Выбор электродвигателя по мощности при различных режимах работы. Выбор электродвигателя в зависимости от условий его работы

Выбор электродвигателей производится по следующим параметрам и показателям: роду тока и номинальному напряжению, номинальным мощности и частоте вращения, виду естественной механической характеристики, а также по пусковым, регулировочным, тормозным качествам и конструктивному исполнению. Важной задачей является правильный выбор двигателей для работы в определенных условиях окружающей среды.
При выборе двигателя по мощности важно предусмотреть полное использование ее в процессе работы. Двигатель завышенной, по сравнению с требуемой, мощности работает недогруженным и имеет худшие КПД и коэффициент мощности. Двигатель заниженной мощности будет перегружен током, что приведет к большим потерям энергии и, как следствие, превышению температуры его обмоток сверх допустимой. Поэтому температура обмоток двигателя является главным критерием, по котором у выбирают двигатель по мощности.
В ряде случаев задача выбора двигателя по мощности осложняется еще и тем, что нагрузка на его валу в процессе работы не остается постоянной, а изменяется во времени, вследствие чего изменяется температура обмоток двигателя. Если изменение нагрузки на валу двигателя во времени известно, то можно судить о характере изменения потерь энергии в двигателе, что позволяет выбрать двигатель таким образом, чтобы температура его обмоток не превышала допустимой. При этом будет соблюдено условие обеспечения надежной работы двигателя в течение всего срока его эксплуатации.
Для кратковременной работы могут использоваться двигатели, предназначенные для продолжительного режима.
Для работы в повторно-кратковременных режимах используются, как правило, специально предназначенные двигатели. Все их технические данные приводятся в каталогах для стандартных значений ПВ. Например, если в паспорте двигателя для привода компрессора электровоза указано, что ПВ = 50 % (21 кВт), то можно реализовать мощность 21 кВт, не опасаясь перегрева, только в течение рабочего времени, составляющего 50 % продолжительности цикла. Остальное время цикла (50 %) двигатель должен не работать (пауза). Один и тот же двигатель допускает работу при различных ПВ. Но чем больше ПВ, тем меньше должна быть его нагрузка.
Продолжительный режим может протекать с постоянной или переменной нагрузкой. Номинальная мощность, указанная в каталоге, и есть та наибольшая мощность, которая может быть развита двигателем при постоянной нагрузке на его валу.
Выбор двигателя, работающего продолжительное время с переменной нагрузкой (нагрузочная диаграмма показана на рис. 1), производится по методу средних потерь или методам эквивалентных тока, момента и мощности.

Метод средних потерь.

Основан на том предположении, что двигатель будет работать по заданному графику нагрузки без превышения допустимой температуры, если средние потери этого графика нагрузки Σрср не превышают полных потерь энергии при номинальном режиме работы двигателя Σрном, т. е. соблюдается условие
(1)
Зная номинальные значения КПД т]ном и полезное мощности и используя формулу, можно определить полные потери энергии в номинальном режиме:
(2)
Пусть любому отрезку времени tu согласно нагрузочной диаграмме изменения потерь на рис. 1, соответствует реализуемая двигателем мощность Pi, при которой полные потери в нем составляют 2/7/. Тогда средние потери за все время работы двигателя
(3)
Метод средних потерь достаточно точен и может быть использован при выборе электродвигателя любого типа. Однако он требует проведения конкретных расчетов потерь для каждого участка, что не всегда выполнимо.
Метод эквивалентного тока.
Основан на использовании метода средних потерь. При этом считается, что средние потери создаются в двигателе, нагруженном таким расчетным неизменяющимся (эквивалентным) током /эк, который выделяет за время работы то же количество теплоты, что и действительные токи. Соответствующий току /эк коэффициент нагрузки назовем эквивалентным: ku э = /эк/Uном.
Тогда, согласно выражениям (13,7) и (15.8), имеем:

Рис. 1. Нагрузочная диаграмма и изменение потерь в двигателе при продолжительном режиме работы в переменной нагрузке
Подставив сюда значения коэффициентов нагрузки, исключив члены с р0, сократив остальные на Рм.вомUном и преобразовав, найдем значение эквивалентного тока
(4)
где in - продолжительность полного цикла работы двигателя. Двигатель выбран правильно, если соблюдается условие
(5)
Метод эквивалентного тока, основанный на методе средних потерь, также может быть использован для выбора любых двигателей.

Метод эквивалентного момента.

Напомним, что вращающий момент двигателей постоянного тока параллельного и независимого возбуждений, а также синхронных, согласно выражению, М = с"м/I
Это обстоятельство позволяет ввести понятие эквивалентного момента МЭК соответствующего эквивалентному току /эк:

Следовательно, аналогично (15.19) выражение эквивалентного момента имеет вид
(6)
Условие правильного выбора двигателя
(7)
Метод эквивалентной мощности. Позволяет через эквивалентную неизменную мощность Рэк (мощность, которая по условиям нагрева равноценна действительной изменяющейся мощности) оценить нагревание двигателя. Этот метод применим в тех случаях, когда при изменении нагрузки угловая скорость двигателя остается постоянной или меняется незначительно, т. е. Ω = const (жесткая естественная механическая характеристика).
Поскольку Рном = МномΩном и Рэк = А*экΩном- из (6) получим выражение эквивалентной мощности
(8)
Двигатель выбран правильно, если выполняется условие
(9)
Методы эквивалентных момента и мощности применимы для предварительного выбора двигателя и расчетов, не требующих большой точности. Эти методы совершенно неприемлемы для двигателей постоянного тока последовательного возбуждения, так как у них магнитный поток и частота вращения резко меняются с изменением тока нагрузки.
Выбранный по любому из методов двигатель необходимо проверить также на допустимую перегрузку, чтобы максимальные значения тока, вращающего момента или мощности (по нагрузочной диаграмме) не превзошли соответствующих величин, допустимых для данного двигателя.

В задачу выбора электродвигателя входят:

выбор рода тока и номинального напряжения;

выбор номинальной частоты вращения;

выбор конструктивного исполнения;

определение номинальной мощности и выбор соответствующего ей двигателя по каталогу.

В производственных условиях не всегда требуется решать весь комплекс этих вопросов. Часть их бывает задана: род тока, напряжение, частота вращения. Основное значение при этом имеет правильное определение мощности и конструктивного типа двигателя.

Прежде чем решать задачу выбора электродвигателя, необходимо четко представить себе работу механизма, для которого его подбирают: будет ли двигатель с механизмом работать длительно или кратковременно, с постоянной или регулируемой скоростью, будет ли изменяться (и как) момент сопротивления и мощность при работе. Ответы на эти вопросы может дать построение нагрузочных диаграмм. Далее решают вопросы выбора в перечисленной последовательности.

Выбор рода тока и напряжения двигателя . В основу этого выбора положены экономические соображения. Электродвигатели имеют высокую стоимость, так как являются сложными изделиями, в которых используются ценные электротехнические материалы, рассчитанные на длительный срок службы (20 лет). Поэтому выбор начинают с «примерки» пригодности для привода самых простых и дешевых двигателей – трехфазных асинхронных с КЗ-ротором и до самых сложных и дорогих – двигателей постоянного тока.

Выбор рода тока электродвигателя определяет и выбор его номинального напряжения, которое обычно берут равным напряжению источника электропитания цеха, завода, стройплощадки (чаще всего это трехфазная сеть с основным напряжением 380.220 В). Повышение или понижение напряжения для двигателей с помощью трансформаторов, применение выпрямителей для двигателей постоянного тока приводит к увеличению затрат на электрооборудование.

Выбор номинальной скорости двигателя. Высокая скорость электродвигателя позволяет уменьшить его габаритные размеры, массу и стоимость. Рабочие механизмы, наоборот, чаще требуют пониженных скоростей. Для согласования скоростей двигателя и механизма ставят редуктор, что удорожает электропривод. Вопрос о рациональном соотношении двигатель-редуктор решается конструктором при проектировании механизма.

Выбор конструктивного исполнения двигателя. Конструктивное исполнение современных серий электродвигателей учитывает три фактора: защиту от воздействия окружающей среды, обеспечение охлаждения и способ монтажа.

В табл. 1 представлена примерная последовательность выбора типа электродвигателя в зависимости от его назначения.

Таблица 1.1

Примерная последовательность выбора типа электродвигателя

Тип двигателя	Назначение
Асинхронный с КЗ-ротором нормального Исполнения	Для нерегулируемого привода, не требующего больших пусковых моментов, при
Асинхронный с глубокопазным КЗ-ротором или с двойной беличьей клеткой	То же, если требуется большие пусковые моменты
Асинхронный с контактными кольцами	Частые пуски при больших пусковых моментах и небольших токах, регулирование скорости (реостатное регулирование неэкономичное)
Синхронный	Для нерегулируемого привода в длительном режиме, регулирование cos (при Р100 кВт, СД экономичнее АД)
Постоянного тока	Регулирование скорости в широком диапозоне, обеспечение хороших пусковых качеств, перегрузочной способности

По способу защиты от воздействия окружающей среды электродвигатели изготавливают в защищенном, закрытом и взрывонепроницаемом исполнениях.

Защищенные от попадания мелких предметов и капель двигатели предназначены для работы в сухих непыльных помещениях.

Закрытые двигатели устанавливают в помещениях с повышенной влажностью, атмосферой, загрязненной пылью с металлическими включениями, парами масла или керосина.

Взрывозащищенные двигатели имеют корпус, способный выдержать взрыв газа внутри машины и исключающий при этом выброс пламени в окружающую среду. Они предназначены для работы во взрывоопасных помещениях (шахтах). На крышке коробки выводов этих двигателей отлит рельефный знак РВ – рудничный взрывобезопасный или ВЗГ – взрывобезопасный в газовой среде. Без этих знаков применение двигателей во взрывоопасных условиях запрещено. Нельзя также взамен закрытого двигателя устанавливать защищенный.

По способу охлаждения различают двигатели с естественным охлаждением, самовентиляцией внутренней или наружной и посторонним продувом (принудительно).

По способу монтажа имеются двигатели с горизонтальным расположением вала и станиной на лапах, с вертикальным расположением вала и фланцем на нижнем щите и т.д. Выбираемый двигатель должен иметь тот же способ установки, крепления и соединения с механизмом, что и заменяемый.

Выбор двигателя по мощности. Завершающим этапом является определение номинальной мощности двигателя и выбор по ней в каталоге подходящего двигателя. Однако номинальную мощность просто определить только при длительной работе с постоянной нагрузкой, которую и принимают за номинальную. В подавляющем большинстве случаев момент, мощность и ток двигателя изменяются во времени. Нагрузочные диаграммы двигателей многих механизмов включают периоды работы и пауз. При подобной переменной нагрузке двигатель должен удовлетворять условиям допустимого нагрева, обладать максимальным моментом, достаточным для преодоления возможных кратковременных перегрузок и при пуске с большой нагрузкой иметь избыточный пусковой момент для обеспечения разгона привода.

1.3. Нагревание и охлаждение электродвигателей

Работа электродвигателя сопровождается потерей части энергии, которая превращается в теплоту. Мощность потерь

Р = Р(1/ - 1) (1.10)

тем больше, чем большую мощность Р развивает двигатель на валу и чем ниже его КПД. Следовательно, с ростом нагрузки температура двигателя будет возрастать и может достигнуть опасных значений.

По нагревостойкости изоляционные материалы подразделяют на несколько классов. Так, изоляция класса А (пропитанные волокнистые материалы) допускают температуру нагрева до 105 0 С; класса В (материалы на основе слюды, асбеста и стекловолокна с пропиткой) – до 130 0 С, а те же материалы с кремнийорганическими связующими пропитками – до 180 0 С (класс Н).

Указанные рабочие температуры установлены исходя из срока службы электродвигателей 15-20 лет при номинальной нагрузке. При нагрузке 1,5 номинальной двигатель выходит из строя уже через 3 часа.

Температура двигателя зависит не только от его нагрузки, но и от температуры охлаждающей среды. При расчетах ее принимают равной +40 0 С. Разность между температурами двигателя и охлаждающей среды называют превышением температуры или температурой перегрева и обозначают   . Например, для широко распространенной изоляции класса А допустимая температура перегрева составляет 65 0 С.

При расчетах процессов нагревания и охлаждения электродвигателей электрическую машину упрощенно рассматривают как однородное тело, которое равномерно нагревается и излучает теплоту в окружающую среду всей поверхностью. Перед работой двигатель имеет температуру окружающей среды, поэтому вся выделенная в нем теплота идет на повышение температуры двигателя соответственно теплоемкости С, Втс/град. Когда его температура становится выше температуры среды, начинается процесс теплоотдачи в окружающую среду. При постоянной нагрузке через некоторое время температура двигателя достигает установившегося значения, при котором вся теплота, выделяющаяся в двигателе, отдается в окружающую среду. Наступает тепловое равновесие.

Уравнение теплового баланса электродвигателя при постоянной нагрузке имеет вид

Pdt = Cd + Adt, (1.11)

где d - перегрев, град., соответствующий элементу времени dt, за который выделяется энергия Pdt; А – теплоотдача при нагревании, Вт/град.

С момента наступления теплового равновесия повышение температуры двигателя прекращается (d = 0). Установившаяся температура перегрева определяется выражением

 уст = Р/А. (1.12)

Каждой нагрузке двигателя соответствует своя установившаяся температура. Очевидно, двигатель можно нагружать только такой мощностью, при которой установившийся перегрев его изоляции не превышает максимально допустимого значения. Эту мощность и называют номинальной.

Из выражения (1.12) видно, что установившийся перегрев возрастает с уменьшением теплоотдачи А. Чем лучше охлаждается двигатель при работе, тем ниже установившийся перегрев. Поэтому двигатели снабжают вентиляторами и для увеличения охлаждающей поверхности применяют ребристые корпуса.

Разделим уравнение (1.11) на Аdt и с учетом (1.12) перепишем его в виде

(1.13)

где Т и = С/А – постоянная времени нагревания.

Решение этого линейного дифференциального уравнения дает закон изменения температуры двигателя во времени:

где  нач – начальное превышение температуры, с которым двигатель начинает работать.

Если двигатель начинает работу в «холодном» состоянии, то  нач = 0 и

(1.15)

На рис. 1.5 приведены экспоненциальные кривые нагревания электродвигателя при постоянной нагрузке. Кривые 1 и 2 соответствуют работе двигателя с «холодного» состояния ( нач = 0) при малой (1) и большой (2) нагрузках, кривая 3 – работе, когда двигатель уже имел начальное превышение температуры  нач =  03 .

Кривую 3 можно рассматривать как превышение температуры двигателя в случае, если температура окружающей среды повысилась на  03 по сравнению с кривой 2. Установившаяся температура достигается практически за время (35) Т и.

Кривые нагревания и охлаждения являются экспонентами. Установившаяся температура достигается практически за время (35) Т и (погрешность 5 и 0,5% соответственно).

После отключения двигателя от сети выделение теплоты в нем

Рис. 1.5. Кривые нагревания и охлаждения электродвигателя

прекращается: P = 0,  уст = 0, и выражение (1.14) для процесса охлаждения примет вид

 нач e - t / T охл, (1.16)

где Т охл = С/А охл; А охл – теплоотдача при охлаждении.

Кривые охлаждения двигателя приведены на рис. 1.5. Время охлаждения электродвигателя до установившейся температуры или до температуры окружающей среды t охл = (35)Т охл. Интенсивность охлаждения двигателя зависит от способа вентиляции и его скорости. В неподвижном двигателе, с самовентиляцией, условия охлаждения значительно хуже, чем во вращающемся. Поэтому постоянная охлаждения Т охл здесь в 2-3 раза больше Т и. При эксплуатации регулярные продувки и очистка поверхности двигателя от пыли увеличивают теплоотдачу и обеспечивают наиболее полное его использование.

1.4. Номинальные режимы работы электродвигателей

При рассмотрении законов нагревания и охлаждения электродвигателей предполагалось, что нагрузка двигателя продолжительное время неизменна, поэтому неизменен и установившийся предельный перегрев  уст. В действительности нагрузка двигателя может изменяться различным образом по значению. Кроме того, двигатель может отключаться на некоторое время.

Для учета разнообразных условий работы электродвигателя и правильного определения его мощности рассчитывают и строят нагрузочные диаграммы М(t), Р(t) (см. рис. 1.4) или I(t). По виду нагрузочной диаграммы определяют режим работы двигателя. Режимы стандартизированы. Различают три основных режима: длительный (S1), кратковременный (S2) и повторно-кратковременный (S3). Для каждого из них условия нагревания и охлаждения различны.

Длительный режим. Длительным называют режим, в котором температура электродвигателя достигает установившегося значения.

Различают длительный режим с постоянной и переменной нагрузками. Длительно с постоянной нагрузкой работают вентиляторы, насосы, компрессоры, некоторые транспортеры, текстильные станки. Нагрузочная диаграмма для этого режима приведена на рис. 1.6, а.

Длительно с переменной нагрузкой (рис. 1.6,б) работают поршневые компрессоры, прокатные станы, токарные, сверлильные, фрезерные станки и др.

Рис. 1.6. Диаграммы Р(t) и (t) двигателя в длительном режиме с

постоянной (а) и переменной (б) нагрузками

На щитке электродвигателя, предназначенного для длительной работы, номинальный режим обозначают сокращенным словом «Длит.» Или символом S1.

Кратковременный режим . В этом режиме электродвигатель работает ограниченное время, в течение которого температура не достигает установившегося значения. Паузы в работе настолько велики, что двигатель успевает полностью охладиться. Нагрузочная диаграмма и перегрев двигателя в кратковременном режиме показаны на рис. 1.7.

В режиме кратковременной нагрузки работают вспомогательные приводы станков, разводных мостов, шлюзов, задвижек трубо- и газопроводов и других механизмов. На щитке электродвигателя кратковременного режима указывается время работы при номинальной мощности: 30, 60 и 90 мин и символ S2. Для универсального применения двигатели кратковременного режима крупными сериями не выпускаются.

Повторно-кратковременный режим. В этом режиме регулярно чередуются кратковременные периоды работы с кратковременными периодами пауз, причем в период нагрузки температура двигателя не достигает установившегося значения, а в период паузы (отключения) она не успевает опуститься до уровня температуры охлаждающей среды. Графики такого режима приведены на рис. 1.8. Перегрев электродвигателя изменяется по пилообразной ломаной линии, состоящей из отрезков кривых нагревания и охлаждения. При многократном повторении циклов перегрев колеблется около некоторого среднего значения  ср.

Рис. 1.7. Диаграммы Р(t) и (t) Рис. 1.8. Диаграммы Р(t) (t)

двигателя в кратко- двигателя в повторно-

временном режиме кратковременном режиме

работы работы

Типичным примером работы в повторно-кратковременном режиме являются электроприводы подъемных кранов, а также электропривод большинства металлорежущих станков.

Электропромышленность выпускает специальные крановые электродвигатели, предназначенные для работы в подъемно-транспортных устройствах. На щитке такого двигателя в графе «режим работы» указывается символ S3 и относительная продолжительность включения ПВ% (обозначаемая также ):

Рис. 1.9. Реальная (а) и идеализированная (б) диаграммы Р(t)

двигателя в повторно-кратковременном режиме

(1.17)

где t p – время работы; t п - продолжительность паузы; t ц – продолжительность цикла.

Продолжительность цикла повторно-кратковременного режима для крановых электродвигателей по ГОСТу не должна превышать 10 мин.

Значение ПВ стандартизированы и составляют 15, 25, 40 и 60 %. Например, если на щитке кранового двигателя указано Р ном = 11 кВт при ПВ 40%, то это означает, что данный двигатель может работать с номинальной нагрузкой 11 кВт в течение 4 мин, а последующие 6 мин он должен быть отключен от сети.

Реальная диаграмма может иметь вид на рис. 1.9,а, при нагрузке, когда ее длительность и пауза не одинаковы. В этом случае строят эквивалентную (идеализированную) диаграмму (рис. 1.9,б), где t ц = t р +t п, а ПВ = t p /t ц.

1.5. Расчет мощности и выбор электродвигателя

для длительного режима работы

Определение номинальной мощности двигателя для работы в длительном режиме с постоянной нагрузкой (см. рис. 1.6,а) сводится к подсчету мощности Р с исполнительного механизма, приведенной к валу двигателя (с учетом КПД передач, редукторов и т.д.). По полученной мощности Р в каталогах выбирают двигатель с номинальной мощностью Р ном Р с (предварительно выбраны род тока, напряжение, частота и конструктивное исполнение двигателя). Номинальная мощность, указанная в каталоге, является той наибольшей мощностью, на длительную работу без опасности перегрева рассчитан двигатель. Так как нагрузка постоянна, то специальной тепловой проверки не требуется. При тяжелых условиях пуска проверяют, достаточен ли развиваемый двигателем пусковой момент.

Определение номинальной мощности двигателя при длительной переменной нагрузке производят по методу средних потерь или по методу эквивалентных величин (тока, момента, мощности). Эти методы заключаются в тепловой проверке предварительно выбранного двигателя. Предварительно (ориентировочно) двигатель выбирают по средней мощности нагрузки (см. рис. 1.6,б):

(1.18)

где k = 1,11,3 – коэффициент запаса.

По предварительной мощности Р пр в каталоге выбирают двигатель с номинальной мощностью Р ном Р пр, а затем одним из методов проверяют его по нагреву.

Выбор двигателя по средней мощности неправилен потому, что не учитывает квадратичной зависимости переменных потерь от тока. При больших колебаниях нагрузки средняя мощность оказывается заниженной.

Если же при заданном графике переменной нагрузки (см. рис. 1.6,б) выбрать электродвигатель по наибольшей или по наименьшей мощности, то в первом случае она окажется завышенной, а во втором – заниженной. Применение же двигателя завышенной мощности увеличивает капитальные затраты, приводит к снижению КПД, cos. Использование двигателя недостаточной мощности снижает производительность и надежность электропривода, сокращает срок его службы.

Этими обстоятельствами и определяется необходимость в других методах выбора номинальной мощности двигателя при переменной нагрузке – методе средних потерь и методе эквивалентных величин.

Метод средних потерь. При постоянной нагрузке на валу (Р ном) мощность потерь остается неизменной (P ном). При изменяющейся нагрузке изменяется и мощность потерь. Считают, что двигатель нагревается одинаково, если средняя мощность потерь (P ср) за время цикла при переменной нагрузке равна мощности потерь при постоянной номинальной нагрузке:

P ср = Р ном (1.19)

(это справедливо, если продолжительность цикла много меньше продолжительности нагревания двигателя).

Таким образом, сначала для предварительно выбранного двигателя по формуле (1.10) определяют номинальные потери Р ном, а затем потери P 1 , P 2 , … на каждом участке графика нагрузки (см. рис. 1.6,б). Затем находят средние потери по формуле

(1.20)

и проверяют выполнение условия (1.19). Если значение P ном более чем на 10 % превышает Р ср, то выбирают другой двигатель и повторяют расчет. Этот метод достаточно точный, применим к выбору двигателей любого типа, но он трудоемок.

Метод эквивалентных величин (тока, момента, мощности). Переменные потери в двигателе пропорциональны квадрату тока нагрузки. Изменяющиеся по значению токи нагрузки заменяют эквивалентным не изменяющимся током I эк, который выделяет в двигателе ту же теплоту, что и изменяющиеся токи. Формулу эквивалентного тока можно получить на основании выражения (1.20):

(1.21)

Найденный ток I эк сравнивают с током I ном предварительно выбранного двигателя. Двигатель выбран правильно, если

I ном I эк. (1.22)

Чаще имеют дело с графиком моментов или мощностей. Если момент двигателя пропорционален току, то формула (1.21) превращается в формулу эквивалентного момента:

(1.23)

Выбор двигателя считается правильным, если номинальный момент предварительно выбранного двигателя

M ном М эк.

Если скорость двигателя при изменении нагрузки изменяется незначительно, то можно определить эквивалентную мощность

Р эк = М эк 

(1.24)

Условием правильного выбора будет неравенство

Р ном Р эк.

Методы эквивалентных момента и мощности неприменимы для двигателей последовательного возбуждения, где момент не пропорционален току.

Выбранный двигатель подлежит обязательной проверке по перегрузочной способности и пусковому моменту (если пуск происходит под нагрузкой).

Мгновенная перегрузочная способность  м = М max /M ном двигателей разных типов имеет следующие значения.

Перегрузочная способность  м двигателей

Постоянного тока общего назначения. . . . . . . . . . . . 2

Специальные (тяговые) постоянного тока. . . . . . . . 3-4

Асинхронные с контактными кольцами. . . . . . . . . . . 2-2,5

Асинхронные с КЗ-ротором нормального исполнения 1,8-3

Асинхронные глубокопазные с двойной клеткой. . . . . 1,8-2,7

Синхронные. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-2,5

Синхронные специальные. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-4

Коллекторные переменного тока. . . . . . . . . . . . . . . . . 2-3

Если максимальный момент нагрузки больше, чем двигатель может развить, то выбирают двигатель большей мощности.

Маховиковый привод. Для механизмов с ударной нагрузкой (молоты, прессы, штамповочные машины и др.) электродвигатель пришлось бы выбирать не по нагреву, а по механической перегрузке, что привело бы к завышению мощности. Но мощность двигателя можно снизить и приблизить к требуемой по нагреву, если «выровнять» нагрузочный график с помощью маховика.

В периоды резкого увеличения нагрузки (Р 1 на рис. 1.10) часть ее покрывает двигатель, а часть – маховик, отдающий свою кинетическую энергию. Во время сброса нагрузки (до Р 2) скорость привода возрастает и в маховике снова увеличивается запас энергии. Таким образом, электродвигатель будет развивать мощность, меньшую Р 1 и большую Р 2 ; эквивалентная мощность приближается к средней мощности Р. Поэтому применение маховика снижает номинальную мощность двигателя. Но двигатель должен обладать достаточно мягкой механической характеристикой.

Рис. 1.10. Графики Р(t) и (t) маховикового привода

При замене электродвигателя с маховиковым приводом следует подбирать двигатель аналогично заменяемому.

1. Пищевой промышленности (4)

   Учебно-методический комплекс

   ОБРАЗОВАНИЮ РФ КЕМЕРОВСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ ПИЩЕВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ Кафедра Технологии бродильных производств и... РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Кемеровский технологический институт пищевой промышленности Кафедра «Технология бродильных производств и...

2. Пищевой промышленности (3)

   Лабораторная работа

   ПО ОБРАЗОВАНИЮ Кемеровский технологический институт пищевой промышленности Кафедра: «Технология и организация общественного... множительной техники Кемеровского технического института пищевой промышленности 650010, г. Кемерово, ул. Красноармейская, ...

3. Пищевой промышленности (6)

   Учебное пособие

   Рошник В.А., Реховская Т.А. - Кемеровский технологический институт пищевой промышленности . - Кемерово, 2000. - 132 с. ISBN ... техни­ческих вузов. © Кемеровский технологический институт пищевой

Правильный выбор мощности двигателя для того или иного механизма с учетом его технического режима имеет большое значение для технико - экономических и эксплуатационных показателей. Если при выборе мощность ЭД занижена, то ЭД не обеспечит необходимой надежности и долговечности. Зависимость коэффициента мощности от нагрузки показана на графике. Если выбран ЭД завышенной мощности, т.е. с малым коэффициентом загрузки, то он обладает низкими экономическими и энергетическими показателями.

Поэтому стараются подобрать ЭД таким образом, чтобы Рном=Кзап*Рэф.

При этом эффективная мощность определяется при помощи нагрузочной характеристики, а коэффициент запаса вводится с учетом неточности графика нагрузочной характеристики.

Последовательность выбора мощности ЭД:

1. Предварительный выбор мощности: заключается в анализе нагрузочной диаграммы и выборе Кзап.

2. Проверка правильности предварительного выбора по тепловому режиму. Производится с помощью точного анализа.

3. Проверяется по возможности запуска.

4.Проверка правильности выбора по кратковременной механической нагрузки.

Выбор мощности двигателя для продолжительного режима:

А) при постоянной нагрузке.

В этом случае предварительный расчет мощности не требуется, а определяется эффективная мощность механизма с использованием точных или эмпирических выражений, которая в дальнейшем сравнивается с номинальной мощностью двигателя. Существуют определенные формулы для расчета эффективной мощности различных типов механизмов. Если Рэф < Рном, то двигатель выбран правильно. Причем в этом случае это соотношение является критерием правильности выбора и по нагреву, и по условиям правильности пуска, и по критериям качества.

Для любых режимов с изменяющейся нагрузкой выбор мощности представляет собой значительно более сложную задачу и состоит из нескольких стадий, главной из которых является проверка правильности выбора по нагреву. При этом для любого режима наиболее точным методом такой проверки является построение кривой нагрева реального двигателя с учетом его режима с последующим сравнением tуст < tдоп.

Б) при переменной нагрузке.

Пусть нагрузочная диаграмма имеет вид:

Последовательность выбора мощности двигателя:

1. Предварительно выбирается двигатель, для чего сравнивают среднее арифметическое значение мощности по нагрузочной диаграмме с номинальной мощностью по каталогу.

2. Производят проверку правильности выбора двигателя по нагреву. Эту проверку можно осуществить с помощью метода универсальных потерь, поскольку расчет и построение кривых нагрева является сложной и не всегда решаемой задачей.

По заданному графику нагрузки определяются средние потери мощности за рабочий цикл двигателя DРср, которые в дальнейшем сравниваются с номинальными потерями мощности в двигателе.

Если выполняется условие DРср £ DРном, то двигатель соответствует условиям нагрева.

DР1,DР2,…,DРn - потери мощности на каждом участке нагрузочной диаграммы;

hi - КПД на i-ом участке нагрузочной диаграммы

3. Проверка правильности выбора по условиям пуска (по возможности запуска). Для этого Мпуска ³ М1, если не выполняется, то выбирают двигатель либо с улучшенными пусковыми свойствами, либо большей мощности.

4. Производят проверку двигателя по кратковременной механической перегрузке. Для этого критический момент двигателя по его паспорту сравнивают с максимальным моментом по его диаграмме.

Если условие 4 выполняется, то двигатель выбран правильно, если не выполняется, то выбирается двигатель или с большей перегрузочной способностью или с большей мощностью.

Однако несмотря на то, что метод средних потерь является достаточно точным и универсальным, т.е. может быть применен для любого типа двигателя, возникают некоторые затруднения. Поэтому в инженерных расчетах чаще всего применят менее точные и универсальные методы эквивалентных величин, к которым относят:

А) метод эквивалентных токов

Б) метод эквивалентных моментов

В) метод эквивалентных мощностей.

Метод эквивалентных токов:

Основан на том, что реальный ток, соответствующий нагрузочной диаграмме и соответственно изменяющийся, заменяется неким эквивалентным током, который за рабочий цикл выделяет в двигателе такое же количество тепла, что и реально изменяющийся ток.

При этом потери мощности в двигателе:

Чаще всего нагрузочная диаграмма ЭП задается именно в координатах М(t) , поэтому с этой точки зрения метод эквивалентных моментов является более удобным. Однако точная пропорциональная зависимость М(I) характерна только для ДПТ с НВ. Для АД момент кроме того зависит и от коэффициента мощности cosj. Поэтому применительно к АД этот метод не обеспечивает достаточной точности. Используется обычно для АД малой мощности и в линейной части характеристики.

Метод эквивалентных мощностей:

Основан на пропорциональной зависимости мощности от момента: Р=М×w, Р º М. Критерием правильности выбора является: Рном ³ Рэкв. Из всех перечисленных методов метод эквивалентных мощностей является наименее точным и применяется только для ДПТ с НВ.

Выбор мощности двигателя для кратковременного режима:

Серийно выпускаются двигатели, в паспорте которых задается номинальная длительность включения 10, 30, 60, 90 минут. Кроме того задается КПД при работе в кратковременном режиме и Ркр; в продолжительном hпр и Рпр.

Рт=DРкр/DРпр=tуст/t¢уст=tуст/tдоп.

Последовательность выбора:

В паспорте серийно выпускаемых двигателей для кратковременного режима S2 кроме времени включения указывается мощность при работе в кратковременном режиме, КПД при работе в кратковременном режиме, мощность и КПД в продолжительном режиме.

1. Определяют DРкр и DРпр:

DРкр=Ркр*(1-hкр)/hкр;

DРпр=Рпр*(1-hпр)/hпр;

2. Определяют коэффициент термической перегрузки: Рт=DРкр/DРпр.

3. Тн=tр/(ln(1-Рт)/Рт). Подставляя tр из паспорта и коэффициент термической перегрузки из предыдущего пункта, находим постоянную времени нагрева Тн, с помощью которой можно легко построить кривую нагрева двигателя и по этой кривой выбрать мощность двигателя.

Выбор мощности двигателя для повторно - кратковременных режимов работы:

Для режимов S4 и S5 обычно применяют двигатели серийно выпускаемые для режима S3 со стандартными ПВ%=15;25;40;60% либо двигатели серийно выпускаемые для режима S1. В этом случае при выборе мощности двигателя подразумевается ПВ=100%. Чаще всего в качестве математического аппарата для проверки правильности выбора по нагреву используют метод эквивалентных моментов. При этом в формуле эквивалентного момента введены поправочные коэффициенты, которые имеют обозначение b(), и которые учитывают ухудшение теплоотдачи двигателя во время разгона, торможения, паузы по сравнению с теплоотдачей при работе с w=const.

в) Найденное значение Мэкв приводят к стандартной ПВ% и находят Мэквприв:
г) по каталогу выбирают двигатель, у которого Мном ³ Мэквприв.

После этого двигатель проверяют по возможности запуска и кратковременным перегрузкам так же как для S1 с переменной нагрузкой.

От правильного выбора электродвигателя по мощности зависит работа электропривода и его энергетические показатели в процессе эксплуатации. В тех случаях, когда нагрузка электродвигателя существенно меньше номинальной, он недоиспользуется по мощности, что приводит к излишним капитальным вложениям, заметному снижению коэффициента мощности и кпд. Если же нагрузка на валу электродвигателя превышает номинальную, возрастают токи в его обмотках, вследствие чего температура электродвигателя может превысить допустимую величину. Это, прежде всего, приводит к снижению электрической прочности электроизоляционных материалов, что связано с опасностью пробоя изоляции обмоток и выходом электродвигателя из строя. В этом случае одним из критериев выбора электродвигателя по мощности является температура его обмоток.

Задача выбора электродвигателя по мощности осложняется еще и тем обстоятельством, что нагрузка на его валу в процессе работы изменяется во времени, а соответственно изменяется температура обмоток. Если при этих условиях выбрать электродвигатель таким образом, чтобы его номинальная мощность была равна наибольшей мощности нагрузки, то в периоды ее снижения он будет недоиспользован по мощности, а значит, начнут проявляться все отрицательные явления, указанные выше.

Выбор электродвигателя с номинальной мощностью равной минимальной мощности нагрузки вообще недопустим по условиям перегрузочной способности и температурному режиму.

Поэтому обоснованное решение вопроса выбора электродвигателя может быть принято только на базе диаграмм зависимости изменения нагрузок во времени, что дает возможность оценить его температуру при известном характере процесса его нагрева. Это обеспечит надежную работу электропривода в течение всего срока его эксплуатации и является первым обязательным условием правильного выбора электродвигателя с учетом режима работы механизма.

Второе обязательное условие правильного выбора электродвигателя заключается в том, что его перегрузочная способность должна быть достаточной для устойчивой работы его в периоды максимальной нагрузки.

Третьим условием правильного выбора электродвигателя является обеспечение нормального процесса его пуска.

1. Номинальные режимы работы электродвигателей

Режимом работы называется установленный порядок чередования, продолжительности и величины нагрузки, холостого хода, торможения, пуска и реверса машины во время работы.

Номинальным режимом работы электродвигателя называется режим, для работы в котором электрическая машина предназначена заводом изготовителем. Это один из параметров его технической характеристики, приведенной в паспорте или каталоге. Именно для этого режима в каталогах и паспорте электродвигателя указываются номинальная полезная механическая мощность на валу, номинальное напряжение, номинальный ток, номинальная частота вращения, номинальный кпд, номинальный коэффициент мощности, номинальный режим работы.

Номинальные данные характеризуют работу электрической машины, установленной на высоте до 1000 м над уровнем моря, при температуре окружающей среды 40С и охлаждающей воды 30С 1 .

В соответствии с ГОСТ 183-74 (СТ СЭВ 1346-78) установлено восемь номинальных режимов работы электрических машин, которые в соответствии с международной классификацией имеют условные обозначения S1 – S8.

Режимом продолжительной нагрузки S1 (продолжительным режимом) называется режим, при котором время работы электрической машины при практически неизменных нагрузке и температуре охлаждающей среды достаточно для нагрева всех ее частей до практически установившейся температуры, рис. 3.1а. Режим характеризуется неизменными тепловыми потерями в течение всего времени работы.

Режимом кратковременной нагрузки S2 (кратковременным режимом) называют режим, при котором периоды работы с неизменной нагрузкой чередуются с периодами отключения электрической машины (паузами), рис. 3.1б, причем за время работы температура его частей не успевает достигнуть установившегося значения, а за время пауз (отключения) она охлаждается до установившейся температуры, отличающейся от температуры окружающей среды не более чем на 1С. Установленная ГОСТ длительность периодов работы в данном режиме 10, 30, 60 и 90 мин. Она должна быть указана в условном обозначении режима работы, например S2-60 мин.

Режим повторно-кратковременной нагрузки (повторно-кратковременный) имеет три разновидности S3, S4, S5 . Он отличается от кратковременного регламентированными продолжительностью включения под неизменную нагрузку и продолжительностью периодов отключения (пауз). Время работы электрической машины всегда меньше времени, необходимого для нагрева ее частей до установившейся температуры, а время пауз меньше необходимого для остывания машины до практически холодного состояния. Продолжительность цикла 10 мин.(600 с.), если нет других указаний.

Режим повторно-кратковременной нагрузки S3 – последовательность идентичных рабочих циклов, каждый из которых состоит из периодов работы при постоянной нагрузке и отключенного неподвижного состояния, рис. 3.1в. Так как продолжительность пускового периода намного меньше периода работы под нагрузкой предполагается отсутствие влияния на нагрев электрической машины пускового тока и увеличения мощности тепловых потерь за время пуска. Для режима S3 характеризующим является только один параметр - продолжительность включения:

где – период работы при номинальных условиях, с.;

–период отключенного, неподвижного состояния, с.;

–продолжительность цикла, с.

Для всех разновидностей S3, S4, S5 повторно-кратковременного режима номинальная продолжительность включения принята 15, 25, 40, 60%.

В условном обозначении режима S3 указывается продолжительность включения в %, например S3-40%.

Режим повторно-кратковременной нагрузки, включая пуск, S4 – последовательность идентичных рабочих циклов, каждый из которых состоит из периодов пуска, работы при постоянной нагрузке и отключенного неподвижного состояния (пауз) рис.3.1г. Время пуска соизмеримо со временем работы под нагрузкой, а поэтому пусковой ток и увеличение мощности тепловых потерь в пусковой период оказывают непосредственное влияние на нагрев электрической машины (электродвигателя).

Для режима S4 характеризующими параметрами являются:

продолжительность включения

а – S1, б – S 2 , b – S3, г – S4, д – S5, е – S6, ж – S7, з – S8

t ц - время цикла.

Т , мощности тепловых потерь  Р t 

а – S1, б – S 2 , b – S3, г – S4, д – S5, е – S6, ж – S7, з – S8

t ц - время цикла.

Т , мощности тепловых потерь D Р t , температуры электродвигателя Q

а – S1, б – S 2 , b – S3, г – S4, д – S5, е – S6, ж – S7, з – S8

t п - время пуска; t р - время работы при номинальных условиях;

t т - время торможения; t x - время холостого хода; t 0 - время паузы;

t ц - время цикла.

Рисунок 3.1 – Диаграмма полезного механического момента на валу двигателя Т , мощности тепловых потерь D Р t , температуры электродвигателя Q при различных номинальных режимах работы

а – S1, б – S 2 , b – S3, г – S4, д – S5, е – S6, ж – S7, з – S8

t п - время пуска; t р - время работы при номинальных условиях;

t т - время торможения; t x - время холостого хода; t 0 - время паузы;

t ц - время цикла.

Рисунок 3.1 – Диаграмма полезного механического момента на валу двигателя Т , мощности тепловых потерь D Р t , температуры электродвигателя Q при различных номинальных режимах работы

коэффициент инерции:

где t n – время пуска, с.;

–момент инерции якоря (ротора) двигателя, кгм 2 ;

–приведенный к валу электродвигателя момент инерции приводного механизма, кгм 2 ;

- число включений за один цикл.

Номинальные значения:

–30, 60, 120, 240;

–1.2, 1.6, 2, 2.5, 4, 6.3, 10.

,,

, напримерS4-25%, 120 вкл/час, FI - 2.0 . Это означает, что электродвигатель при коэффициенте инерции

=2.0 рассчитан на работу при 120 включениях в час, длительность каждого цикла составляет 3600/120 = 30 с, из которых сумма времени пускаи времени работысоставляет 25% т.е. 7,5 с, а время пауз 22,5с.

Режим повторно-кратковременной нагрузки, включая пуск и электрическое торможение, S5 – последовательность идентичных рабочих циклов, каждый из которых состоит из периодов пуска, работы при постоянной нагрузке, быстрого электрического торможения и отключенного, неподвижного состояния, рис. 3.1д. Длительность этих периодов недостаточна для достижения теплового равновесия за время одного цикла.

Для режима S5 продолжительность включения:

где – время электрического торможения, с.

Остальные параметры аналогичны режиму S4 . Иногда для режима S5 используют и такую характеристику как постоянная кинетической энергии – отношение кинетической энергии, запасенной ротором (якорем) электрической машины при номинальной частоте вращения (угловой скорости) к номинальной мощности электрической машины.

Условное обозначение режима аналогично S4 , например S5 - 40%, 60 вкл/час, FI - 1.2 .

Режимы S6 , S7 , S8 являются разновидностями продолжительного режима и носят название перемежающихся режимов.

Режим продолжительной работы при переменной нагрузке (перемежающийся режим) S6 – последовательность идентичных рабочих циклов, каждый из которых состоит из периодов работы при постоянной нагрузке и на холостом ходу, рис.3.1е. Влияние пусковых токов и мощности тепловых потерь на нагрев частей электродвигателя в пусковой период не учитывается.

Тепловое равновесие за время одного цикла не наступает. Продолжительность одного цикла, если нет других указаний, принимается 10 мин.(600с). Для режима S6 характеризующим параметром является продолжительность нагрузки (работы):

где t x – время (продолжительность) работы на холостом ходу, с.

Номинальные значения

– 15, 25, 40, 60%.

В условном обозначении режима указывается

в %, напримерS6 - 15%.

Режим продолжительной нагрузки, включая пуск и электрическое торможение (перемежающийся режим с частыми реверсами при электрическом торможении) S7 – последовательность идентичных циклов, каждый из которых состоит из периодов пуска, работы при постоянной нагрузке и электрического торможения, рис. 3.1 ж. Из-за малой длительности неизменной нагрузки потери в пусковые периоды, во время реверсов, электрическом торможении оказывают существенное влияние на нагрев частей двигателя. Длительность рабочего периода недостаточна для достижения теплового равновесия за время одного цикла.

Для этого режима характеризующими параметрами являются: число включений в час, коэффициент инерции, например S7 - 120 вкл/час ,

-2.5 .

Режим работы при периодическом изменении частоты вращения и нагрузки (перемежающийся режим с двумя и более частотами вращения) S8 – последовательность идентичных рабочих циклов, каждый из которых состоит из периодов ускорения, работы при постоянной нагрузке, соответствующей заданной частоте вращения, затем одного или нескольких периодов работы при других постоянных значениях нагрузки, соответствующим другим частотам вращения, рис. 3.1з. Изменение мощности тепловых потерь электродвигателя при переходе на другую частоту вращения с другой нагрузкой и при электрическом торможении оказывает существенное влияние на нагрев частей электродвигателя.

Для режима S8 характеризующими параметрами являются: число включений в час; коэффициент инерции; нагрузка, соответствующая каждой из частот вращения; частота вращения при соответствующей нагрузке, продолжительность нагрузки на каждой из частот вращения, рис. 3.1з:

Условное обозначение режима включает указанные выше характеристики, например S8 - 60 вкл/час;

- 2.0; 22 квт; 740 об/мин; 40%; 55квт; 1470 об/мин; 60%.

Кроме основных номинальных режимов работы электрических машин (S1 – S8 ) в практике эксплуатации электродвигателей можно выделить: режим кратковременной нагрузки с продолжительностью цикла существенно меньшей 10 минут; режим чередующихся реверсов; режим стохастической нагрузки.

Режим кратковременной нагрузки с малой продолжительностью рабочего цикла является частным случаем режимов S2 , S3 и отличается от них тем, что время работы в этом режиме соизмеримо со временем пуска электродвигателя. В связи с этим потери в электродвигателе необходимо рассматривать как функции времени, а не как постоянные величины.

Режим чередующихся реверсов относится к режиму S7 , но отличается от него симметричным графиком мощности при различных направлениях вращения. Кроме того, рабочий цикл по времени соизмерим со временем реверса, и поэтому при расчете потерь необходимо учитывать апериодические составляющие тока и магнитного потока.

Режим стохастической (случайной) нагрузки характеризуется вероятностными характеристиками нагрузки на валу, а график случайной нагрузки не может быть выражен детерминированной функцией времени.

Еще раз обращаем внимание на то, что в каталогах, паспортах на электрические машины указываются номинальные режимы, и технические данные именно при этих номинальных режимах.

Так как рабочий режим реальных машин и механизмов, как правило, не совпадает с одним из рассмотренных номинальных, задача выбора электродвигателя по мощности для привода реальной машины, механизма заключается в том, чтобы правильно сопоставить ее рабочий режим с паспортным номинальным режимом электродвигателя, обеспечив максимальное использование выбранного электродвигателя по условиям нагрева.