Принципы выбора электродвигателей

При выборе электродвигателя для приведения в движение исполнительного механизма главным является его соответствие условиям технологического процесса рабочей машины. Задача выбора состоит в поиске такого двигателя, который обеспечивал бы заданный технологический цикл рабочей машины, соответствовал бы условиям окружающей среды и компоновки с рабочей машиной и при этом имел нормативный нагрев.

Если выбранный двигатель имеет недостаточную мощность, то это может привести к нарушению заданного цикла, снижению производительности рабочей машины. При этом возникает опасность для самого двигателя, так как повышенный нагрев его обмоток ведет к ускоренному старению изоляции и преждевременному выходу двигателя из строя.

При завышенной мощности двигателя уменьшается коэффициент полезного действия двигателя, необоснованно возрастают расходы на эксплуатацию, и возникает угроза выхода из строя исполнительного механизма.

Выбор электродвигателя производится обычно в такой последовательности:

– расчет мощности и предварительный выбор двигателя;

– проверка выбранного двигателя по условиям пуска;

– проверка выбранного двигателя по перегрузке;

– проверка выбранного двигателя по нагреву.

Если выбранный двигатель удовлетворяет этим условиям, то на этом выбор двигателя заканчивается. Если же двигатель не соответствует хотя бы одному из условий проверки, то выбирается другой двигатель (большей мощности) и проверка производится по тем же направлениям. Основой такого расчета являются нагрузочная диаграмма и диаграмма скорости (тахограмма) исполнительного механизма.

В зависимости от технологического процесса исполнительного механизма принято различать три основных режима работы: длительный, кратковременный и повторно-кратковременный (рис. 18).

Рис. 18. Диаграммы мощностей различных типов привода: а) длительного режима; б) кратковременного режима; в) повторно-кратковременного режима

При длительном (подолжительном) режиме нагрузка двигателя изменяется мало, и температура электродвигателя привода достигает своего установившегося значения. В качестве примеров исполнительных механизмов с длительным режимом работы можно назвать вентиляторы, компрессоры, центробежные насосы, конвейеры, бумагоделательные машины и т. д.

При кратковременном режиме рабочий период относительно краток, а перерыв в работе исполнительного механизма достаточно велик для того, чтобы температура двигателя упала практически до температуры окружающей среды. Такой режим работы характерен для таких механизмов кратковременного действия, как шлюзы, разводные мосты, подъемные шасси самолетов и т. д.

При повторно-кратковременном режиме периоды работы чередуются с периодами пауз (остановка или холостой ход), причем, ни в один из периодов работы температура двигателя не понижается до температуры окружающей среды. Характерной величиной для такого режима является отношение рабочей части периода ко всему периоду . Эта величина именуется относительной продолжительностью работы (ПР%), или относительной продолжительностью включения (ПВ%). В таком режиме работают некоторые металлорежущие станки, прокатные станы, буровые станки в нефтяной промышленности и т. д.

Длительной мощностью электродвигателя является мощность, которую двигатель может отдавать на валу в течение произвольно долгого времени, не перегреваясь свыше допустимой температуры. Фактически температура нагрева изоляции является и наибольшей температурой нагрева. Номинальная мощность двигателя, указанная на щитке или в каталоге, определяется для условий стандартной температурой среды, равной 35С. Если же температура окружающей среды выше 35С, то длительная мощность будет ниже указанной на щитке. Кроме длительной мощности в качестве характеристики работы двигателя может выступать мгновенная перегрузочная мощность – это наибольшая мощность, которую двигатель может отдать на валу в течение короткого промежутка времени без каких-либо повреждений. Перегрузочная мощность определяется механическими или электрическими свойствами двигателя и характеризуется коэффициентом перегрузки по моменту (например кратностью максимального момента у асинхронного двигателя). В ряде случаев для привода важна перегружаемость не мгновенная, а на определенный, относительно короткий промежуток времени – кратковременная перегрузочная мощность. Это мощность, которую двигатель может отдавать в течение определенного ограниченного промежутка времени, после чего двигатель должен быть выключен до тех пор, пока не успеет охладиться до температуры окружающей среды.

Выбор мощности двигателя для продолжительного (длительного) режима с постоянной нагрузкой осуществляется в соответствии с мощностью исполнительного механизма. Например, для вентилятора необходимая мощность определяется соотношением

,

где – производительность вентилятора, то есть количество нагнетаемого воздуха, – напор вентилятора, и – коэффициенты полезного действия вентилятора и передачи от двигателя к вентилятору соответственно. Для металлорежущего станка, работающего с постоянной мощностью, она определяется по формуле

,

где – постоянный коэффициент, учитывающий КПД станка и передачи от двигателя к станку, – сила резания, – линейная скорость. Определив по приведенным формулам мощность P, необходимо выбрать мощность двигателя по каталогу так, чтобы расчетная мощность P. При этом двигатель должен обладать ближайшей мощностью двигателей выбираемой серии.

Режим работы электропривода наряду с диаграммой мощностей (рис. 18) может быть представлен в виде диаграммы моментов или диаграммы токов , так как эти параметры также характеризуют необходимые условия для выбора двигателя. Для продолжительного режима с переменной нагрузкой мощность двигателя рассчитывается по средним потерям или среднеквадратичным значениям момента, тока или мощности.

Метод средних потерь заключается в том, что вначале находится средняя мощность по формуле

.

Затем по каталогу выбирается двигатель, имеющий мощность , так, чтобы она была на 10-30% больше средней расчетной мощности . По данным каталога для выбранного двигателя строится зависимость КПД от нагрузки . По графику определяются мощности потерь

.

По кривой потерь для заданных мощностей определяются потери при каждой развиваемой мощности ,..., и строится график . Затем находятся средние потери . Эти потери сравниваются с потерями мощности в номинальном режиме. Если средние потери приблизительно равны номинальным, то двигатель выбран верно, если окажется, что средние потери значительно больше или значительно меньше, то подбирается двигатель соответственно с меньшей или большей мощностью и расчет производится повторно.

Менее точные, но более удобные методы выбора двигателя называются методами эквивалентной мощности, эквивалентного момента, эквивалентного тока (или методами среднеквадратичных значений). Нагрузочные диаграммы должны быть заданы зависимостями , , . По ним определяются значения эквивалентной мощности, эквивалентного момента и эквивалентного тока

,

 

,

 

.

Проверка двигателя по мощности осуществляется сравнением эквивалентной мощности и номинальной. Если , то проверка продолжается сравнением максимального и пускового моментов, развиваемых двигателем, с соответствующими значениями заданной нагрузочной диаграммы при условии из соотношения . А поскольку при неизменном магнитном потоке у двигателя постоянного тока и асинхронного двигателя (при неизменном питающем напряжении в режимах, близких к номинальному, сердечники якоря и ротора насыщены) момент пропорционален току, можно перейти к проверке двигателя по току. При этом должно выполняться условие . Далее проверяется перегрузочная способность двигателя по току, то есть должно соблюдаться условие ( – кратность пускового тока по паспорту, или допустимая перегрузка по току; – максимальный ток по нагрузочному графику).

При повторно-кратковременном режиме выбор электродвигателя имеет особенности. Определение мощности двигателя начинается с расчета продолжительности включения

,

где – время работы, T – продолжительность цикла. Каждому стандартному значению ПВ% соответствует значение номинальной мощности, с которой в данном режиме двигатель может работать не перегреваясь. Чем выше продолжительность включения, тем меньше должна быть нагрузка двигателя. Стандартные значения продолжительности включения составляют 15%, 25%, 40%, 60%. Пересчет эквивалентных величин на стандартное значение продолжительности включения производится по формулам

,

,

.

После определения стандартной эквивалентной величины по каталогу определяется двигатель, причем при известной диаграмме моментов и вычисленном значении значение [кВт] . Затем производится проверка двигателя с мощностью на допустимую перегрузку. Определяется номинальный момент двигателя

.

Наибольшая мощность, потребляемая двигателем, вычисляется по формуле

,

где максимальный ток определяется из нагрузочной диаграммы. Полезная мощность на валу .

Тогда наибольший момент сопротивления на валу

.

Максимально допустимый момент двигателя должен удовлетворять следующим условиям

.

При этом коэффициент 0,9 учитывает возможное понижение питающего напряжения на 5%, или учитывая паспортное значение кратности максимального момента

.

Для нормальной работы двигателя необходимо выполнение следующего условия

.

Если это условие не выполняется, необходимо выбрать двигатель с большей мощностью и провести проверку снова.

Если задана нагрузочная диаграмма момента , то выбирается из диаграммы. Если задана нагрузочная диаграмма мощности , то определяется из диаграммы.

Проверка пусковых свойств определяется из условия , где – момент на первом рабочем участке нагрузочной диаграммы момента. Он определяется как момент сопротивления на валу двигателя при пуске.

Если для расчета представлена диаграмма тока или мощности, то расчеты производятся в предположении

.

Помимо мощности двигателя необходимо выбрать род тока и конструктивную форму выполнения. В силу низкой эксплуатационной стоимости и простоты обслуживания, а также поскольку подавляющее большинство промышленных предприятий получают энергию от сетей трехфазного тока частотой 50 Гц наиболее распространены асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором. Двигатели с фазным ротором дороже, его габариты больше, его обслуживание сложнее. Поэтому они устанавливаются лишь при наличии особых требований к пусковому моменту или пусковому току (требование, связанное с ограниченной мощностью трансформаторной подстанции). Поэтому основным видом двигателей для мощности до 100 кВт при нерегулируемом приводе являются асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором.

Если требуется регулирование частоты вращения двигателя, то преимущества имеют двигатели постоянного тока, у которых имеется возможность плавного и экономичного регулирования в пределах 1:3 и даже 1:4. Недостатком такого приводного устройства является необходимость значительных затрат на установку преобразователей переменного тока в постоянный, использующихся в качестве источников питания. Однако в ряде случаев плавное регулирование частоты вращения является обязательным условием для работы исполнительного механизма, поэтому дополнительные затраты покрываются прибылью от регулирования скорости.

Выбор конструкции двигателя осуществляется в зависимости от условий окружающей среды. В большинстве случаев устанавливаются двигатели защищенного типа, в которых вентиляционные отверстия закрыты решетками, защищающими двигатель от попадания внутрь влаги, посторонних частиц, но не от пыли. В запыленных помещениях при наличии в воздухе паров, едких испарений и т. п. устанавливаются двигатели закрытого типа. При этом требуется наличие специального воздуховода для продувания охлаждающим воздухом. В сырых помещениях применяются защищенные двигатели с влагостойкой изоляцией. В помещениях с едкими парами и газами устанавливаются закрытые двигатели в герметическом исполнении или же закрытые, продуваемые кислотоупорной изоляцией. Во взрывоопасных помещениях, содержащих горючие газы или пары, устанавливаются взрывонепроницаемые двигатели.

 

Пример №5

Определить мощность, необходимую для привода механизма; выбрать электродвигатель по каталогу и произвести его проверку на перегрузочную способность. Нагрузочная диаграмма механизма изображена на рис. 19. Частота вращения вала =2860 об/мин. Двигатель должен быть установлен в помещении с запыленностью не более .

Решение:

При определении мощности электродвигателя для длительной работы с переменной нагрузкой воспользуемся методом эквивалентного момента

,

где значения моментов и соответствующие им промежутки времени определяются из рис. 19. Тогда

= 61,9 Нм

Расчетная мощность двигателя кВт.

 

Рис. 19. Нагрузочная диаграмма исполнительного механизма

Выбираем двигатель защищенного типа 4А180S2У3 с техническими данными: = 22,0 кВт; = 2940 об/мин; кратность максимального момента = 2,5.

Номинальный момент двигателя, предназначаемого в качестве приводного

==70,4 Нм.

Максимальный момент Нм.

При проверке по перегрузочной способности должно выполняться условие: , где коэффициент учитывает возможное снижение напряжения (), – максимальный момент двигателя. Согласно рис. 19 Нм. Таким образом, заданные условия выполняются.