Определение мощности двигателя. Выбор двигателя по каталогу

Определение мощности двигателя для производственного механизма выполняется в соответствии с нагрузкой на его валу по условиям нагрева. После того как двигатель выбран по условиям нагрева по каталогу, его проверяют по перегрузочной способности и условиям пуска.

За время работы теплота, обусловленная потерями мощности в двигателе, нагревает его. Допустимая же температура двигателя определяется классом изоляции его обмоток и не должна превышать определенного значения, установленного заводом-изготовителем. Необходимо выбрать такой двигатель по номинальной мощности, при которой он бы нагревался за время работы до температуры, не превосходящей допустимую. Превышение допустимой температуры приводит к потере изоляцией электрической и механической прочности и к выходу двигателя из строя.

Завышение мощности двигателя связано с дополнительными капитальными затратами, увеличением расхода энергии на единицу продукции, а для асинхронных двигателей, кроме того, — с ухудшением коэффициента мощности.

По характеру работы все производственные механизмы разделяются на четыре основные группы:

1) механизмы, работающие длительно с постоянной нагрузкой;

2) механизмы, работающие длительно с изменяющейся нагрузкой;

3) механизмы, часть времени производственного цикла работающие, другую часть находящиеся в неподвижном состоянии (повторно-кратковременный характер работы);

4) механизмы, работающие всего несколько секунд или минут, а затем длительно (десятки секунд или минут) находящиеся в неподвижном состоянии (кратковременный характер работы).

В соответствии с характером работы производственных механизмов установлены три основных номинальных режима двигателей: продолжительный, повторно-кратковременный и кратковременный.

При продолжительном режиме (рис. 12.2, а) за время работы двигатель успевает нагреться до установившейся температуры. При повторно-кратковременном режиме (рис. 12.2, б) за время работы t _p двигатель не успевает нагреться до установившейся температуры, а за время паузы t ₀, когда он отключен от сети, не успеет охладиться до температуры окружающей среды τ_0,с. Однако по прошествии нескольких циклов температура будет колебаться между наибольшими и наименьшими значениями, которые далее остаются постоянными. Основной характеристикой этого режима является относительная продолжительность включения, %,

ПВ =	t _p	100 =	t _p	100,
t _p + t ₀	T _ц

где t _p, t ₀, T _ц — соответственно интервалы работы, паузы и цикла.

При кратковременном режиме (рис. 12.2, в) за время работы t _p двигатель не успевает нагреться до установившейся температуры, а за время паузы t ₀ успевает охладиться до температуры окружающей среды τ_0,с.

Каждый двигатель может работать в любом из перечисленных режимов. Однако для получения наилучших экономических показателей электротехническая промышленность изготовляет двигатели, специально предназначенные для: а) продолжительного режима; б) повторно-кратковременного режима; в) кратковременного режима.

Рис. 12.2 Нагрузочные графики и изменение температуры двигателя при длительном ( а ), повторно-кратковременном ( б ) и кратковременном ( в ) режимах работы

Для двигателей продолжительного режима в каталогах задается номинальная мощность без каких-либо оговорок о времени работы. Для двигателей повторно-кратковременного режима в каталогах указываются номинальные значения мощности соответственно для ПВ - 15, 25, 40 и 60%. При этом время цикла не должно превышать 10 мин. В противном случае режим работы считается продолжительным. Для двигателей кратковременного режима в каталогах задаются несколько времен работы и соответствующие им номинальные мощности.

В основе выбора мощности двигателя любого режима работы лежит метод средних потерь. Он основан на сравнении средних потерь мощности Δ Р _ср двигателя за цикл работы с потерями при номинальной нагрузке Δ Р _ном.

Средние потери определяются из выражения

	n		l
E =	∑	Δ Р_lt_l +	∑	Δ A_l.

Δ Р _ср =

Δ A _ц

T _ц

где Δ A _ц — потери энергии в двигателе за цикл; T _ц— время цикла; Δ Р_lt_l — потери энергии в двигателе за время t_l в течение которого двигатель работает с неизменной нагрузкой Р_l; Δ A_l — потери энергии при пуске и торможении.

Если средние потери за цикл работы не превышают потерь при номинальной нагрузке, то средняя температура двигателя не будет превышать допустимую и, следовательно, двигатель выбран правильно.

Таким образом, условия выбора двигателя

Δ Р _ср ≤ Δ Р _ном.

Однако использование метода средних потерь в некоторых случаях затруднено из-за отсутствия необходимых сведений о двигателе в каталогах.

Рис.12.3. Нагрузочные диаграммы I ( t ) ( a ), M ( t ) ( б )

В практике широко применяется другой, более простой метод эквивалентных величин (тока, момента или мощности). Meтод эквивалентного тока основан на том, что действительный ток двигателя при разных нагрузках заменяется эквивалентным током неизменного значения I _эк, создающим за рабочий цикл те же потери в двигателе, что и действительный ток.

Потери мощности в двигателе складываются из постоянных (не зависящих от нагрузки) Δ Р _к и переменных Δ Р _с потерь:

Δ Р = Δ Р _к + Δ Р _с = Δ Р _к + I ² r. (12.7)

К постоянным относятся потери в магнитопроводе и механические потери, к переменным — потери в обмотках.

В двигателе постоянного тока с параллельным возбуждением к переменным потерям относятся потери в цепи якоря, остальные потери, в том числе и потери в обмотке возбуждения, являются постоянными. В асинхронном двигателе переменными потерями следует считать потери в обмотках ротора и статора.

Потери мощности в двигателе за цикл работы равны сумме потерь на каждом из участков (рис. 12.3, а):

(Δ Р _к + I ₁² r) t ₁ + (Δ Р _к + I ₂² r) t ₂ +... = (Δ Р _к + I _э² r) T _ц.

Так как

Δ Р _к(t ₁ + t ₂ + t ₃ +...) = Δ Р _к T _ц,

то

I ₁² rt ₁ + I ₂² rt ₂ + I ₃² rt ₃ +... = I _эк² rT _ц,

Откуда

I _эк =	√	I ₁² t ₁ + I ₂² t ₂ + I ₃² t ₃ +...	,
T _ц

(12.8)

При правильном выборе двигателя должно соблюдаться условие

I _ном ≥ I _эк. (12.9)

Метод эквивалентного тока пригоден для любого двигателя, однако его использование связано с необходимостью построения графика зависимости тока от времени за рабочий цикл механизма.

Учитывая, что для двигателей постоянного тока с параллельным возбуждением М = k_M Ф I _я = СI _я, а для двигателей переменного тока М = С Ф I ₂ cos ψ₂ ≈ C ₁ I ₂, в зоне рабочей части характеристики (в области от s = 0 до s ≈ s _кp) можно перейти от эквивалентного тока к эквивалентному моменту, если в (12.8) ток выразить через момент:

M _эк =	√	M ₁² t ₁ + M ₂² t ₂ + M ₃² t ₃ +...	,
T _ц

(12.10)

Тогда условием выбора будет

M _ном ≥ M _эк. (12.11)

Для приводов, скорость двигателей которых не регулируется и мало зависит от нагрузки (двигатели постоянного тока с параллельным возбуждением, асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором и синхронные двигатели трехфазного тока), мощность

Р = ω М ≈ СМ

примерно пропорциональна моменту.

Выразив в (12.10) М через Р, получим расчетную формулу для эквивалентной мощности:

Р _эк =	√	P ₁² t ₁ + P ₂² t ₂ + P ₃² t ₃ +...	,
T _ц

(12.12)

Номинальная мощность выбранного двигателя должна удовлетворять условию

P _ном ≥ P _эк. (12.13)

При определении мощности двигателя необходимо учитывать потери энергии в двигателе при пуске и торможении, особенно когда цикл работы непродолжительный и число включений двигателя в час достигает нескольких десятков. В этом случае надо пользоваться методом средних потерь, так как расчетные уравнения эквивалентных величин не учитывают потери энергии при пуске и торможении. В ряде случаев момент нагрузки на отдельных участках может оказаться больше максимально допустимого момента двигателя. Асинхронный двигатель может при этом остановиться, а на коллекторе двигателя постоянного тока может возникнуть недопустимое искрение. Поэтому после выбора двигателя любым из описанных выше методов его необходимо проверить по перегрузочной способности, исходя из условия

М_max _c ≤ М_max _д, (12.14)

где М_max _c — максимальный момент на валу двигателя, М_max _д — максимально допустимый момент двигателя.

Для асинхронного двигателя М_max _д = 0,9 М_max, для двигателя постоянного тока с параллельным возбуждением М_max _д= (2 ÷ 2,5) М _ном.

Выбор двигателя не ограничивается определением его номинальной мощности. Из многообразных конструктивных форм исполнения двигателей, обусловленных способом установки и условиями окружающей среды, необходимо выбрать подходящую для данного конкретного случая. Для одних механизмов применяются двигатели с горизонтальным, для других — с вертикальным расположением вала. Для лучшей компоновки кроме двигателей с лапами выпускаются двигатели, имеющие фланцы на корпусе, посредством которых двигатели крепятся непосредственно к производственному механизму, например металлорежущему станку. Существуют встраиваемые двигатели, корпуса которых представляют единое целое с корпусом или станиной производственного механизма.

Рис. 12.4. Асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором типа 4А160М4УЗ мощностью 18,5 кВт, 1500 об/мин ( а ) и типа 4А315М4УЗ мощностью 200 кВт, 1500 об/мин ( б )

Атмосфера, в которой работает двигатель, может содержать влагу, пыль, различные газы, пары кислот и даже взрывоопасные смеси. Эти компоненты атмосферы воздействуют на изоляцию обмотки, ухудшают ее механические и изоляционные свойства, что в конечном итоге может привести к выходу из строя двигателя. Поэтому конструкция двигателя предусматривает ту или иную защиту изоляции от воздействия атмосферных примесей.

В связи с этим выпускаются двигатели открытого, защищенного, закрытого и взрывобезопасного исполнений.

Открытые двигатели не имеют каких-либо средств защиты и применяются только в сухих помещениях без пыли, грязи и других примесей. Защищенные двигатели разделяются на три категории:

1) защищенные от случайного соприкосновения с токоведущими частями и попадания посторонних предметов внутрь двигателя (имеют сетки, закрывающие отверстия в корпусе двигателя),

2) защищенные от попадания капель (снабжены кроме сеток специальными козырьками),

3) защищенные от дождя и брызг (обычно применяются на открытом воздухе)

Закрытые двигатели используются в помещениях сырых или с едкими газами, большим содержанием пыли. Они бывают невентилируемыми, с принудительной вентиляцией и герметически закрытыми

Рис. 12.5. Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором типа 4АН180М4УЗ мощностью 37 кВт, 1500 об/мин

Корпуса взрывобезопасных двигателей очень прочны; они выдерживают взрыв газов внутри двигателя и устроены так, что пламя взрыва не выходит в окружающую атмосферу.

На рис. 12.4, а, б и 12.5 изображены асинхронные двигатели с короткозамкнутыми обмотками ротора типа 4А160М4УЗ, 18,5 кВт, 1500 об/мин (рис. 12.4, а); типа 4А315М4УЗ, 200 кВт, 1500 об/мин (рис. 12.4, б), типа 4АН180М4УЗ, 37 кВт, 1500 об/мин (рис. 12.5).

Пример 12.3. Определить мощность и выбрать двигатель по каталогу для привода производственного механизма. График момента статической нагрузки, приведенный к валу двигателя с учетом потерь в передаче, изображен на рис. 12.3, б. По технологическим условиям следует использовать асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором. Частота вращения n = 1450 об/мин. Помещение, где будет работать двигатель, — сухое, без пыли и грязи. Предполагается установка двигателя на лапах на фундаменте.

Решение. Эквивалентный момент

M э =	√	120² • 1+ 60² • 2 + 80² • 2 + 170² • 2	= 110 Н • м.
1+2+2+2

Эквивалентная мощность

Р _эк =	M _{э n}	=	110 • 1450	= 16,7 кВт.

По условиям работы и способу установки выбираем по каталогу двигатель ближайшей большей мощности. Каталожные данные выбранного двигателя: 17 кВт, 380/220 В, η_ном = 0,895, cos φ_ном = 0,88, I _п = 7 I _ном, М _п/ М _ном = 1,2, М_max/М _ном = λ = 2, n _ном = 1430 об/мин.