CC BY
105
пустимое значение аргумента, то есть по найденному значению определяем допустимую абсолютную погрешность для функции.
Корни составленного уравнения являются абсциссами точек пересечения кривой годовых затрат и прямой. Таким образом, в этом случае будет найдена точка, где находятся корни полученного квадратного уравнения.
В ходе проведенных расчетов было выбрано целесообразное сечение кабеля с присоединяемой нагрузкой в 200 А, равное 50 мм2. Выбор экономически целесообразного сечения дает возможность экономить электроэнергию для относительно коротких линий, что в значительной мере относится к сетям промышленных предприятий.
Литература Артемов А.И. Электроснабжение промышленных предприятий в примерах и задачах [Текст] / А.И. Артемов / Под редакцией В.И. Минченкова. -Смоленск, 2000. - 300 с.
References
Artemov A.I. Jelektrosnabzhenie promyshlennyh predprijatij v primerah i zadachah [Tekst] / A.I. Artemov / Pod redakciej V.I. Minchenkova. - Smolensk, 2000. -300 s.
Яруллин Р.Б. УагыШп КВ.
д-р техн. наук, доцент,
профессор кафедры «Машины, аппараты, приборы и технологии сервиса» ФГБОУ ВО «Уфимский государственный университет экономики и сервиса», Россия, г. Уфа
УДК 621.313.33:64.067
о регулируемом электроприводе техники сервиса
Современный электропривод развивается по пути максимального соответствия электродвигателя рабочей машине, что ведет к широкому распространению регулируемого электропривода переменного тока. Регулируемый и управляемый электропривод является не только основой механизации производственных процессов, но и технической базой совершенствования и автоматизации этих процессов. Поэтому главной тенденцией развития современного электропривода становится переход к регулируемым электроприводам в сочетании со всесторонним приспособлением электропривода к требованиям рабочих механизмов и технологических процессов.
В то же самое время основным потребителем электроэнергии считается электропривод, основную долю которого составляет асинхронный электропривод. Учитывая, что основные потери электроэнергии происходят при энергопотреблении, существенная экономия электрической энергии возможна при использовании частотно-регулируемого асинхронного электропривода с одновременным выполнением всех требований рабочих машин и технологических процессов. Требования рабочих машин к электроприводу определяются их приводными характеристиками (технологическими, механическими, нагрузочными, кинематическими, энергетическими и инерционными). Как известно, выбор рационального электропривода, прежде всего, начинается с определения технологической характеристики производственного механизма, связанной, главным образом, со скоростным режимом процесса, что включает необходимость, диапазон, направление и плавность регулирования, а также стабильность рабочей скорости.
Привод бытовых машин, приборов и аппаратов, а также механизмов в индивидуальном хозяйстве осуществляется коллекторными, однофазными асинхронными и синхронными двигателями. Основная часть бытовых машин получает электропривод от коллекторных двигателей, так как они обеспечивают, с одной
стороны, достижение высоких скоростей рабочих органов без промежуточных передач, с другой стороны, широкий диапазон плавного регулирования скорости. Однако они по сравнению с асинхронными двигателями имеют более сложное устройство, большую стоимость, меньший срок службы, повышенные эксплуатационные расходы, радиопомехи и мягкую механическую характеристику и тем самым низкую стабильность рабочей скорости внутри диапазона регулирования. Однофазные асинхронные двигатели применяются в основном для нерегулируемого привода бытовых машин и механизмов в индивидуальном хозяйстве с частотой вращения менее 3000 об/мин, а также при регулировании скорости в небольших пределах бытовых устройств с вентиляторной механической характеристикой.
Однако однофазные асинхронные двигатели относительно трехфазных двигателей имеют ряд недостатков, поэтому с развитием полупроводниковых преобразователей частоты, которые однофазный ток преобразовывает в регулируемый по частоте и напряжению по требуемому закону трехфазный ток, целесообразно электропривод ряда бытовых устройств переводить на частотно-регулируемый асинхронный электропривод на базе бесконтактного трехфазного двигателя с короткозамкнутым ротором.
На основе анализа пяти технологических процессов в сфере сервиса (деревообработка, отжим белья в барабанных стиральных машинах, кондиционирование воздуха, шитье одежды и пылеудаление) рассмотрена возможность применения для них частотно-регулируемого электропривода на базе трехфазного асинхронного двигателя.
Ключевые слова: энергосбережение, регулирование скорости, диапазон, коэффициент плавности, двигатели, преобразователи частоты.
about the regulated electric drive of technology of service
Modern electric drive developing towards maximum compliance motor driven machine, which leads to a proliferation of controlled electric AC. Regulated and controlled by the drive is not only the basis of mechanization of production processes, but also the technical basis to improve and automate these processes. Therefore, the main trend in the development of modern electric drive becomes a transition to a regulated electric drive, combined with a comprehensive adaptation to the requirements of the drive working mechanisms and processes.
At the same time, a major consumer of electricity is considered to be the drive, the bulk of which is asynchronous electric. Given that the main power losses occur when power consumption is a significant electricity savings possible by using variable-frequency asynchronous electric with simultaneous fulfillment of all the requirements of working machines and processes. Demands of the workers to the motor vehicles are defined by their driving characteristics (technological, mechanical, stress, kinematic, energy and inertia). As you know, the choice of rational electric primarily starts with the definition of the technological characteristics of the production mechanism, associated mainly with high-speed mode process that includes the need, range, direction, and control the smoothness and stability of the operating speed.
Drive household appliances, devices and apparatus, as well as mechanisms to individual farms carried collector, single-phase asynchronous and synchronous motors. The main part of household electric machines prepared by collecting engines because they provide on the one hand, the achievement of high working speeds without intermediate transmissions, on the other hand, a wide range variable speed. However, they are compared with induction motors have a more complex device, a large value, a shorter life, higher maintenance costs, mechanical interference, and a soft characteristic and thus low stability in the operating speed of the control range. Singlephase asynchronous motors are used mainly for household unregulated drive machinery sector individually at a speed of less than 3000 rev / min and by adjusting the speed within a small range of consumer devices with mechanical ventilatory response.
However, single-phase asynchronous motors with respect to three-phase motors have a number of disadvantages, so with the development of semiconductor inverters that convert single phase in the regulated voltage and frequency required by the law of three-phase current, it is appropriate number of electric home appliances translated into frequency-controlled asynchronous electric drive on the basis of non-contact three-phase squirrel cage induction motor.
Based on the analysis 5 processes in service (wood, spin the laundry in the washing machine drum, air conditioning, sewing clothes and dust extraction) considered the possibility of using them for variable frequency drive on the basis of 3-phase induction motor.
Key words: energy saving, variable speed, range, coefficient of smoothness, motors, frequency converters.
Одним из главных приоритетов энергетической стратегии России на период до 2020 года определено снижение удельных затрат на использование энергоресурсов за счет рационализации их потребления, применения энергосберегающих технологий и оборудования.
Установлено [1, 2], что основные потери электроэнергии (до 90%) происходят при энергопотреблении. Поэтому разработки по энергосбережению главным образом должны быть направлены на рационализацию потребления энергоресурсов. Основным потребителем электроэнергии (60^70%) [1, 2, 3] считается электропривод, где основная доля приходится на асинхронный электропривод. Поэтому существенная экономия электрической энергии возможна при использовании системы «полупроводниковый преобразователь частоты -асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором». Установлено [2], что частотно-регулируемый асинхронный электропривод в ближайшие годы становится главным техническим решением массового регулируемого электропривода, который, управляя скоростью рабочего органа производственного механизма в соответствии с требованиями технологического процесса, одновременно экономит и электроэнергию. Рассмотрим специфику электропривода техники сервиса.
Как известно, привод бытовых машин, приборов (БМП) и механизмов в индивидуальном хозяйстве осуществляется в основном универсальными коллекторными, также однофазными асинхронными и только небольшая часть синхронными двигателями.
Коллекторные двигатели находят применение, как правило, в электроприводах БМП с широким диапазоном регулирования скорости (пылесосы, швейные машины, электроинструменты), а также с высокими скоростями более 10 тыс. об/мин (миксеры, взбивалки, кофемолки, соковыжималки, блендеры и т. д.) и с большими моментами трога-ния (стартеры автомобилей, квадроциклов, мини-тракторов).
Однофазные асинхронные двигатели применяются в основном для нерегулируемого привода БМП и механизмов в индивидуальном хозяйстве при частотах вращения менее 3000 об/мин (деревообрабатывающие станки, электропилы, элек-
трорубанки, насосы, холодильники, стиральные машины, газонокосилки, мясорубки и др.). Также они применяются для регулирования скорости в небольших пределах ступенчатым или плавным изменением напряжения обмоток статора двигателей бытовых устройств с вентиляторной механической характеристикой (вентиляторы, воздухоочистители, кондиционеры, тепловентиляторы и т. д.) и ступенчато (барабанные стиральные машины с приводом от одного двигателя) изменением числа пар полюсов поля статора.
Как известно, выбор рационального электропривода начинается, прежде всего, с определения технологической характеристики механизма, связанной, главным образом, со скоростным режимом технологического процесса (необходимость, диапазон, направление и плавность регулирования, а также стабильность рабочей скорости).
Проведем анализ показателей технологических процессов некоторых механизмов сервиса для установления их технологических характеристик (в сборе и обработке материалов в разные годы принимали участие студенты УГУЭС: Бикбу-латов И.Ф., Жукович В.А., Чанышев У.Д., Касимов Ф.Ф. и Ахметов И.Р.).
1. Технологическая характеристика процесса деревообработки
Обработка древесины и древесных материалов резанием занимает ведущее место в деревообработке [4, 5]. Особое значение при этом имеет решение проблемы качества обработки древесины, которое зависит в основном от оптимальной геометрии режущего инструмента и степени его подготовки к работе, а также скорости резания. Скорость резания, в свою очередь, определяется как породой древесины, так и видом распиловки и достигает до 20^60 м/с. Пиление древесины круглыми (дисковыми) пилами является самым распространенным за счет простоты устройства станков, относительно низкой стоимости и высокой производительности. Бытовые деревообрабатывающие станки в основном имеют диаметр пильного диска 250 мм. В таблице 1 приведены показатели регулирования скорости процесса деревообработки для таких станков, расположенные по мере убывания скорости резания в зависимости от степени твердости древесины и вида обработки [5].
Таблица 1
Показатели регулирования скорости процесса деревообработки
№ п/п Порода дерева Вид распиловки d > > я и нк ае М CJ a S Л т с о р о Частота вращения [льного вала n (пср), об/ мин Отклонение \n=(n -n . )/2n Х100, v max min' ср. ' % )эффициент плавности регулирования оборотов К =n1 /(n1 -1) пл.п.ср. 1.ср. v 1.ср. ' Скорость резания V (,. ), м/мин s ^s^.7 7 эффициент плавности регулирования скорости подачи к =v /(V -1) пл.п.ср. 1.ср. v 1.ср. '
к и и п -H К К
1 2 3 4 5 6 7 8
1 Мягкие: ель, ива, липа, ольха, осина, пихта, сосна, лиственница Продольная 65-35 (50) 4968-2675 (3821) 30 1.54 15-8 (12) 1.6
2 Средней твердости: береза, вяз, груша, орех, дуб Продольная 45-20 (32.5) 3440-1528 (2484) 38 1.08 10-5 (7.5) 1.07
3 Мягкие: ель, ива, липа, ольха, осина, пихта, сосна Поперечная 40-20 (30) 3057-1528 (2293) 38 1.33 9-5 (7) 1.43
4 Средней твердости: береза, вяз, груша, орех, дуб Поперечная 30-15 (22.5) 2293-1147 (1720) 34 1.13 6.9-3 (4.9) 1.06
5 Твердые: баккаут, бук, граб, палисандр Продольная 30-10 (20) 2293-764 (1529) 50 1.16 6.9-2.3 (4.6) 1.15
6 Твердые: баккаут, бук, граб, палисандр, черное дерево Поперечная 25-10 (17.5) 1911-764 (1318) 43 - 5.7-2.3 (4) -
7 Диапазон регулирования - 50-17.5 (2.9:1) 3821-1318 (2.9:1) не более ±34 1.54-1.08 (1.25) 12-4 (3:1) 1.6-1.07 (1.26)
Из таблицы 1 следует, что регулирование как частоты вращения пильного вала, так и скорости подачи обрабатываемого материала должно быть плавным. Это вытекает из значений коэффициентов плавности, близких к 1, у которых средние значения соответственно равны: К = 1.25 (1.54 ^ 1.08)
А пл.ср. 4 '
и Кплср= 1.26 (1.60 ^ 1.07). Коэффициенты плавности находятся как отношения средних значений соседних ступеней скоростей внутри диапазона регулирования. Диапазоны регулирования составили: частоты вращения пильного вала D = п : п
А п ср.макс. ср.мин.
= (3821:1318) [об/мин] = 2.9:1, скорости подачи -вала D = V : V = (12:4) [м/с] = 3:1. Допусти-
V ср.макс. ср.мин. 4 J
мые отклонения частоты вращения пильного вала относительно среднего значения внутри диапазона регулирования должны быть не более ±34%. Из таблицы видно, что для обеспечения режима резания для всех семи позиций обороты пильного вала с нерегулируемым приводом должны быть установлены на максимальные значения, равные 3821 [об/мин], при которых осуществляется обработка остальных видов древесины с повышенными энергозатратами. Также следует отметить, что режим работы электродвигателя повторно-кратковременный, где рабочий период чередуется с периодом работы двигателя вхолостую.
2. Технологическая характеристика процесса кондиционирования воздуха в жилых помещениях
Под кондиционированием воздуха подразумевается создание и автоматическое поддерживание в
закрытых помещениях температуры, влажности, чистоты, состава, скорости движения воздуха, которые являются наиболее благоприятными для самочувствия людей, обуславливающие тепловой комфорт и высокую работоспособность. Для этого, в зависимости от типа помещений и времени холодного и теплового периода года, скорость движения воздуха требуется поддерживать от 0.1 до 0.3 м/с, что наиболее целесообразно обеспечить регулированием скорости вентилятора внутреннего блока. Наибольшее распространение для жилых помещений нашли кондиционеры, состоящие из двух блоков (сплит-системы), рассчитанные на комнаты площадью от 15 до 20 м2 с холодильной мощностью от 1.8 до 5.0 кВт и выпускаемые многими зарубежными фирмами [6]. Для привода вентилятора внутреннего блока кондиционеров в основном применяются асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором номинальной мощностью от 10 до 57 Вт на 1500- и 1000-синхронные обороты. Регулирование скорости вентилятора внутреннего блока производится ступенчато (от 3-х до 8-ми) как переключением числа пар полюсов, так и изменением напряжения на обмотках статора асинхронного двигателя. В таблице 2 приведены показатели регулирования частоты вращения асинхронных двигателей номинальной мощностью Рн=57 Вт вентилятора внутреннего блока на примере трех моделей - кондиционеров фирмы Daikin 28, Daikin 42 и Daikin 50 [6].
Таблица 2
Показатели регулирования частоты вращения двигателя вентилятора внутреннего блока
Наименование и модель внутр. блока кондиционера Ступени регулирования скорости вентилятора, об/мин
LLL LL SL L М НМ Н НН
Daikin FTXR28EV1B Охл. - 590 720 790 890 990 1090 1190 1270
D =1:2.2 П
Кпл1-8 - 1.22 1.10 1.13 1.11 1.10 1.09 1.07 -
К =1.12 пл.ср.
Обог. 350 590 790 860 970 1080 1190 1300 1380
D =1:3.9 п
К пл1-8 1.69 1.34 1.09 1.13 1.11 1.10 1.09 1.06 -
К =1.2 пл.ср.
Окончание таблицы 2
Наименование и модель внутр.блока кондиционера Ступени регулирования скорости вентилятора, об/мин
LLL LL SL L ML M HM H HH
Daikin FTXR42EV1B Охл. - 590 750 820 940 1060 1180 1300 1380
D =1:2.3 n
Кпл1-8 - 1.27 1.09 1.15 1.13 1.11 1.10 1.06 -
К =1.13 пл.ср.
Обог. 350 590 820 890 1000 1110 1220 1340 1420
D =1:4.1 n
Кпл1-8 1.69 1.39 1.09 1.12 1.11 1.10 1.10 1.06 -
К =1.21 пл.ср.
Daikin FTXR50EV1B Охл. - 590 790 860 990 1120 1250 1380 1460
D =1:2.5 n
Кпл1-8 - 1.34 1.09 1.15 1.13 1.12 1.10 1.06 -
К =1.14 пл.ср.
Обог. 350 590 860 950 1070 1190 1310 1440 1520
D =1:4.3 n
К пл1-8 1.69 1.46 1.10 1.13 1.11 1.10 1.10 1.06 -
К =1.22 пл.ср.
Из анализа показателей регулирования скорости вентилятора внутреннего блока кондиционера следует: 1. Для регулирования скорости воздуха в пределах 0.1-0.3 м/с частота вращения вентилятора изменяется ступенчато (7 ступеней в режиме охлаждения и 8 ступеней - обогрева). Следует отметить, что даже при таком многоступенчатом регулировании скорости не обеспечивается требуемая скорость воздуха, которая может оказаться между соседними ступенями скорости. 2. Диапазоны регулирования скорости составляют: в режиме охлаждения Dn< (1460-590) [об/мин] < 2.5:1, в режиме обогрева" Dn< (1520-350) [об/мин] < 4.3:1. 3. Изменение скорости внутри диапазона регулирования требуется плавное, так как средние значения коэффициентов плавности скорости составляют: для режима охлаждения Кплср = 1.13(1.12-1.14) ^ 1, а для режима обогрева - Кплср =1.21(1.20-1.22) ^ 1. 4. Регулирование скорости двигателя за счет напряжения параметрическое, т.е. за счет изменения скольжения, что из-за существенных потерь делает необходимым завышение мощности, а также применение двигателя повышенного скольжения.
Нагрузочная характеристика электропривода вентилятора соответствует длительному режиму с переменной нагрузкой, где периоды ступеней на-
грузки (скорости) могут быть довольно продолжительными.
3. Технологическая характеристика процесса отжима белья в стиральных машинах барабанного типа
Отжим влаги из ткани в бытовых стиральных машинах является самой сложной технологической операцией, определяющей конструкцию машины и тип электропривода. В среднем 1 кг сухой ткани захватывает 2-2.5 кг воды, т. е. остаточная влажность ткани составляет 200-250%, которую в процессе отжима необходимо довести до 55-65% [8].
Исследования показали [8], что для обеспечения остаточной влажности 110-120% частота вращения барабана должна составлять 350-400 об/мин, а для достижения 45-55% необходимо увеличить частоту вращения барабана до 1000 об/мин. В современных стиральных машинах достичь остаточной влажности ниже 38-40% невозможно из-за нахождения воды внутри волоконных капилляров. Установлено [9], что увеличение частоты вращения барабана ведет к существенному возрастанию энергоемкости машины, усложнению ее конструкции.
Выход на режим отжима барабана с влажным бельем встречает определенные трудности, связанные с появлением биения барабана из-за центробеж-
ной силы от неравномерно распределенной массы влажной ткани. Для решения этой проблемы исследователями предлагается: прерывистый режим отжима или ступенчатый отжим с различным числом ступеней и их уровней, а также линейный отжим с плавным повышением частоты вращения. Обзор исследований процесса отжима белья показывает [8], что скоростной режим отжима белья зависит также от вида тканей (таблица 3).
Из таблицы 3 следует, что при отжиме белья из различных видов тканей диапазон регулирования скорости для средних значений оборотов барабана составляет D =(850:450) [об/мин] =1.89:1
с допустимым отклонением оборотов от среднего значения ступени не более ±3%. Регулирование оборотов барабана внутри диапазона требуется плавное, что определяется коэффициентом плавности К =1.03—1.65, где К =1.2 ^ 1. Следует заметить,
пл. ' пл.ср. ^
что в случае привода барабана в режиме отжима от нерегулируемого привода обороты барабана должны соответствовать оборотам отжима тканей из синтетических материалов, т. е. максимальные, равные 850 об/мин, что приводит к повышенному энергопотреблению при отжиме тканей из других материалов, при отжиме их при более высоких оборотах.
Таблица 3
Показатели регулирования скорости процесса отжима
№ п/п Виды тканей Частота вращения барабана, об/мин п ср Отклонение частоты вращения ± Лп, % К , о. е. пл'
1 Деликатное белье (400—500) 450 11 -
2 Шелк (450—500) 475 5.25 1.06
3 Шерсть (450—550) 500 10 1.05
4 Хлопок, лен (800—850) 825 3.03 1.65
5 Синтетические материалы (800—900) 850 5.88 1.03
Средние значения Диапазон D =450:850=1:1.89 п Дп =±3.03% доп К =1.2 пл.ср.
В качестве приводного двигателя барабана стиральной машины встречаются коллекторные, а также вентильные (вентильно-индукторные) двигатели. Во многих стиральных машинах используются двухскоростные однофазные асинхронные конденсаторные двигатели как наиболее простые, надежные и дешевые. Нагрузочная характеристика работы электропривода барабана в процессе стирки и отжима повторно-кратковременная, в реверсивном режиме при стирке с частотой вращения барабана 45—60 об/мин и пиковой нагрузкой в процессе отжима.
4. Технологическая характеристика шитья
Шитье представляет собой создание на материале стежков и швов при помощи иглы и ниток с целью производства или ремонта одежды и текстильных изделий, выполняемое в быту вручную или швейной машиной. Специфика шитья на швейной машине обусловлена необходимостью в начале шитья малой (ползучей) скорости и затем плавного перехода на большие скорости, с уменьшением их
при появлении криволинейной траектории стежков.
Максимальная частота вращения главного вала бытовой швейной машины с электроприводом по ГОСТ 25647 составляет 1000±200, а минимальная -250±100 об/мин. Для машин с электроприводом номинальная потребляемая мощность при максимальной частоте вращения главного вала должна быть не более 115 Вт [10]. В промышленных швейных машинах приводным двигателем является 3-фазный асинхронный двигатель, тогда как в бытовых швейных машинах коллекторный двигатель. Регулирование скорости промышленных швейных машин осуществляется фрикционной или электромагнитной муфтами за счет изменения передаточного отношения, а также изменения частоты тока асинхронных двигателей. Регулирование скорости коллекторного двигателя бытовой машины реостатное, с низкой стабильностью скорости, со значительными потерями мощности.
Нагрузочная характеристика работы швейной
Показатели регулирования скорости бытовых швейных машин
Таблица 4
Макс. скорость шитья швейных машин (стяж/мин) Мощность двигателя, Вт 5 ьй
Марка, изготовитель промышленной швейной машины Операция, материал Промышленной Бытовой Промышленной Бытовой Макс. обороты ведущего вала бытовой шв. маш., об/мин Коэф. плавное регулирования
Кл. 563 Германия «Durkopp» 6000 800 400
Кл. 271 Германия «Durkopp» Прямострочная, для легких тканей 927-1000 (960) 1.14
31-11+50 Беларусь ПО «Промшвеймаш» 5500 740 300
31-31+50 ?? Отделочные строчки для сорочек 5000 670 840 1.07
31-32+50 ?? Прямострочная, 4800 640 764-800 (782) 2
31-32+100 ?? для средних тканей 4600 610 350 80 1
1022-МТ ?? Прямострочная, для пальтовых тканей 4200 560 700 1.04
31-33+50 ?? Прямострочная, для среднетяжелых тканей 4000 540 670 4
Кл. 0810 Россия з-д имени Дегтярева Для стачивания меховых шапок 450 1
72111-1050 Чехия «Минерва» Для стачивания кожи 3500 470 400 588 1
Режим - начало шитья n =250± мин 100 Диапазон регулирования Dn=(960:250) П =3.84:1 К =1.10 пл.ср.
машины повторно-кратковременная с переменной нагрузкой в период работы.
Обзор работ [11] по процессам шитья на швейных машинах показал, что для качественного вы-
полнения шитья, в зависимости от вида операции и материала ткани, требуются определенные скорости, которые наряду с показателями регулирования скорости приведены в таблице 4.
Из анализа таблицы 4 следует, что максимальный диапазон регулирования скорости составляет Dn= (960:250) [об/мин] = 3.84:1. Сам процесс шитья в зависимости от операции и материалов ткани имеет диапазон Dn=(960:588) [об/мин] =1.63:1, при этом регулирование скорости требуется плавное, так как значения коэффициентов плавности составляют К = 1.102(1.04-1.14) ^ 1, т. е. близки к 1.
пл.ср . 4 '
5. Технологическая характеристика процесса пылеудаления в жилых помещениях
Борьба с пылью в жилище человека имеет исключительно большое значение для сохранения здоровья. Пыль весьма вредно действует на дыхательные органы человека, она может оказаться причиной заболевания также глаз и кожи.
В борьбе с пылью исключительно большое значение имеют пылесосы, при работе с которыми не приходится соприкасаться с пылью.
Практика показывает, что после получасовой уборки помещения пылесосом относительное количество бактерий в воздухе сокращается вдвое. Пылесос можно с успехом использовать для борьбы с молью, ее личинками и другими насекомыми, специально распыляя порошки; для борьбы с древесными грибками и жуками, разрушающими древесину, опрыскивая ее специальными составами; для побелки стен и потолков помещений известковым раствором; для разбрызгивания ароматических и дезинфицирующих растворов.
В состав пыли входят в основном кварцевые частицы различных размеров и органические частицы
Показатели регулирован
хлопка, шерсти, бумаги и т. п.
Скорость воздуха в воздуховодах принимают на 25-30% больше, чем скорость витания, при которой частица поддерживается потоком во взвешенном состоянии. Эта скорость для тяжелой абразивной пыли равна 14-16 м/с, минеральной пыли 10-12 м/с, хлопка 8-10 м/с, синтетического волокна 10-14 м/с [12]. Отсюда следует (таблица 5), что необходимый предел скорости - от 8 до 16 м/с или через средние значения от 9 до 15 м/с, т. е. в диапазоне 1:1.67. Из приведенных скоростей, соответствующих взвешенному состоянию минеральных и органических частиц пыли, коэффициент плавности составляет от 1.10 до 1.25 (Кплср=1.19) ^ 1, т. е. регулирование требуется плавное с допустимым отклонением скорости не более ± 6.6% от среднего значения. Мощность бытовых пылесосов находится в пределах от 100 до 2000 Вт и более. Причем за период применения пылесосов просматривается тенденция увеличения мощности пылесосов, что связано с увеличением производительности и тем самым оборотов агрегата пылесосов.
В существующих пылесосах из-за необходимости обеспечения высоких оборотов и их плавного регулирования используются коллекторные электродвигатели с диапазоном оборотов от 9000 до 15000 об/мин.
Нагрузочный режим работы электродвигателя пылесоса является длительным с переменной нагрузкой.
Таблица 5
I скорости пылеудаления
№ п/п Виды частиц пыли Скорость частиц в воздуховоде, м/с (среднее) Допустимые отклонения скорости от среднего значения, ± % Коэффициент плавности К , пл.7 о. е.
1 Хлопок 8-10 (9) 11.1 -
2 Минеральная пыль 10-12 (11) 9.1 1.22
3 Синтетические волокна 10-14 (12) 8.4 1.10
4 Тяжелая абразивная пыль 14-16 (15) 6.6 1.25
Средние значения Диапазон DV=(15:9) [об/мин] =1.67:1 ДV =±6.6% доп К =1.19 пл.ср.
Для общего анализа полученные результаты сведем в таблицу 6 «Приводные характеристики бытовых машин», где, кроме технологических характеристик, приведены нагрузочные (момент на валу в процессе работы) и механические (момент на валу от угловой скорости) характеристики.
Из таблицы 6 следует, что: 1) наибольший диапазон регулирования скорости электродвигателей не превышает 4.3:1 и находится в пределах 3821—250 об/мин с допустимым отклонением скорости не более ±3%, кроме пылесоса, где диапазон по оборотам составляет 15000—9000 об/мин; 2) регулирование скорости внутри установленных диапазонов должно быть плавным, так как коэффициент плавности стремится к 1, т. е. Кплср =(1.1—1.26) ^ 1. Направление регулирования должно быть как выше, так и ниже естественной характеристики двигателя; 3) характер изменения момента статического сопротивления рассмотренных машин, в основном возрастающий как линейно, так и квадратично, а также убывающий нелинейно.
Всем приведенным показателям по регулированию скорости, в соответствии с технологическими требованиями, с одновременным энергосбережением при пуске и работе при меньших скоростях, соответствует электропривод на базе бесконтактного 3-фазного асинхронного двигателя с короткозамкну-тым ротором и полупроводникового преобразователя частоты. Это следует из того, что, во-первых, преобразователи частоты позволяют из однофазного тока с напряжением 220 В получить трехфазный ток с линейным напряжением 220 В, с плавно регулируемой в широком диапазоне частотой от 0 до 200 (400; 800) Гц для двигателей, с мощностью от 0.2 до 2.2 кВт. В то же самое время для получения высоких энергетических показателей асинхронного двигателя преобразователи обеспечивают одновременно с частотой f изменение и подводимого напряжения U в зависимости от характеристики момента сопротивления M машин по 3-м законам: M = const
г c c
- U/f const; нагрузка вентиляторная - U^2 = const (кондиционеры, пылесосы, отжим белья, швейные машины); нагрузка нелинейно убывающая - U1/V/^ = const (деревообрабатывающие станки), а также по программируемой зависимости. При этом механические характеристики обладают высокой жесткостью, т. е. стабильностью скорости, с небольшими потерями мощности. Также при необходимости осуществляется эффективное электрическое торможение, что требуется по правилам техники безопасности при работе на деревообрабатывающих станках, в стиральных машинах в процессе отжима белья.
Во-вторых, трехфазный асинхронный двигатель
имеет неоспоримые преимущества как перед однофазными асинхронными, так и коллекторными двигателями.
Так коллекторным двигателям присущ ряд существенных недостатков: сложная конструкция и относительно высокая стоимость; нестабильность скорости с изменением нагрузки из-за мягкой механической характеристики двигателя; наличие щеточно-коллекторного узла, что, в свою очередь, обуславливает: пониженную надежность, сильное искрение на коллекторе из-за коммутации и связанные с этим радиопомехи и пожароопасность, высокий уровень шума.
Однофазные асинхронные двигатели (ОАД) в сравнении с трехфазными (ТАД), в свою очередь, имеют следующие недостатки: 1) отсутствие начального (пускового) момента и тем самым необходимость фазосдвигающих элементов; 2) меньшие перегрузочная способность, пусковой момент и энергетические показатели (КПД и коэффициент мощности); 3) мощность составляет 40—45% от мощности ТАД при одинаковых габаритах; 4) частота вращения даже при холостом ходе меньше из-за тормозящего действия обратного магнитного поля; 5) круговое поле только в номинальном режиме работы, в остальных режимах, включая пусковой, эллиптическое; 6) габариты конденсаторов у конденсаторных ОАД (КОАД) сопоставимы с габаритами двигателя; 7) в случае работы с пусковым конденсатором КОАД возможен резонанс напряжений и тем самым пробой конденсаторов и выход из строя двигателя.
Однако асинхронный электродвигатель основного исполнения не рекомендуется использовать в составе частотно-регулируемого привода по следующим причинам [13]: снижается КПД и требуется завышение установленной мощности двигателя; из-за высших гармоник напряжения и тока на выходе преобразователя частоты возрастают потери в двигателе; снижается срок службы изоляции обмотки статора; при уменьшении скорости вращения снижается эффективность охлаждения; при увеличении скорости повышается шум вентилятора, а также падает перегрузочная способность двигателя; через подшипники начинают протекать паразитные (вихревые) токи, разогревающие и разрушающие как смазку, так и подшипники.
Промышленность выпускает специальные частотно-регулируемые асинхронные двигатели (ЧРД) для работы в составе регулируемого привода с преобразователями частоты (ПЧ) серий АИР [13], ДАР [14], ЯЛ [15] и АДЧР [16] (таблица 7).
Таблица б
Основные приводные характеристики рассмотренных машин
Технологическая характеристика
№ п/п Бытовая машина Диапазон регулирования, об/мин Направление регулирования от естественной хар актеристики Стабильность регулирования, ±% Плавность регулирования, К пл.ср. Тип установленного двигателя Мощность двигателя, Вт Нагрузочная характеристика (режим работы) Механическая характеристика
1 Деревообрабатывающие станки 3821:1318= 2.9:1 Двухзонное - как выше, так и ниже 34 1.26 - плавное Асинхронный 750-2200 Повторно-кратковременный Нелинейно убывающая
2 Кондиционеры 1460:590=2.5:1 - в режиме охлаждения 1520:350=4.3:1 - в режиме обогрева Двухзонное - в основном ниже - 1.13 - плавное 1.21 - плавное Асинхронный одно- и многоскоростной 10-57 Длительный с переменной нагрузкой Вентиляторная
3 Отжим белья на барабанных стиральных машинах 850:450=1.89:1 Однозонное -вниз 3.03 1.2 - плавное Асинхронный двухскоростной 120-180 и более Повторно-кратковременный Вентиляторная
4 Швейные машины 960:250=3.84:1 (1.63:1) Двухзонное - как выше, так и ниже - 1.1- плавное Коллекторный 80-115 Повторно-кратко временный Линейно возрастающая
5 Пылесосы 15000:9000= 1.67:1 Двухзонное - как выше, так и ниже 6.6 1.19 - плавное Коллекторный 100-2000 и более Длительный с постоянной нагрузкой Вентиляторная
Таблица 7
Частотно-регулируемые трехфазные АД с короткозамкнутым ротором малой мощности (Рн< 4,0 кВт)
№ Серия двигателя (эл. габариты) (число полюсов) 2/7=2 (1^=3000 об/мин) 2/7=4 (п =15(Н) об/мин) 2/7=6 (п =1(НН) об/мин) Способ охлаждения (С - самовентиляция; НВ - независимая вентиляция от однофазного АД (ОАД)) с мощностью Рн
Мощность Допустимая частота вращения Мощность Допустимая частота вращения Мощность Допустимая частота вращения
кВт об/мин (Гц) кВт об/мин (Гц) кВт об/мин (Гц)
1 А или АИР (56-100 мм) (2, 4 , 6, 8) [13] 0,18-4,0 4500-4500 (75) 0,12-4,0 4500-4500 (150) 0,18-4,0 3000-3000 (150) НВ (ОАД Рн = 14; 16 Вт)
2 ДАР (56-100 мм) (2, 4, 6, 8, 10) [14] 0,18-4,0 - 0,12-4,0 - 0,18-4,0 - С иНВ (ОАД Рн=19; 45 Вт)
3 ЯА (71-112 мм) (2, 4, 6, 8) [15] 0,37-4,0 6000-6000 (100) 0,25-4,0 4500-4500 (150) 0,75-4,0 4000-4000 (200) С иНВ (ОАД Рн=19; 46 Вт)
4 АДЧР (56-100 мм) (2, 4, 6, 8, 10, 12) [16] 0,18-4,0 4500-4500 (75) 0,12-4,0 4500-4500 (150) 0,18-4,0 3000-3000 (150) С иНВ (ОАД Рн=19; 46 Вт)
Структура обозначения ЧРД: например, АИР90Ь4ЫЗУЗ, опции: 05, 13, 23 - (Я) общего применения (В серия 1) с термистором в обмотке статора на 130 С (05), с независимой вентиляцией (13), с датчиком скорости (энкодером) на 12 В, 1000 импульсов (23); ДАР90Ь4Б1УЗ-ИТ-0 - с температурной защитой обмоток статора и датчиками температуры подшипников (Б1), инкрементальным энкодером (ИТ), самовентиляцей (О); 11А90Ь4РИБУЗ: Б - для работы с ПЧ, И - с энкодером, Б -встроенными датчиками температуры; АДЧР90Ь4-Т-С - с электромагнитным тормозом (Т), статический для удержания вала двигателя после остановки (С).
Применение частотно-регулируемого привода позволяет: 1. Регулировать скорость без обратных связей в широком диапазоне для двигателей: с самовентиляцией от 5 до 50 (60) Гц с диапазоном 1:10, с независимой вентиляцией от 0 до 50 (60) Гц с диапазоном до 1:20.. .40 [16]. При этом допустимая максимальная скорость (таблица 7) составляет при 2р=2 для двигателей АИР, АДЧР до 4500 об/мин (75 Гц), для ЯЛ - до 6000 об/мин (100 Гц), при 2р=4 соответственно для АИР, АДЧР, ЯЛ - 4500 об/мин (150 Гц) и при 2р=6 - 4500 об/мин (200 Гц) для ЯЛ и 3000 об/мин (150 Гц) для АИР и АДЧР. 2. За счет установки оптимальной скорости и обеспечения ее стабильности, благодаря жесткой механической характеристике двигателя на всех частотах, повысить качество выпускаемой продукции. 3. Экономить электроэнергию благодаря высоким КПД и особенностям управления ПЧ и плавному пуску [15]. 4. Обеспечить плавность пуска и ограничить пусковые токи. 5. Увеличить срок эксплуатации, надежность и термическую перегрузочную способность за счет применения изоляции класса нагревостойкости Е 6. Обеспечить высокую перегрузочную способность и тем самым устойчивую работу в широком диапазоне регулирования [15]. 7. Снизить акустические показатели [15]. 8. Применять для двигателей малой мощности стандартные подшипники, так как протекание токов по контуру через подшипники наблюдается у двигателей больших габаритов, начиная с мощности Р > 90 кВт [13, 14, 15, 16].
Кроме этого, по заказу потребителя ЧРД может быть скомплектован: температурной защитой обмоток статора и подшипников, контролем температуры с помощью термопреобразователей обмоток статора и подшипников, датчиками скорости (энкодерами), с самовентиляцией (кроме серии АИР) или независимой вентиляцией и электротормозом.
Из проведенного анализа следует, что для техники сервиса перспективным является регулируемый электропривод на базе системы «трехфазный асинхронный двигатель - преобразователь частоты», которая удовлетворяет всем основным требованиям рабочих машин к приводу.
Список литературы
1. Браславский И.Я. Энергосберегающий асинхронный электропривод: учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений [Текст] / И.Я. Браславский, З.Ш. Ишматов, В.М. Поляков / Под ред. И.Я. Брас-лавского. - М.: Издательский центр «Академия», 2004. - 256 с.
2. Ильинский Н.Ф. Электропривод: энерго- и ресурсосбережение: учеб. пособие для студ. высш.
учеб. заведений [Текст] / Н.Ф. Ильинский, В.В. Москаленко. - М.: Издательский центр «Академия», 2008. - 208 с.
3. Электротехника: учебное пособие для вузов. В 3-х книгах. Книга III. Электроприводы. Электроснабжение [Текст]/ Под ред. П.А. Бутырина, Р.Х. Гафиятуллина, А.Л. Шестакова. - Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2005. - 639 с.
4. Глебов И.Т. Деревообработка: учеб. пособие / И.Т. Глебов. - Екатеринбург: Урал. гос. лесотехн. ун-т, 2009. - 305 с.
5. Электронный ресурс. - Режим доступа: http://www.wood.ru/dorez.html.
6. Коляда В.В. Кондиционеры, принципы работы, монтаж, установка, эксплуатация. Рекомендации по ремонту [Текст] / В.В. Коляда. - М.: Пресс, 2002.
- 240 с.
7. Акимова Н.А. Монтаж, техническая эксплуатация и ремонт электрического и электромеханического оборудования [Текст] / Н.А Акимова, Н.Ф. Котеленц, И.И. Сентюрихин. - М.: Изд-во «Мастерство», 2002. - 296 с.
8. Лебедев В.С. Основные процессы, машины и аппараты предприятий бытового обслуживания: учебник для вузов [Текст] / В.С. Лебедев. - М.: Лек-гая индустрия, 1976. - 399 с.
9. Электронный ресурс. - Режим доступа: www.td-kommash/ru. - Оборудование для прачечной и химчистки: промышленные стиральные машины.
10. ГОСТ 19930-91 Машины швейные бытовые.
11. Электронный ресурс. - Бытовые швейные машины. - Режим доступа: http://shveinye-mashines. ru/article/articles/bytovye-shvejnye-mashiny/19/html.
12. Вальдберг А.Ю. Технология пылеулавливания [Текст] // А.Ю. Вальдберг, Э.Я. Исянов. - Л.: Машиностроение, Ленинградское отделение, 1985.
- 192 с.
13. Электронный ресурс. - ООО «СЗЭМО «Электродвигатель»: Технический каталог по двигателям для работы в составе ЧРП. - Режим доступа: http://szemo.ru/doc/catalog-crpt_07.05.pdf.
14. Электронный ресурс. - ООО «ЭЛРЕ»: Каталог электродвигателей для частотного регулирования ЭЛРЕ (ДАР). - Режим доступа: http://www. электродвигатели-редукторы.рф/files/elre/katalog_ elre_2012_ru.pdf.
15. Электронный ресурс. - ОАО «Ярославский электромашиностроительный завод» (ОАО «ELDIN»): Асинхронные трехфазные электродвигатели с короткозамкнутым ротором серии «А» и «ЯЛ» для работы с ЧРП для различного назначения. - Режим доступа: http://www.eldin.ru/files/other/ katalog_dvig_dlya_rab_s_PCh.pdf.
16. Электронный ресурс. - ООО «ЭЛРЕ»: Электродвигатели АДЧР Русэлпром-Мехатроника.
- Режим доступа: http://www.электродвигатели-редукторы.рф/images/mehatronika/katalog-mehatronika.pdf.
References
1. Braslavskij I.Ja. Jenergosberegajushhij asin-hronnyj jelektroprivod: ucheb. posobie dlja stud. vyssh. ucheb. zavedenij [Tekst] / I.Ja. Braslavskij, Z.Sh. Ishmatov, V.M. Poljakov / Pod red. I.Ja. Braslavskogo.
- M.: Izdatel'skij centr «Akademija», 2004. - 256 s.
2. Il'inskij N.F. Jelektroprivod: jenergo- i resursosberezhenie: ucheb. posobie dlja stud. vyssh. ucheb. zavedenij [Tekst] / N.F. Il'inskij, V.V. Moskalenko.
- M.: Izdatel'skij centr «Akademija», 2008. - 208 s.
3. Jelektrotehnika: uchebnoe posobie dlja vuzov. - V 3-h knigah. Kniga III. Jelektroprivody. Jelektrosnabzhenie [Tekst] / Pod red. P.A. Butyrina, R.H. Gafijatullina, A.L. Shestakova. - Cheljabinsk: Izd-vo JuUrGU, 2005. - 639 s.
4. Glebov I.T. Derevoobrabotka: ucheb. posobie / I.T. Glebov. - Ekaterinburg: Ural. gos. lesotehn. un-t, 2009. - 305 s.
5. Elektronniy resurs. - Rezhim dostupa: http:// www.wood.ru/dorez.html.
6. Koljada V.V. Kondicionery. principy raboty, montazh, ustanovka, jekspluatacija. Rekomendacii po remontu [Tekst] / V.V. Koljada. - M.: Press, 2002. - 240 s.
7. Akimova N.A. Montazh, tehnicheskaja jekspluatacija i remont jelektricheskogo i jelektrome-hanicheskogo oborudovanija [Tekst] / N.A Akimova, N.F. Kotelenc, I.I. Sentjurihin. - M.: Izd-vo «Masterstvo», 2002. - 296 s.
8. Lebedev VS. Osnovnye processy, mashiny i apparaty predprijatij bytovogo obsluzhivanija: uchebnik dlja vuzov. [Tekst] / V.S. Lebedev. - M.: Lekgaja industrija, 1976. - 399 s.
9. Elektronniy resurs. - Rezhim dostupa: www. td-kommash/ru. - Oborudovanie dlja prachechnoj i himchistki: promyshlennye stiral'nye mashiny.
10. GOST 19930-91 Mashiny shvejnyj bytovye.
11. Elektronniy resurs. - Bytovye shvejnye mashiny. - Rezhim dostupa: http://shveinye-mashines. ru/article/articles/bytovye-shvejnye-mashiny/19/html.
12. Val'dberg A.Ju. Tehnologija pyleulavlivanija [Tekst] // A.Ju. Val'dberg, Je.Ja. Isjanov. - L.: Mashinostroenie, Leningradskoe otdelenie, 1985. - 192 s.
13. Elektronniy resurs. - OOO «SZJeMO «Jelektrodvigatel'»: Tehnicheskij katalog po dvigateljam dlja raboty v sostave ChRP. - Rezhim dostupa: http:// szemo.ru/doc/catalog-crpt_07.05.pdf.
14. Elektronniy resurs. - OOO «JeLRE»: Katalog jelektrodvigatelej dlja chastotnogo regulirovanija JeLRE (DAR). - Rezhim dostupa: http://www.jelektrodvigateli-reduktory.rf/files/elre/katalog_elre_2012_ru.pdf.
15. Elektronniy resurs. - OAO «Jaroslavskij jelektromashinostroitel'nyj zavod» (OAO «ELDIN»): Asinhronnye trehfaznye jelektrodvigateli s korotkozamknutym rotorom serii «A» i «RA» dlja raboty s ChRP dlja razlichnogo naznachenija. - Rezhim dostupa: http://www.eldin.ru/files/other/katalog_dvig_ dlya_rab_s_PCh.pdf.
16. Elektronniy resurs. - OOO «JeLRE»: Jelektrodvigateli ADChR Rusjelprom-Mehatronika. - Rezhim dostupa: http://www.jelektrodvigateli-reduktory.rf/images/mehatronika/katalog-mehatronika. pdf.
