2. Выбор электродвигателя для производственных механизмов

2.1. Общие сведения

Роль электродвигателя в электрификации рабочей машины все время расширяется: из простого источника движущей силы и подсобного элемента он превращается в мощное средство усовершенствования самой рабочей машины и технологического процесса. Так, применение регулируемого электродвигателя позволяет упразднить коробку передач: встроенный электродвигатель упрощает конструкцию машины и т. п.

Правильно выбранный электродвигатель должен иметь необходимую номинальную мощность и обеспечивать заданную производительность рабочей машины. Он должен быть также надежным, долговечным и экономичным. Основной задачей при выборе приводного электродвигателя является определение его мощности. Недостаточная мощность электродвигателя сковывает производительность рабочей машины и приводит к преждевременному выходу его из строя из-за возможных перегрузок. Излишняя мощность электродвигателя влечет за собой дополнительные капитальные вложения и увеличивает эксплуатационные расходы вследствие снижения к.п.д. и коэффициента мощности (у асинхронных электродвигателей) из-за его недогрузки.

Выбор электродвигателей производится также по роду тока и напряжению. Для нерегулируемых приводов или регулируемых в небольших пределах широко применяются электродвигатели переменного тока. Для получения повышенных регулировочных свойств, а также специальных пусковых и тормозных характеристик применяют электродвигатели постоянного тока.

2.2. Нагрев и охлаждение электродвигателей

Процесс преобразования энергии в электродвигателе сопровождается потерями, которые превращаются в тепло. Особенно чувствительна к повышению температуры изоляция обмоток машин. Срок службы изоляции в значительной мере определяет срок службы самой машины. Поэтому наибольшая допустимая температура электродвигателя определяется, главным образом, изоляционными материалами, применяемыми при изготовлении обмоток.

ГОСТ 21515-76 делит изоляционные материалы по степени нагревостойкости на семь классов. Наиболее распространенными из них для электродвигателей являются У, А, Е, В, где У – материалы из хлопчатобумажной пряжи и ткани, из бумаги и волокнистых веществ (целлюлозы и шелка), не пропитанные жидким диэлектриком; допустимая рабочая температура t^°_доп=90°, А – те же материалы, но пропитанные t^°_доп=105°; Е – некоторые синтетические органические пленки; В – материалы из слюды, асбеста и стекловолокна, содержащие органические связующие вещества. Наибольший срок службы для изоляции при указанных предельных температурах составляет примерно 15-20 лет. Мощность электродвигателя, указанная на щитке машины или в каталоге, согласно стандарту, относится к температуре окружающей среды +40°С.

При изучении тепловых процессов в электродвигателе в целях упрощения задачи принимают следующие допущение: электродвигатель рассматривается как однородное твердое тело, все точки которого имеют одинаковую температуру и поверхность которого способна равномерно рассеивать тепло. В начальный период работы электродвигателя при неизменной нагрузке выделяемое в нем тепло идет на нагревание его частей. Температура электродвигателя при этом быстро повышается и увеличивается отдача тепла в окружающую среду. По истечению определенного времени температура электродвигателя, постепенно повышаясь, достигает такой величины, при которой все выделяющееся тепло будет отдаваться в окружающую среду. Тогда дальнейший рост температуры электродвигателя прекратится: баланс температуры электродвигателя при постоянной неизменной нагрузке выразится следующим равенством:

,

где – количество тепла, выделяемое в электродвигателе в единицу времени, Дж/сек;

C – теплоемкость электродвигателя, т.е. количество тепла, необходимое для повышения температуры электродвигателя на один градус Дж/°С;

τ– превышение температуры электродвигателя над температурой окружающей среды ( температура перегрева), °С;

А – теплоотдача электродвигателя, т.е. количество тепла, отдаваемое электродвигателем в окружающую среду в единицу времени при разности температур в один градус, Дж/сек°С.

Решение уравнения относительно τ позволяет получить зависимость

где τ_у– установившаяся величина перегрева электродвигателя, °С;

τ_о – начальное превышение температуры (при τ = 0) °С;

t – время, для которого определяется повышение температуры, с;

– постоянная величина нагрева, характеризующая скорость нарастания температуры электродвигателя, сек.

Постоянную можно представить как время, в течение которого электродвигатель нагрелся бы до установившегося значения τ_у, если бы не было отдачи тепла в окружающую среду.

Если в начальный момент включения электродвигатель имел температуру окружающей среды (т.е. электродвигатель находится в так называемом холодном состоянии), то τ_о = 0 и уравнение нагревания принимает вид: .

Зависимость представлена кривой на рис.11а. Величина является асимптотой этой кривой. Величина τ теоретически может быть равной τ_уприt= ∞. Практически процесс нагревания считается законченным, когда:

. Например, при .

т.е. разница междуτ иτ_у меньше двух процентов.

При отключении от сети нагретого электродвигателя он начнет охлаждаться. Приток тела Qи определяемый им перегрев τ_у становится равным нулю. Приравнивая в предыдущем уравнении τ_у= 0, получим уравнение охлаждения электродвигателя .

Если перегрев электродвигателя в начальный момент охлаждения составлял τ_у, то кривая охлаждения 2, рис.11а будет зеркальным воображением кривой нагрева 1.

Рис.11. Графики мощности и нагрева

Из рассмотрения полученных уравнений следует, что процессы нагревания и охлаждения электродвигателя зависят практически от двух величин: τ_у и Т. Величина τ_у прямо пропорциональна количеству тепла, выделяемого,восновном, потерями в обмотках машины и обратно пропорциональна коэффициенту теплоотдачи, который в значительной степени зависит от вентиляции машины: чем лучше вентиляция, тем меньше τ_у. Величина Т зависит от размеров электродвигателя и его конструкции: чем меньше размеры электродвигателя, тем больше его теплоемкость.

Электродвигатель может периодически или эпизодически отключаться от сети на некоторое время. Поэтому нагрев электродвигателя в процессе его работы не остается постоянным, а претерпевает изменения во времени. В соответствии со стандартом установлены три основных номинальных режима работы электродвигателей в зависимости от характера и длительности его работы: длительный, кратковременный и повторно-кратковременный.

Поддлительным понимается режим, при котором в течение периода нагрузки температура электродвигателя достигает установившегося значения. Различают длительный режим с малоизменяющейся /постоянной/ и переменной нагрузками. Примерами механизмов, работающих в длительном режиме с малоизменяющейся нагрузкой, могут служить центробежные насосы, компрессоры, вентиляторы. В длительном режиме с переменной нагрузкой работают приводы черпаковой цепи и барабанного грохота, графики которых приведены на рис.11б.

Кратковременным называется режим, при котором в период нагрузки температура электродвигателя не достигает установившегося значения, а за время паузы электродвигатель успевает охладиться до температуры окружающей среды. В режиме кратковременной нагрузки работают некоторые вспомогательные приводы драг: рамоподъемной лебедки, свайной лебедки, механизмы саморазгружающихся шлюзов и др. Графики мощности и перегрева для кратковременного режима работы приведены на рис.11б.

Повторно-кратковременный режим характеризуется периодами нагрузки и пауз (рис.11г) причем за период нагрузки температура электродвигателя не успевает достигнуть установившегося значения, а за время паузы электродвигатель не успевает полностью охладиться. Характерным показателем для повторно-кратковременного режима работы является так называемая относительная продолжительность включения, под которой понимается отношение времени работы электродвигателя к общей продолжительности цикла. Для крановых электродвигателей эта величина, обозначаемая ПВ, стандартизирована и составляет 15, 25, 40 и 60%. Она указывается на щитке электродвигателя. Примерами механизмов, работающих в повторно-кратковременном режиме, могут служить крановые механизмы, носовые лебедки драг.

2.3. Выбор электродвигателя при различных номинальных режимах работы

Длительный режим работы. Если электродвигатель должен работать длительно с постоянной или малоизменяющейся нагрузкой, то определение его мощности производится расчетным путем по эмпирическим формулам с учетом поправочных коэффициентов. Например, расчетная мощность электродвигателя (мощность на валу) для привода насоса может быть определена по формуле:

, кВт,

где - производительность насоса, м³/сек;

Н - полная высота напора, м;

γ - плотность жидкости, н/м³;

- к. п. д. насоса и к. п. д. передачи.

Расчетная мощность электродвигателя Р_р должна быть равна или несколько меньше номинальной мощности Р_н, принятой по каталогу.

При выборе по каталогу типа электродвигателя следует руководствоваться приведенными выше соображениями в отношении условий окружающей среды, способа сопряжения электродвигателя с рабочей машиной, рода тока, напряжения, скорости вращения. К электроприводу предъявляется ряд других требований, например, повышение пусковых моментов, скольжения.

Пример. Определить мощность и выбрать электродвигатель для привода центробежного насоса производительностью = 0,01 м³с и частотой вращения 1450 об/мин. Расчетная высота подачи напора воды Н = 22 м, к. п. д. насоса η_н= = 0,5, к. п. д. передачи η_п=1.

Решение. Расчетная мощность на валу электродвигателя, согласно

Принимаем к установке асинхронный короткозамкнутый электродвигатель закрытого типа АО2-42-4, Р_н=5,5 кВт, η_н=1450 об/мин.

Выбор электродвигателя, работающего в длительном режиме с переменной нагрузкой, производится на основании нагрузочного графика, представляющего зависимость тока, момента, мощности от времени I, M, . Примерный вид нагрузочного графика приведен на рис.11. Здесь криволинейная форма графика с целью упрощения расчетов заменена ступенчатой с постоянной нагрузкой на каждом участке времени.

Чтобы определить мощность электродвигателя, работающего в длительном режиме с переменной нагрузкой, необходимо предварительно найти такой продолжительный режим постоянной по величине нагрузки; который был бы эквивалентен заданному режиму переменной нагрузки в отношении нагрева электродвигателя.

Продолжительный режим с постоянной нагрузкой эквивалентен режиму с переменной нагрузкой, если в том и другом случаях за одно и то же время цикла выделится одно и то же количество тепла, т.е. если ,

где – количество тепла , выделяемое в секунду при работе электродвигателя с постоянной нагрузкой;

₁, ₂, ₃ – количество тепла, выделяемое в секунду при работе электродвигателя с нагрузками.

Количество тепла, выделяемое в секунду, пропорционально потерям в электродвигателе за то же время. В соответствии с этим можно написать, что

Отсюда получаем формулу (принимая R= const), эквивалентного или среднеквадратичного тока: .

Приведенная формула соответствует графику нагрева с прямоугольными участками. Если график содержит участки, где величины токов не остаются постоянными в отдельные периоды времени (рис.12), то эквивалентный ток определяется по формуле .

Например, для участков имеющих вид треугольника (t₁ на рис. 12), эквивалентный ток будет равен ; для участков, имеющих вид трапеций (t_2, t_3, t₄ на рис. 12).

Рис.12 Замена криволинейного графика нагрузки отрезками призмой

Имея значение I_э выбирают в каталоге электродвигатель (зная предварительно род тока, напряжение, скорость вращения и другие данные), соблюдая условие . Выбранный по нагреву электродвигатель должен быть проверен на перегрузочную способность. Такая проверка нужна в тех случаях, когда нагрузочный график содержит непродолжительные и большие по величине пики нагрузки. При этом должно быть выполнено условие:

для электродвигателей постоянного тока ;

для электродвигателей переменного тока

где λ - допустимые коэффициенты перегрузки электродвигателя, принятые по каталогу;

I_нб - наибольшее значение тока, определяемое на нагрузочного графика;

0,9 – коэффициент, учитывающий снижение напряжения на 10% в эксплуатационных условиях.

Если условие перегрузки не соблюдается, необходимо взять электродвигатель, следующий (больший) по шкале мощности, руководствуясь при этом не условиями нагрева, а перегрузочной способностью.

Метод эквивалентного тока применен для электродвигателей любых типов. Для электродвигателей с малоизменяющимся магнитным потоком, в процессе работы (параллельные электродвигатели постоянного тока, асинхронные) метод эквивалентного тока может быть заменен методом эквивалентного момента: . Если при этом не меняется также и скорость вращения в процессе работы метод эквивалентного тока может быть заменен методом эквивалентной мощности.

Кратковременный режим работы. Мощность электродвигателя, работающего в режиме кратковременной нагрузки, определяется аналогичными методами, приведенными для длительного режима при переменной нагрузке. Выбор электродвигателя следует производить по специальным каталогам. Использование для кратковременной работы электродвигателей нормальных серий, предназначенных для продолжительного режима работы нецелесообразно, так как в большинстве случаев при кратковременной нагрузке электродвигатели не могут быть использованы полностью по нагреву.

Повторно - кратковременный режим работы. Мощность электродвигателя, работающего в режиме повторно-кратковременной нагрузки, может быть определена по методу эквивалентных величин - тока или момента. Метод эквивалентной мощности здесь неприемлем, так как в режиме повторно-кратковременной нагрузки в течение всего времени цикла не соблюдается пропорциональность между током электродвигателя и его мощностью.

Для подъемно-транспортных механизмов, работающих в повторно-кратковременном режиме, следует применять специальные крановые электродвигатели, предназначенные для тяжелых условий работы – частых пусков, торможения, значительных колебаний нагрузки, превышающих номинальную мощность. Электродвигатели имеют увеличенный пусковой и максимальной моменты, и в таком режиме работы они характеризуются относительной продолжительностью включения ПВ = 16, 25, 40, 60%, при общей продолжительности цикла работы 10 мин. Один и тот же тип электродвигателя при разных ПВ имеет разные номинальные мощности. Чем больше ПВ, тем меньше его номинальная мощность.

Пересчет мощности электродвигателя с одного значения ПВ на другое производится на основании следующего приближенного равенства:

Пример. Имеется крановый электродвигатели мощностью 20 кВт при ПВ = = 25%. Требуется определить, какую мощность может развить этот электродвигатели при ПВ = 40%.

Решение. Пользуясь выражением для пересчета мощности:

.

2.4. Вопросы для самопроверки

1. Какими соображениями руководствуются при выборе электродвигателя для привода?

2. Почему греются при работе электродвигатели?

3. Перечислите классы нагревостойкости изоляции.

4. Дайте определение теплового баланса электродвигателя при постоянной нагрузке.

5. Какие конструктивные параметры электродвигателя позволяют понизить величину превышения температуры электродвигателя над температурой окружающей среды.

6. Поясните закономерность нагрева электродвигателя при длительном режиме работы с изменяющейся нагрузкой.

7. Какие механизмы драг и гидравлик работают при длительном режиме с постоянной и переменной нагрузкой?

8. Перечислите механизмы карьеров и шахт работающие в кратковременном и повторно-кратковременном режиме.

9. Каким символом характеризуется повторно-кратковременный режим работы электродвигателя?

10. Перечислите величину ПВ установленную для крановых электродвигателей.

11. Напишите уравнение для расчета мощности электродвигателя привода насоса работающего в длительном режиме с постоянной или малоизменяющейся нагрузкой.

12. Напишите уравнение для расчета количества тепла выделяемого двигателем при работе в длительном режиме.

13. Нарисуйте график нагрузки электродвигателя работающего в длительном режиме с переменной нагрузкой.

14. Как выбирается тип электродвигателя для производственных механизмов?

15. Поясните смысловое значение коэффициента перегрузки электродвигателя.