14.3. Основные режимы работы электропривода. Выбор электродвигателей

Для электроприводов существуют 8 режимов работы (S 1 S 8), из которых основными являются три режима:

– длительный режим с постоянной и переменной нагрузками (S 1);

– кратковременный режим (S 2);

– повторно-кратковременный режим (S 3).

Правильный выбор электродвигателя существенно зависит oт режима работы электропривода. Кроме того, надо учитывать, что при росте нагрузки температура двигателя и его изоляции возрастает и может достигнуть опасных значений, превышающих допустимые, а это приведет к перегреву двигателя и даже к его разрушению.

Нагрев и охлаждение двигателей также зависит от различных режимов работы электропривода.

Чтобы определить номинальную мощность электродвигателя, по которой он выбирается из каталога, надо знать нагрузочную диаграмму для различных режимов, учитывать то, что двигатель должен удовлетворять условиям допустимого нагрева, обладать максимальным моментом, достаточным для преодоления кратковременных перегрузок, а при пуске двигатель должен иметь избыточный пусковой момент для обеспечения его разгона.

Длительный режим с постоянной нагрузкой (S 1) – такой режим, при котором электродвигатель работает достаточно длительное время t, причем нагрузка его Р не меняется. При этом температура нагрева электродвигателя  (С) достигает установившегося значения _уст. Нагрузочная диаграмма этого режима показана на рис. 100.

При этом режиме выбор двигателя сводится к следующему.

1. Предварительно выбираются род тока, питающего двигатель, напряжение сети, частота вращения и конструктивное исполнение двигателя.

2. Подсчитывается мощность Р_с исполнительного механизма, приведенная к валу электродвигателя с учетом коэффициента полезного действия 

P_с = .

3. По полученной мощности Р_с в каталогах выбирают двигатель с номинальной мощностью Р_н  P_с.

Специальной тепловой проверки в этом случае не требуется, так как нагрузка постоянная.

Длительный режим с переменной нагрузкой (S 1). При этом режиме электродвигатели, так же как и в предыдущем случае, должны работать длительное время, но с переменной во времени нагрузкой. Нагрузочная диаграмма такого режима показана на рис. 101.

При этом режиме работают компрессоры, токарные, сверлильные, фрезерные станки. На щитке электродвигателей, работающих в этом режиме, обычно указывается символ «S 1». Определение номинальной мощности двигателя при этом режиме производят по методу средних потерь, но чаще всего по методу эквивалентных величин.

Нагрузочная диаграмма может быть задана не только зависимостью P = f (t) но и зависимостью момента от времени M = f (t). В этом случае подсчитывается эквивалентный момент по формуле

где M₁, M₂...M_n – значения моментов, взятые из нагрузочной диаграммы, а t₁, t₂,…..t_n – соответствующее этим моментам время.

Подобной формулой можно пользоваться при подсчете эквивалентной мощности

,

где P₁,…..P_n и t₁…..t_n – значения мощности и времени, взятые из cooтветствующей нагрузочной диаграммы.

По каталогу выбирается двигатель со значением номинальной мощности P_ном > P _экв.

В случае подсчета эквивалентного момента, выраженного в Н  м, по его значению определяется расчетная мощность, кВт:

,

где n – частота вращения (об/мин), взятая из технического задания, 9550 – постоянный переводной коэффициент.

Далее по каталогу надо выбрать двигатель так, чтобы P_ном  P_р, выписать из каталога его номинальные данные: P_ном; n_ном; коэффициенты перегрузки по пусковому и по максимальному току ; ; коэффициент полезного действия  и др.

Кроме того, желательно, чтобы частота вращения n, взятая из технического задания, соответствовала бы по значению номинальной частоте вращения двигателя (n_ном). Если по тем или иным причинам невозможно выбрать n = n_ном, то приходится ставить редуктор, передаточное отношение которого (i), выбирается в соответствующей таблице.

Далее подсчитывается номинальный момент двигателя

.

Выбранный для этого режима двигатель обязательно подлежит проверке на перегрузочную способность. Для этого по заданной нагрузочной диаграмме определяют максимальный момент (M_max на рис. 101) и определяют отношение этого момента к номинальному.

Полученный коэффициент перегрузки К_max должен быть меньше К_max номинального, определенного по каталогу для выбранного двигателя (К_max  К_{max ном}).

Если это условие соблюдается, можно считать, что двигатель выбран правильно, если нет – приходится выбрать другой, близкий по значению двигатель, и снова делать проверку на его перегрузочную способность.

Если же на нагрузочной диаграмме максимальный момент является пусковым, то проверку выбранного двигателя надо делать по коэффициенту перегрузки (К_п  К_{п ном}).

Кратковременный режим (S 2) – такой режим, при котором двигатель pаботает ограниченное время с достаточно большими паузами.

При этом за время работы двигатель не успевает нагреться до установившейся температуры, а во время паузы успевает полностью охладиться.

В режиме кратковременной нагрузки работают вспомогательные приводы станков, разводных мостов, шлюзов, задвижек турбо- и газопроводов и пр. Крупными сериями эти двигатели не выпускаются. На щитках таких электродвигателей указывается время работы: 15, 30, 60, 90 мин , но чаще всего символ «S 2».

Нагрузочная диаграмма этого режима (I – нагрев; II – охлаждение) показана на рис. 102.

Для этого режима мощность электродвигателя определяют по методу эквивалентных величин с последующим выбором двигателя в специальном для этого режима каталоге. Иногда можно использовать двигатели длительного режима, которые в течение краткого времени можно перегружать, но так, чтобы температура нагрева не превышала допустимой.

Повторно кратковременный режим (S 3) – это такой режим, при котором время работы двигателя соизмеримо с временем паузы (рис. 103).

При этом в период работы двигатель не успевает нагреться до установившейся температуры, а во время паузы не успевает охладиться до температуры окружающей среды.

Перегрев двигателя изменяется по пилообразной кривой, состоящей из отрезков нагревания и охлаждения. Продолжительность цикла (t_цикла = t_работы + t_паузы) по ГОСТу не должна превышать 10 мин. При многократном повторении цикла перегрев колеблется около некоторого среднего значения температуры – _ср.

В этом режиме работают электроприводы подъемных кранов, а также большинство металлорежущих станков. На щитке двигателей для этого режима указывается символ «S 3» и относительная продолжительность включений, выраженная в процентах – ПВ %

,

где t_р – продолжительность работы, t_п – продолжительность паузы.

Значения ПВ % стандартизированно: 15; 25; 40; 60 %.

Существуют специальные каталоги для двигателей, используемых в этом режиме, где указываются и стандартные ПВ % .

Расчет и выбор электродвигателя производится следующим образом:

1. По методу эквивалентных величин определяют P_экв или M_экв;

2. Определяют действительное значение ПВ %.

Если значение ПВ % близко к стандартному, то выбирают двигатель исходя из условия P_н  P_экв .

Если же значение ПВ % значительно отличается от стандартного, то надо пересчитать мощность выбираемого двигателя для ближайшего стандартного ПВ %

; .

3. По каталогу выбирают двигатель с номинальной мощностью при стандартном ПВ % так, чтобы P_н  P_расч.

4. Выбранный двигатель проверяют на перегрузочную способность так же, как это делается для длительного режима.

В задачу электропривода при выборе электродвигателей входит вопрос регулирования частоты вращения производственных механизмов.

В разд. 11.7 и 13.5 говорилось о способах регулирования частоты вращения асинхронных двигателей и двигателей постоянного тока.

Однако, в настоящее время благодаря внедрению силовых полупроводниковых преобразователей появилась возможность преобразовывать частоту переменного тока, что позволяет плавно и в широких пределах регулировать угловую скорость вращающегося магнитного поля, а следовательно, экономично и плавно регулировать частоту вращения асинхронных и синхронных двигателей.

Двигатели постоянного тока стоят значительно дороже, требуют большего ухода и изнашиваются быстрее, чем двигатели переменного тока. Тем не менее, в ряде случаев предпочтение отдается двигателю постоянного тока, позволяющему простыми средствами изменять частоту вращения электропривода в широких пределах (3:1, 4:1 и более).