нарушений нормальных эксплуатационных характеристик климат той местности, для которой оно предназначено. Под этим подразумеваются защита от коррозии и прочие меры, обеспечивающие установленный срок службы и надежную работу в том или ином климатическом районе.
В соответствии с особенностями климата (предельный уровень температуры, влажность и др.) вводится понятие климатических зон и выполняется климатическое районирование, т. е. определение принадлежности района к климатической зоне. При этом имеются в виду макроклиматические зоны, т. е. большие территории с определенными особенностями климата, в отличие от микроклимата отдельных районов.
Для электрооборудования, эксплуатируемого на суше, реках и озерах (в отличие от морских условий), определены следующие климатические исполнения: У — для эксплуатации в зонах с умеренным климатом; ХЛ — для холодного климата; УХЛ — для умеренного и холодного климата; ТВ — для влажного тропического климата; ТС — для сухого тропического климата; Т — для сухого и влажного тропического климата; О — общеклиматическое исполнение.
Климатическое исполнение указывают в типовом обозначении электротехнического оборудования. Вместе с ним указывается категория помещения, в котором допускается его эксплуатация.
Исполнение оболочек электрооборудования по степени защиты персонала от соприкосновения с токоведущими или движущимися частями, находящимися внутри оболочки, а также от попадания посторонних предметов и влаги также регламентировано государственными стандартами.
Применительно к электродвигателям такая классификация дана в п. 1.3.5. Аналогично она применима и к другому электрооборудованию.