Расчет мощности и выбор типа электродвигателя для разных режимов работы

Энергетика ЭП

Метод эквивалентного тока

Потери в двигателях примерно пропорциональны квадрату тока в его обмотках. Зная график тока, протекающего по обмоткам двигателя, можно определить для каждого конкретного ре­жима работы значение тока I_э характеризующее его нагрев.

Эквивалентный ток I_э  – это такой неизменный по величине ток, который вызывает такой же нагрев электродвигателя, как и реально протекающий изменяющийся по величине ток в соответствии с графиком нагрузки механизма.

ΔA_cт= ΔA_рот·r₁/r₂

 

                                                 (12.2)

Условие проверки двигателя на нагрев будет:

                                                          I_э≤ I_ном                                                                                              (12.3)

Метод эквивалентного момента

Если момент двигателя пропорционален току, то можно пользоваться методом эквивалентного момента.

Эквивалентный момент – это такой постоянный момент на­грузки, который вызывает такой же нагрев двигателя, как и ре­ально изменяющийся момент в соответствии с графиком работы механизма.

                            (12.4)

Условие правильности выбора двигателя - М_э<М_н.

Этот метод применим для двигателей постоянного тока с не­зависимым возбуждением, для асинхронных двигателей и  других, когда момент пропорционален току.

Метод эквивалентной мощности

Если скорость двигателя изменяется мало и можно считать, что мощность пропорциональна моменту и, следовательно, току, то эквивалентная мощность будет:

                                                         (12.5)

Производить проверку двигателя на нагрев по эквивалент­ной мощности можно для нерегулируемых по скорости электро­двигателей, у которых момент пропорционален току. Условие правильности выбора электродвигателя - Рэ < Рн.

Формулы (12.2), (12.4), (12.5) не учитывают условий ухуд­шения охлаждения у двигателей с самовентиляцией при стоянке во время пауз и при сниженной скорости вращения. С учетом этого обстоятельства можно пользоваться более точной форму­лой, например, для эквивалентного тока

где β₁ = β₃ = 0,5 – коэффициент, учитывающий ухудшение условий охлаждения в процессе разгона и торможения двигателя;

β₀ = 0,3 – коэффициент, учитывающий ухудшение условий охлаждения во время стоянки двигателя.

Продолжительный режим S1.

1. Определяется мощность производственного механизма, причем если нагрузка за время работы изменяется, то определя­ется эквивалентная мощность (момент или ток).

                                                 (12.6)

где F, М – сила, момент сопротивления, приведенные к двигателя, Н и Нм; V_н ω_н – номинальная линейная и угловая ско­рости механизма и двигателя соответственно, м/с, с^–1; η_п – кпд передачи.

Определяются мощность (момент), время работы и паузы каждой операции в цикле.

Строятся нагрузочная диаграмма и тахограмма.

3. Если нагрузка переменная, то определяется эквивалент­ный момент или ток.

В случае, если расчетная ПВ не соответствует стандартной, то эквивалентную мощность приводят к стандартной по формуле

                                                                                           (12.10)

 

Энергетика ЭП

Расчет мощности и выбор типа электродвигателя для разных режимов работы

При выборе приводного электродвигателя решается ком­плекс вопросов:

ü расчет мощности электродвигателя;

ü расчет номинальной скорости вращения (вместе с опреде­лением передаточного отношения механической передачи);

ü выбор двигателя в соответствии с режимом его работы по условиям нагрузки;

ü выбор двигателя по условиям пуска;

ü определение необходимой степени защиты оболочки дви­гателя;

ü выбор конструктивного исполнения на соответствие усло­виям окружающей среды;

ü выбор системы охлаждения двигателя.

По условиям окружающей среды двигатели изготавливают в следующих климатических исполнениях У, УХЛ, Т, М, ОМ (ГОСТ 15543-70) (для умеренного, умеренного и холодного, тро­пического и морского климата).

По степени защиты персонала от соприкосновения с токоведущими и движущимися частями и попадания посторонних тел внутрь машины, а также степени защиты от проникновения воды внутрь машины, они выпускаются в следующих исполнениях:

1РОО - открытая электрическая машина, специальная защита отсутствует;

1Р10, 1Р20 - машина, защищенная от прикосновения и попа­дания посторонних предметов;

1Р11...1Р43 - машина, защищенная от капель воды, от при­косновения и попадания посторонних предметов;

1Р44-1Р54 - закрытая машина, защищенная от брызг, при­косновения и попадания посторонних предметов;

1Р55...1Р58 - закрытые машины, защищенные от водяных струй (1Р55) и от проникновения воды внутрь при неограниченно длительном погружении в воду (1Р58).

Кроме того, выпускаются машины для работы во взрыво­опасной среде и в особых условиях окружающей среды.

По способу охлаждения двигатели подразделяют на машины с естественным охлаждением, с самовентиляцией, имеющие вен­тилятор на валу двигателя (защищенные или закрытые) и с неза­висимой вентиляцией.

Для электроприводов, предназначенных для работы в дина­мических режимах (механизмы циклического действия, следящие электроприводы и другие) стремятся выбирать двигатель с пони­женным моментом инерции ротора (якоря). Для таких условий изготавливаются малоинерционные двигатели. Для машин с кри-вошипно-шатунной кинематикой применяют двигатели с повы­шенным моментом инерции. Для электроприводов, работающих в повторно-кратковременном режиме и в неблагоприятных услови­ях эксплуатации, связанных с механическими нагрузками, воз­действием повышенной влажности, температуры и прочее, изго­тавливаются двигатели специального конструктивного исполне­ния - двигатели краново-металлургических серий.

При выборе номинальных параметров электропривода воз­никает задача выбора величины передаточного коэффициента редуктора (или другой передачи), соединяющего вал электродви­гателя с рабочим органом машины. Синхронные и асинхронные двигатели выпускаются с высокими скоростями вращения (син­хронная скорость обычно 3000, 1500, 1000, 750, 600 об/мин), в то время как скорость рабочего органа, как правило, требуется зна­чительно ниже. Для снижения скорости и соответствующего повышения момента на валу рабочего органа необходимо использо­вание понижающей передачи (редуктора).

Следует иметь в виду, что масса, габаритные размеры элек­тродвигателя (а, следовательно, его стоимость) определяются не его номинальной мощностью, а номинальным моментом.

                                                                                             (12.1)

где Р_н – номинальная мощность двигателя, Вт;

М_н – номинальный момент двигателя, Нм;

ω_н     – номинальная угловая скорость двигателя, 1/с;

п_н      – номинальная скорость вращении, об/мин.

Номинальный момент двигателя пропорционален объему активных частей электрической машины и принятыми для этой машины величин электрических и электромагнитных нагрузок: допустимой плотности тока в обмотках А (А/мм²) и индукции в магнитопроводе В(Тл), т.е.

М_н = к D² L · A · B

где D и L  – диаметр и длина активной части ротора двигателя.

Приближенно можно считать, что габариты и вес активных частей двигателя пропорциональны номинальному моменту. На­пример, двигатель с номинальной скоростью вращения (асин­хронной) - 750 об/мин будет примерно в 4 раза больше (по ак­тивным частям) и дороже, чем двигатель той же мощности, но с номинальной (синхронной) скоростью 3000 об/мин.

Исходя из этого, конструктору при выборе кинематической схемы привода следует выбирать, чему отдать предпочтение: электродвигателю меньшего веса и меньших габаритов, но с ре­дуктором, имеющим большое передаточное отношение, или большему по габаритам и весу электродвигателю в сочетании с более простым редуктором с меньшим передаточным отношени­ем или вообще обойтись без механической передачи. Выбор про­изводится, исходя из технико-экономических соображений и удобства компановки конструкций рабочей машины в целом.

Для электроприводов малой и средней мощности (до 200 кВт), как правило, применяются редукторные электроприводы. Современным конструкторским решением является использова­ние моторредукторов, в которых электродвигатель и редуктор объединены в один конструктивный узел.

 

 

Мощность приводного электродвигателя рассчитывается, исходя, главным образом, из трех условий:

1. Нагрев двигателя во время работы не должен превосхо­дить допустимый для данного класса изоляции.

2. Перегрузочная способность двигателя должна быть дос­таточной, чтобы обеспечивать кратковременно максимальные значения момента, определяемые, как правило, динамическими режимами пуска или торможения.

3. В случае привода механизмов с большим моментом инер­ции или для механизмов, имеющих большое число включений в час пусковые потери в двигателе не должны приводить к пере­греву ротора.

Нагрев двигателя сверх допустимого значения приводит к ускорению старения изоляции и выходу двигателя из строя. До­пустимый нагрев зависит от класса применяемой изоляции для обмоток двигателя.

 

Таблица 12.1

Допустимые температура нагрева и превышение температу­ры электродвигателя для различных классов изоляции

Параметры	Класс изоляции
	Е	В	F	H
Допустимая температура нагрева изоляционного материала (СТ-СЭВ 782-77), 0С	120	135	155	180
Допустимая температура нагрева обмоток электродвигателя (ГОСТ 183-74), 0С	–	120	140	165
Допустимое превышение температуры (ГОСТ 183-74), 0С	75	80	100	125

Расчеты температуры перегрева двигателя в соответствии с известной нагрузочной диаграммой являются весьма трудоемки­ми. Наиболее точным методом является метод средних потерь энергии в двигателе Δ Р_ср. Для каждой величины нагрузки опре­деляют значение потерь в двигателе и далее находят среднее зна­чение потерь за цикл работы. Такой метод редко применяется из-за сложности расчета потерь. Поэтому на практике пользуются косвенными методами оценки нагрева двигателя. Наиболее часто применяются методы эквивалентных

При выборе номинальных параметров электропривода воз­никает задача выбора величины передаточного коэффициента редуктора (или другой передачи), соединяющего вал электродви­гателя с рабочим органом машины. Синхронные и асинхронные двигатели выпускаются с высокими скоростями вращения (син­хронная скорость обычно 3000, 1500, 1000, 750, 600 об/мин), в то время как скорость рабочего органа, как правило, требуется зна­чительно ниже. Для снижения скорости и соответствующего повышения момента на валу рабочего органа необходимо использо­вание понижающей передачи (редуктора).

Следует иметь в виду, что масса, габаритные размеры элек­тродвигателя (а, следовательно, его стоимость) определяются не его номинальной мощностью, а номинальным моментом.

                                                                                             (12.1)

где Р_н – номинальная мощность двигателя, Вт;

М_н – номинальный момент двигателя, Нм;

ω_н     – номинальная угловая скорость двигателя, 1/с;

п_н      – номинальная скорость вращении, об/мин.

Номинальный момент двигателя пропорционален объему активных частей электрической машины и принятыми для этой машины величин электрических и электромагнитных нагрузок: допустимой плотности тока в обмотках А (А/мм²) и индукции в магнитопроводе В(Тл), т.е.

М_н = к D² L · A · B

где D и L  – диаметр и длина активной части ротора двигателя.

Приближенно можно считать, что габариты и вес активных частей двигателя пропорциональны номинальному моменту. На­пример, двигатель с номинальной скоростью вращения (асин­хронной) - 750 об/мин будет примерно в 4 раза больше (по ак­тивным частям) и дороже, чем двигатель той же мощности, но с номинальной (синхронной) скоростью 3000 об/мин.

Исходя из этого, конструктору при выборе кинематической схемы привода следует выбирать, чему отдать предпочтение: электродвигателю меньшего веса и меньших габаритов, но с ре­дуктором, имеющим большое передаточное отношение, или большему по габаритам и весу электродвигателю в сочетании с более простым редуктором с меньшим передаточным отношени­ем или вообще обойтись без механической передачи. Выбор про­изводится, исходя из технико-экономических соображений и удобства компановки конструкций рабочей машины в целом.

Для электроприводов малой и средней мощности (до 200 кВт), как правило, применяются редукторные электроприводы. Современным конструкторским решением является использова­ние моторредукторов, в которых электродвигатель и редуктор объединены в один конструктивный узел.

 

 

Мощность приводного электродвигателя рассчитывается, исходя, главным образом, из трех условий:

4. Нагрев двигателя во время работы не должен превосхо­дить допустимый для данного класса изоляции.

5. Перегрузочная способность двигателя должна быть дос­таточной, чтобы обеспечивать кратковременно максимальные значения момента, определяемые, как правило, динамическими режимами пуска или торможения.

6. В случае привода механизмов с большим моментом инер­ции или для механизмов, имеющих большое число включений в час пусковые потери в двигателе не должны приводить к пере­греву ротора.

Нагрев двигателя сверх допустимого значения приводит к ускорению старения изоляции и выходу двигателя из строя. До­пустимый нагрев зависит от класса применяемой изоляции для обмоток двигателя.

 

Таблица 12.1

Допустимые температура нагрева и превышение температу­ры электродвигателя для различных классов изоляции

Параметры	Класс изоляции
	Е	В	F	H
Допустимая температура нагрева изоляционного материала (СТ-СЭВ 782-77), 0С	120	135	155	180
Допустимая температура нагрева обмоток электродвигателя (ГОСТ 183-74), 0С	–	120	140	165
Допустимое превышение температуры (ГОСТ 183-74), 0С	75	80	100	125

Расчеты температуры перегрева двигателя в соответствии с известной нагрузочной диаграммой являются весьма трудоемки­ми. Наиболее точным методом является метод средних потерь энергии в двигателе Δ Р_ср. Для каждой величины нагрузки опре­деляют значение потерь в двигателе и далее находят среднее зна­чение потерь за цикл работы. Такой метод редко применяется из-за сложности расчета потерь. Поэтому на практике пользуются косвенными методами оценки нагрева двигателя. Наиболее часто применяются методы эквивалентных величин: тока, момента или мощности.