Тепловой режим и выбор электрических двигателей

8.1. Общие положения по выбору электродвигателей

Выбор электродвигателей, работающих в системах электропривода, выполняется по следующим параметрам и показателям: роду тока, номинальному напряжению, номинальной мощности, номинальной скорости, виду естественной механической характеристики, пусковым и тормозным качествам, особенностям регулирования скорости в двигательном и тормозных режимах работы, конструктивному исполнения двигателя, технико-экономическим показателям.

Для электропривода производственного механизма следует выбирать наиболее простой двигатель по устройству и управлению, надежный в эксплуатации, имеющий наименьшую массу, габариты и стоимость, удовлетворяющим требованиям технологического процесса и условиям окружающей среды.

Наиболее простым в отношении устройства и управления, надежными в эксплуатации, имеющими наименьшие массы, габариты и стоимость при определенной мощности, являются асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором. Питание их осуществляется непосредственно от сети трехфазного переменного тока, в то время как для двигателей постоянного тока требуются сложные и дорогие устройства преобразования переменного тока в постоянный. Эти качества позволяют использовать асинхронные двигатели не только в сельском хозяйстве, но и в других отраслях народного хозяйства. Недостатки: малая кратность пускового момента и перегрузочная способность, затруднено регулирование скорости вращения простыми и относительно дешевыми устройствами.

В установках, требующих регулирования скорости в относительно небольших пределах, необходимы частый плавный пуск, хорошие тормозные качества, ограничение токов в переходных режимах, увеличение пускового момента, используют двигатель с фазным ротором. Недостаток – при обычной схеме включения не возможно получить жёсткие механические характеристики при пониженных скоростях вращения.

Для механизмов средней и большой мощности, не требующих регулирования скорости, перспективным является использование синхронных двигателей. Они характеризуются такими положительными качествами, как жёсткая механическая характеристика, высокая перегрузочная способность, высокие энергетические показатели, возможность компенсации реактивной энергии. Недостаток – сложной по устройству автоматическое управление пуском и работой двигателя.

Для механизмов, предъявляющих высокие требования в отношении регулирования скорости, качеству переходных режимов, а также при напряжённых режимах с частыми пусками и остановками электропривода, применяются двигатели постоянного тока.

В сельском хозяйстве в основном распространены электродвигатели переменного тока. Постоянный ток используется реже и его получают от выпрямительных установок различного рода. Асинхронные двигатели малой и средней мощности выпускаются на номинальное напряжение 220/380, 380/660 В, асинхронные и синхронные средней и большой мощности на напряжение 3000, 6000 и 10000 В, двигатели постоянного тока на напряжение 110, 220, 440 В, а при значительной мощности на напряжение 600…900 В.

При выборе двигателя по мощности следует исходить из необходимости его полного использования в процессе работы. В случае завышения номинальной мощности двигателя снижаются его технико-экономические показатели (КПД и ). Когда нагрузка на валу двигателя превышает номинальную, то это, естественно, приводит к росту тока в обмотках и потерь мощности выше номинальных, вследствие чего температура двигателя может превысить допустимую величину. Рост температуры выше определённых значений приводит к снижению электрической прочности электроизоляционных материалов вследствие изменения их физико-химических свойств. Это связано с опасностью пробоя изоляции и выходом двигателя из строя. В связи с этим одним из критериев выбора двигателя по мощности является температура нагрева его обмоток.

Задача выбора двигателя по мощности осложняется и тем, когда нагрузка на его валу в процессе работы не остаётся постоянной, а изменяется во времени, что ведёт к изменению потерь мощности и температуры двигателя. Если в этих условиях выбрать двигатель по максимальной мощности статической нагрузки, то в периоды снижения нагрузки он будет недоиспользован по мощности и наоборот. Такой выбор двигателя приводит к необоснованному завышению капитальных затрат и эксплуатационных расходов.

Для обоснованного решения указанной задачи необходимо прежде всего знать, как изменяется нагрузка на валу двигателя во времени, характеризуемая нагрузочной диаграммой. Под нагрузочной диаграммой понимается изменение момента, развиваемым двигателем М, мощности Р и тока главной цепи I во времени. Это позволяет судить о характере изменения потерь мощности и характеризовать процесс нагрева. Такой подход позволяет выбрать двигатель таким образом, что его максимальная температура изоляции обмоток не превышала допустимую величину данного класса изоляции. Это условие является одним из основных для обеспечения надёжной работы электропривода в течение всего срока его эксплуатации.

Выбор номинальной скорости двигателя при уже имеющейся передаче выполняется по заданной скорости исполнительного органа и передаточному числу. Для вновь проектируемого электропривода выбор номинальной скорости и передаточного числа определяется путём технико-экономического сравнения нескольких вариантов. При выборе двигателя по скорости вращения следует исходить из того, что наиболее высокие технико-экономические показатели (КПД и ) имеют асинхронные двигатели с синхронной частотой вращения =1500 об/мин. При одинаковой мощности электродвигатели с более высокой скоростью вращения имеют более высокие значения КПД и , а также меньшие размеры и массу, а следовательно меньшую стоимость. Ряд синхронных частот вращения при частоте сети 50 Гц имеет следующие значения: 3000, 1500, 1000, 750, 600, 500, 375 об/мин. Применение двигателей с =500 об/мин и ниже нежелательно, так как значительно возрастают габариты двигателя и снижаются КПД и . Вместо них применяют мотор-редукторы, имеющие двигатели с =1000 об/мин и два или более выходных вала на разные скорости вращения.

Конструкция выбираемого двигателя должна соответствовать условиям его компоновки с исполнительным органом. Выпускаемые двигатели имеют разнообразное конструктивное исполнение по расположению валов (горизонтальное, вертикальное) и способам крепления на рабочей машине (лапы, фланцевое, встраиваемое).

От правильного выбора двигателя для работы в определённых условиях окружающей среды зависят его долговечность, надёжность и безопасность обслуживания. Имеются следующие типы конструктивных исполнений двигателей по условиям защиты от воздействия окружающей внешней среды:

– открытого исполнения – токоведущие части открыты и доступны для прикосновения;

– в двигателе защищённого исполнения станина и подшипниковые щиты корпуса закрывают все вращающиеся и токоведущие части, предотвращая случайные прикосновения к ним и попадание внутрь посторонних предметов и капель под углом 45°. Двусторонняя вентиляция осуществляется через вентиляционные окна к внутренним частям и прогоняется вентиляционными крыльями ротора вдоль обмоток;

– в двигателе закрыто обдуваемого исполнения внутренние части отделены от внешней среды оболочкой, предохраняющей их от проникновения внутрь мелких предметов и брызг воды любого направления. На конце вала двигателя, вне его корпуса, со стороны, противоположной приводу, помещён защищённый крышкой вентилятор, обдувающий ребристый корпус двигателя;

– у продуваемого или посторонним охлаждением двигателя, жидкость, воздух или водород как подводится, так и отводится по трубопроводам вентилятором или насосом, насаженным на вал двигателя;

– взрывозащищённые двигатели должны противостоять взрывам газа внутри машины и не передавать пламя воспламеняющемуся газу вне её, и наоборот;

Общие указания, касающиеся выбора двигателя по способу защиты от воздействия окружающей среды и места его установки: сухое помещение без пыли, грязи и едких паров – закрытый или защищённый; пыльное или влажное помещение – закрытый; помещение с высокой температурой – закрытый с независимой вентиляцией; помещение с высокой влажностью или содержащее едкие газы – закрытый или герметичный; взрывоопасное помещение – взрывозащищённый; открытое пространство – закрытый или защищённый.

Выбор электродвигателя в математическом отношении представляет собой задачу синтеза, в результате решения которой должен быть найден такой двигатель, который обеспечивает заданный технологический цикл рабочей машины, соответствует условиям окружающей среды и компоновке с рабочей машиной, имея при этом нормативный нагрев и экономически оказывается выгодным в системе «электродвигатель – производственный механизм».

8.2. Общие сведения и классификация по теплостойкости изоляционных материалов

Мощность, которую способен развить электродвигатель без вредных последствий для себя, определяется максимальным вращающим моментом и степенью нагрева. Этому должны соответствовать механическая прочность деталей двигателя и теплостойкость его изоляционных материалов.

Решающую роль, как было уже установлено, в определении мощности электродвигателя играет нагрев его обмоток. Нагрев обусловлен потерями (тепловые в обмотках, вихревые токи, трение), которые учитываются КПД двигателя, то есть

(8.1)

или для номинального режима

(8.2)

где – мощность, потребляемая двигателем из сети;

– полезная мощность на валу электродвигателя, текущая и номинальная.

Секундные потери тепла

(8.3)

где k – коэффициент пропорциональности, в системе СИ k=1.

Предельно допустимая температура нагрева ограничивается качеством материала изоляции. Поэтому данной мощности двигателя должна соответствовать, при прочих равных условиях, вполне определённая теплоотдача, а, следовательно, и габариты двигателя. Чем больше мощность, тем больше выделяется тепла и больше габаритные размеры двигателя.

Все изоляционные материалы, применяемые в электрических машинах, а в целом и в электроустановках, в отношении допустимых для них температур (теплостойкости), могут быть разделены на семь классов (табл. 8.1).

Таблица 8.1. Предельно допустимые температуры данного класса изоляции

Классы изоляции	Y	A	E	B	F	H	C
Предельно допустимые температуры ,							>180

В качестве изоляционных материалов класса Y используют хлопчатобумажные ткани, пряжу, бумагу, целлюлозу, и им подобные органические материалы, не пропитанные и не погруженные в жидкий диэлектрик.

К изоляционным материалам класса А относят те же материалы, что и класса Y, но пропитанные или погружённые в жидкий диэлектрик, материалы с целлюлозным наполнителем, лаки и эмали, непосредственно наносимые на голые проводники.

К классу изоляции Е относят синтетические эмали на основе полиэфирных, эпоксидных и подобных им смол, синтетические органические плёнки и другие синтетические материалы.

Изоляция класса В включает слюду, асбест, стеклянное волокно и другие неорганические материалы со связывающими составами органического происхождения.

Класс изоляции F включает те же, что и для класса В, но в сочетании с синтетическими связующими и пропитывающими составами, модифицированными кремнийорганическими соединениями.

Изоляцию класса Н изготавливают из неорганических изоляционных материалов класса В со связующими и пропитывающими веществами в виде кремнийорганических (силиконовых) лаков повышенной теплостойкости.

Класс изоляции С включает слюду, стекло, кварц, керамические материалы с неорганическими связующими составами или без них. Нагревостойкость этих материалов не используется полностью в современном электромашиностроении, поэтому предельная температура нагрева данного класса не установлена.

Основными классами изоляции, применяемыми в настоящее время при изготовлении электродвигателей, являются В, F и Н.

Для двигателей нормируется не допустимая температура нагрева обмотки и других частей, а допустимое превышение температуры обмотки над температурой окружающей среды , то есть . В качестве стандартной температуры окружающей среды принята температура .

8.3. Закон, кривые нагрева и охлаждения электродвигателей

Исследование тепловых процессов в двигателях производится со следующими допущениями:

– двигатель рассматривается как однородное тело, обладающее бесконечно большой теплопроводностью, с одинаковой температурой во всех точках выделения тепла и точках соприкосновения с окружающей средой;

– теплоотдача во внешнюю среду пропорционально первой степени разности температур двигателя и окружающей среды;

– мощность тепловых потерь, теплоотдача и теплоёмкость двигателя не зависят от температуры двигателя;

– температура окружающей среды постоянна.

Потери мощности двигателя в виде тепла Q в единицу времени за элементарный промежуток времени dt идут на отдачу тепла в окружающую среду и на нагрев самого двигателя . Тогда уравнение теплового баланса двигателя при неизменной нагрузке имеет вид

Qdt = + , (8.4)

где А – теплоотдача двигателя – количество тепла, отдаваемого двигателем в окружающую среду в единицу времени при разности температур в 1°C, Дж/с·°C;

С – теплоёмкость двигателя – количество тепла, необходимого для повышения температуры двигателя на 1° С, Дж/с·° С;

t = q _дв – q – превышение температуры двигателя q _дв над температурой окружающей среды q, ° С;

– бесконечно малое приращение температуры двигателя за время dt, °С.

Решение данного дифференциального уравнения относительно даёт

(8.5)

где – первоначальное превышение температуры двигателя над температурой окружающей среды.

Установившегося состояния температура двигателя достигает тогда, когда t = при этом

, (8.6)

Отношение называется постоянной времени нагрева и имеет размерность времени. Физический смысл постоянной времени нагрева видно из выражения

или (8.7)

Отсюда физический смысл постоянной времени нагрева состоит в том, что она равна времени нагрева двигателя до установившегося значения при отсутствии отдачи тепла двигателем в окружающую среду.

Тогда уравнение нагрева (8.4) примет вид

; , при (8.8)

или в виде графиков (рис.8.1). Из уравнения видно, что температура двигателя изменяется по закону экспоненты, то есть имеет место переходный процесс.

Для периода охлаждения приток тепла Q = 0, уравнение теплового баланса имеет вид

+ =0 (8.9)

Решив дифференциальное уравнение (8.9), получим уравнение кривой охлаждения (рис. 8.1)

(8.10)

Рис. 8.1. Кривые нагрева и охлаждения электродвигателя

При равенстве постоянных величин нагрева и охлаждения , кривая охлаждения представляет собой зеркальное отражение кривой нагрева. Это возможно только для двигателей с независимой вентиляцией . Для самовентилируемых двигателей открытого исполнения малой и средней мощности составляет около 1 часа, у двигателя закрытого типа большой мощности – 3…4 часа. Имеется пять способов определения постоянных времени нагрева и охлаждения . Температура двигателя считается установившейся, если её повышение за 1 час не превосходит 1°С.

8.4. Влияние температуры окружающей среды на мощность электродвигателя

На практике необходимо знать, насколько может быть увеличена или уменьшена паспортная мощность двигателя при той или иной температуре окружающей среды, отличающейся от стандартной 40°С. Выведем формулу пересчёта мощности. Так как превышение температуры пропорционально потерям, то при работе двигателя с номинальной нагрузкой, номинальное превышение температуры при

(8.11)

где – коэффициент пропорциональности.

Из выражения (8.11)

(8.12)

При температуре окружающей среды, отличной от стандартной на величину , переменные потери пропорциональны квадрату тока. Тогда выражение для потерь при любой нагрузке имеет вид

(8.13)

где – отношение тока при нагрузке , отличающейся от номинальной, к номинальному току двигателя .

Величина x может быть определена из условия, что при изменении нагрузки на валу в небольших пределах рабочего участка механической характеристики между потребляемым двигателем и мощностью и номинальной P _н имеется прямая зависимость

Откуда (8.14)

Тогда с учетом вышеизложенного, соотношение между допустимым превышением температурой и соответствующему ему потерями при

(8.15)

Обозначим отношение постоянных потерь к переменным при номинальной через коэффициент потерь .

Выражение (8.14) с учетом выражения (8.11) принимает вид

Откуда (8.16)

Искомая мощность двигателя с учетом (8.14)

(8.17)

При ориентировочных подсчетах может быть для двигателей принято: шунтовые – 1,0; серийные – 0,5; асинхронные – 0,5…0,7; синхронные – 1,5…2,0.

Если двигатель предназначен для длительной работы при температуре окружающей среды выше стандартной 40°С, то его приходится загружать мощностью ниже номинальной, чтобы использовать в тепловом отношении и сохранении номинальных технико-экономических показателей (КПД и ). При более низкой температуре окружающей среды двигатель может быть нагружен выше номинальной мощности. Это необходимо учитывать при выборе и заказе двигателя.

Пример. Необходимо определить мощность на которую необходимо загрузить асинхронный двигатель номинальной мощностью =10кВт при температуре окружающей среды = –20°С, имеющей класс изоляции и коэффициентпотерь =0,5.

Применяя выражение (8.17), имеем

кВт.