3. Выбор электродвигателей

3.1. Основные сведения об электроприводе и режимах работы электродвигателей

Для приведения в движение производственных машин и механизмов используют электропривод, состоящий из электродвигателя, передаточного устройства и систем преобразования, управления и автоматизации. В неко­торых случаях передаточные устройства и преобразова­тели (тока, частоты и другие) могут отсутствовать.

Характер движения электропривода описывает урав­нение моментов:

М = Мс + Мд,

где М — вращающий момент двигателя, Мс — стати­ческий момент сопротивления механизма, Мд = Jdw/dt- — динамический момент, J — момент инерции вращаю­щихся масс, dw/dt — угловое ускорение.

В установившемся режиме: М = Мс. (3.1)

Установившееся значение угловой скорости w или частоты вращения n у двигателей (кроме синхронных) зависит от момента сопротивления механизма (нагруз­ки). Механические характеристики w (М) или n (M) электродвигателей приведены на рис. 3.1: 1 — синхрон­ного, 2 — асинхронного, 3 и 4 — постоянного тока параллельного и последовательного возбуждения соот­ветственно.

Механизмы создают моменты сопротивления, которые в свою очередь зависят от w или n. Характеристики w(Мс) или n(Мс) наиболее распространенных механиз­мов представлены на рис. 3.2: 1 — грузоподъемных и транспортных механизмов, поршневых насосов, стро­гальных станков (Мс = const); 2 — некоторых металло­режущих станков и моталок прокатных станов (Мс • w = const); 3 — вентиляторов, центробежных насосов, компрессоров и центрифуг.

Определение угловой скорости или частоты вращения и момента М в установившемся режиме производится графическим путем, как показано на рис. 3.3. Точка пересечения характеристики рабочего механизма (кри­вая 1) с характеристикой электродвигателя (кривая 2) со­ответствует значениям w (или n) и М.

При работе двигателя в нем происходит постоянное выделение теплоты, что приводит к его нагреву. Пре­вышение температуры двигателя над температурой ок­ружающей среды описывается уравнением:

Т = Q/А*(1- е^1/т) + Q₀е^-t/Т, (3.2)

где Q — количество теплоты, выделяемой в единицу времени, А — теплоотдача окружающей среды в единицу времени, Т = = С/А — постоянная времени, С — теплоемкость двигателя, Q₀ — превышение температуры

двигателя над температурой окружающей среды в мо­мент включения двигателя при t = 0.

В установившемся тепловом режиме, когда количе­ство теплоты, выделяемой в двигателе, и теплоты, рассеиваемой в окружающую среду, становятся одина­ковыми (теоретически при t = ∞, а практически при t = 4Т), превышение температуры достигает максималь­ного значения Т_∞ = Q/A. С учетом последнего

Т = Т_∞ - (Т_∞ -Т₀) е^-t/т. (3.3)

Установившееся значение превышения температуры двигателя зависит от мощности Р₂ на его валу. На рис 3.4 приведены кривые нагревания электродвигателя при различных значениях мощности Р₂.

При отключении электродвигателя Q = 0 и с учетом (3.2) Т = Т_отк * е^-1/т, где Т_отк — превышение температуры в момент отключения, т. е. превышение температуры двигателя уменьшается по экспоненциальному закону (рис. 3.5).

В соответствии с характером работы производствен­ных механизмов в условиях эксплуатации различают следующие основные режимы работы двигателя: продол­жительный, кратковременный и повторно-кратковремен­ный.

Продолжительный режим — режим, в котором электродвигатель может работать длительное время, при этом установившееся значение превышения температуры двигателя Т_∞ над температурой окружающей среды не превышает установленного значения. Такой режим ра­боты характерен для двигателей вентиляторов, насосов, компрессоров, транспортеров, мощных металлорежущих станков и др. График продолжительного режима работы приведен на рис. 3.6 при а) постоянной и б) изменяю щейся нагрузках.

Кратковременный режим — режим, при котором пре­вышение температуры электрического двигателя дости­гает предельно допустимого значения для данного класса изоляции, но не достигает установившегося значения. В этом режиме двигатель работает в течение сравнитель­но небольшого периода времени, а перерыв в работе велик, и двигатель успевает охладиться до температуры окружающей среды. В кратковременном режиме работа­ют двигатели затворов шлюзов, подъемных механизмов разводных мостов и т. д. На рис. 3.7 показаны графики нагрузки при кратковременном режиме.

Повторно-кратковременный режим — режим, при котором периоды работы электродвигателя под нагруз­кой чередуются с паузами, когда двигатель отключается. При этом периоды работы и паузы не настолько длитель­ны, чтобы температура достигла установившегося значе­ния. Такой режим характерен для двигателей подъемно-транспортных механизмов, прессов, штампо­вочных машин и некоторых металлообрабатывающих станков. Время цикла этого режима t_ц = t_р + tо, где tp — время работы двигателя, a tо — время паузы. Время цикла обычно не превышает десяти минут.

Повторно-кратковременный режим характеризуется продолжительностью включения.

ПВ = t_р/ t_ц * 100% = t_р / ( t_р + t_о ) * 100%. (3.4)

Для электродвигателей стандартные значения ПВ = = 15, 25, 40 и 60%. Пример графика нагрузки при повтор­но-кратковременном режиме приведен на рис. 3.8.