книги из ГПНТБ / Основы автоматизированного электропривода учеб. пособие

Г л а в а о д и н н а д ц а т а я

ВЫБОР ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ДВИГАТЕЛЕЙ

1-1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Выбор электрических двигателей, работающих в сис­ темах автоматизированного электропривода, произво­ дится по следующим параметрам и показателям: роду тока и номинальному напряжению, номинальным мощности

искорости, виду естественной механической характерис­ тики, пусковым и тормозным качествам, особенностям регулирования скорости в двигательном и тормозных режимах работы, конструктивному исполнению двигателя

ит. д.

Для электропривода производственного механизма сле­ дует выбирать наиболее простой двигатель Уо устройству и управлению, надежный в эксплуатации, имеющий наименьшие массу, габариты и стоимость. Вместе с тем двигатель должен полностью удовлетворять требованиям

500

технологического процесса и соответствовать условиям окружающей среды, в которой он будет находиться во время эксплуатации.

Наиболее простыми в отношении устройства и управ­ ления, надежными в эксплуатации, имеющими наименьшие массу, габариты и стоимость при определенной мощности, являются асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором. Их масса на единицу мощпости в 1,5—2,0 раза ниже, чем у машин постоянного тока.

По сравнению с двигателями постоянного тока асинх­ ронные двигатели имеют еще и то преимущество, что пита-

\ние их осуществляется непосредственно от сети трехфазиого тока, т. е. для них не требуются сложные и дорогие' преобразовательные устройства переменного тока в посто­

янный.

Наличие указанных положительных качеств асинх­ ронных короткозамкнутых двигателей позволяет исполь­ зовать их во многих отраслях народного хозяйства: в промышленности, сельском хозяйстве, на горных раз­ работках, транспорте и т. д. Чаще всего они применяются при невысокой частоте включений, когда не требуется регулирование скорости или возможно ступенчатое ее регулирование. Перспективными являются и установки с глубоким регулированием скорости асинхронных корот­ козамкнутых двигателей при частотном управлении.

Вустановках, где требуется регулирование скорости

вотносительно небольших пределах, необходимы плавный

пуск, хорошие тормозные качества, ограничение токов в переходных процессах и т. д., находят широкое приме­ нение асинхронные двигатели с фазным ротором. Характер­ ной особенностью этих двигателей является возможность уменьшения с помощью реостатов их пусковых токов при одновременном увеличении пускового момента. Потери энергии за время переходных процессов в обмотках статора и ротора двигателей с фазным ротором значительно меньше по сравнению с аналогичными потерями энергии в короткозамкнутых двигателях. Это позволяет использовать дви­ гатели с фазным ротором для привода механизмов, техно­ логический процесс которых связан с частыми пусками и торможениями.

Недостатком асинхронных двигателей с фазным рото­ ром является то, что при' обычной схеме включения не представляется возможным получить жесткие механиче­ ские характеристики при пониженных скоростях в дви­

501

гательном и тормозных режимах работы. Для получения жестких характеристик при пониженных скоростях при­ меняются различные специальные схемы включения дви­ гателей. В ряде случаев использование этих схем связано с повышенными потерями при малых скоростях.

Для механизмов средней и большой мощности, где не требуется регулирование скорости, весьма перспек­ тивным является использование синхронных двигателей. Эти машины характеризуются такими положительными качествами, как жесткая механическая характеристика, высокая перегрузочная способность, меньшая по сравне­ нию с асинхронными двигателями зависимость максималь­ ного момента от напряжения сети, высокие энергетические показатели, возможность компенсации реактивной энергии.

Для механизмов, где предъявляются высокие требо­ вания в отношении регулирования скорости, качества переходных процессов, а также при напряженных режимах с частыми пусками и остановками электропривода, при­ меняются двигатели постоянного тока. Их использование в этих случаях связано с необходимостью применения в промышленных условиях установок для преобразования переменного тока в постоянный.

В зависимости от требований в отношении диапазона регулирования и характера статического момента на валу для электропривода производственных механизмов исполь­ зуются двигатели постоянного тока независимого, после­ довательного или смешанного возбуждения. Во многих промышленных установках несколько двигателей постоян­ ного тока получают питание от общей сети; для двигателей независимого возбуждения характерным является пита­ ние от отдельных машинных или вентильных преобразо­ вателей.

Наиболее простой, надежный и дешевый электропри­ вод может быть создан на базе короткозамкнутого асинх­ ронного двигателя. При выборе другой системы должны быть тщательно проанализированы технологические усло­ вия, по которым она выбирается, и проведен технико-эко­ номический сравнительный анализ, доказывающий необхо­ димость использования, например, машины постоянного тока или иного двигателя, более дорогого, чем короткозамкнутый.

Асинхронные двигатели малой и средней мощности выпускаются с номинальными напряжениями 220/127, 380/220 и 660 В. Асинхронные и синхронные двигатели сред­

502

тока являются 110, 220 и 440 В. При значительной мощ­ ности двигателей постоянного тока 'номинальные напря­ жения лежат в пределах 660—900 В.

Когда электропривод проектируется для механизмов действующего предприятия, двигатели следует выбирать по напряжениям существующих на предприятии сетей переменного и постоянного тока. Выбор напряжения для питания двигателей вновь сооружаемого предприятия решается совместно с выбором напряжений для всего предприятия в целом путем технико-экономического срав­ нения нескольких вариантов электроснабжения.

Выбор номинальной скорости двигателя в случае применения типового редуктора производится по извест­ ному передаточному отношению и заданной скорости производственного механизма. Выбор номинальной ско­ рости и передаточного отношения вновь проектируемого привода должен производиться путем технико-экономи­ ческого сравнения нескольких вариантов. Особое внимание следует уделять выбору номинальной скорости двигателя и передаточного отношения в случае напряженного режима работы с частыми пусками и остановками, так как от выбора этих величин зависит продолжительность переходных процессов, что в ряде случаев определяет производитель­ ность производственных механизмов.

Большое значение при комплектовании автоматизи­ рованного электропривода имеет правильный выбор дви­ гателя по конструктивному исполнению в отношении крепления и защиты от воздействия окружающей среды. Для большинства производственных механизмов приме­ няются двигатели с горизонтальным расположением вала и лапами для крепления к несущим конструкциям. Отме­ тим также, что для некоторых механизмов целесообраз­ ным является применение двигателей с вертикальным расположением вала и креплением на лапах. Для созда­ ния более совершенных форм механизмов и уменьшения их габаритов электротехническая промышленность выпус­ кает двигатели с горизонтальным и вертикальным располоя{ением валов и фланцевым креплением. Еще в боль­ шей степени вписываются в конструктивные формы меха­ низмов встраиваемые двигатели, которые не имеют ста­ нины, подшипниковых щитов, а иногда и вала. Монти­

503

руются они в корпусах производственных механизмов и в ряде случаев непосредственно выполняют функции рабочих органов.

Очень ответственной задачей является правильный выбор двигателя для работы в определенных условиях окружающей среды. От способа защпты двигателя зависят его долговечность, надежность и безопасность обслужи­ вания. По защите от действия окружающей среды разли­ чают открытые, защищенные в том числе каплезащищеиные и герметичные двигатели.

Открытые двигатели не имеют защитных приспособ­ лений, препятствующих соприкосновению с вращающимися и токоведущимп частями, а также попаданию внутрь двигателя посторонних предметов. У защищенных дви­ гателей имеются защитные приспособления в виде коробов, решеток и сеток. Каплезащищенные двигатели имеют устройства, предохраняющие их от попадания внутрь капель, падающих отвесно или под углом не более 60° к вертикали; брызгозащшценпые двигатели предохра­ няются от попадания внутрь брызг любого направления. Защитные устройства различного назначения не нарушают свободного обмена воздуха между двигателем и окружа­ ющей средой. Пыль, влага и газы имеют свободный доступ внутрь защищенных, каплезащищенных и брызгозащи­ щенных двигателей.

Более сложны по конструкции защитных устройств закрытые двигатели. Они пе имеют специальных отверс­ тий для обмена воздухом между двигателем и окружающей средой. Некоторый обмен воздухом имеет место за счет неплотностей в соединении деталей. С большей гермети­ зацией двигателей увеличиваются их масса и стоимость вследствие усложнения защитных приспособлений.

Так взрывозащищенные двигатели снабжаются специ­ альным кожухом, который может противостоять без повреждений взрыву внутри двигателя и препятствует распространению пламени в окружающую среду. Водо­ защищенные двигатели выполняются с усиленными уплот­ нениями крышек при помощи резиновых прокладок, а выступающий конец вала пропускается через специаль­ ный сальник. Уплотнения водозащищенного двигателя не пропускают внутрь воды при обливании двигателя из брандспойта. У герметичных двигателей все отверстия и соединения закрыты и уплотнены настолько тщательно, что исключается всякое сообщение между внутренним

504

пространством машины и -внешней газовой средой или жидкостью. Герметичная машина может работать погру­ женной в воду.

Для работы. в особых условиях окружающей среды выпускаются специализированные двигатели. Так, для работы в условиях тропического климата, характери­ зующегося значительной температурой, влажностью, росой, наличием грибковой плесени, выпускаются двигатели тропического исполнения. Для работы в помещениях с повышенпой влажностью, а также на открытом воздухе при температуре окружающей среды от —45 до +45° С выпускаются двигатели влагостойкого и холодостойкого исполнения. Для работы в химически активных средах выпускаются двигатели химически стойкого исполнения. Двигатели специализированных исполнений отличаются от обычных двигателей электроизоляционными материа­ лами, особой пропиткой обмоток и антикоррозионными покрытиями. Все это приводит к повышению их стоимости.

Несколько разнятся по своему конструктивному испол­ нению двигатели за счет различных способов вентиляции. Двигатели выполняются с естественной вентиляцией, с самовеитиляцией и независимой вентиляцией. При естествен­ ной вентиляции двигатели не имеют каких-либо специаль­ ных устройств для охлаждения. У двигателей с самовентиляцией охлаждение осуществляется вентилятором, смонти­ рованным на валу двигателя. При закрытом исполнении вентилятор устанавливается снаружи под колпаком и обдувает ребристую поверхность двигателя. Такие двига­ тели называют обдуваемыми. Интенсивность охлаждения двигателей с естественной вентиляцией и самовентиляцней зависит от угловой скорости вала двигателя и ухуд­ шается при ее сниженип.

Охлаждение двигателей при независимой вентиляции осуществляется ■с помощью специального вентилятора, приводимого в движение дополнительным двигателем. Наличие независимой вентиляции позволяет несколько повысить нагрузку главного двигателя, рсобенно при снижении его скорости.

Выбор двигателя по защите от действия окружающей среды должен производиться в соответствии с условиями, в которых он будет работать. При выборе двигателей необходимо учитывать, что при одной и той же мощности и скорости наибольшие масса, габариты и стоимость имеют закрытые двигатели. Необоснованный выбор, напри-

мор, закрытого двигателя вместо защищенного приводит к излишнему увеличению капитальных затрат и утяже­ лению конструкции.

Общие указания, касающиеся выбора двигателей по

При выборе двигателя по мощности следует исходить из необходимости его полного использования в процессе работы. В случае завышения номинальной мощности двигателя снижаются технико-экономические показатели электропривода, т. е. к. и. д. и коэффициент мощности. Если же нагрузка на валу двигателя превышает номиналь­ ную, то это, естественно, приводит к росту токов в его обмотках, а значит, и потерь мощности выше соответ­ ствующих номинальных значений, вследствие чего темпе­ ратура двигателя может превысить допустимую величину. Рост температуры выше определенных значений прежде всего приводит к снижению электрической прочности электроизоляционных’ материалов вследствие изменения их физико-химических свойств, что связано с опасностью пробоя изоляции обмоток и выходом двигателя из строя. В связи с этим одним из критериев выбора двигателя по мощности является температура его обмоток.

Задача выбора электродвигателя по мощности в ряде случаев осложняется еще тем обстоятельством,что нагрузка на его валу в процессе работы не остается постоянной, а изменяется во времени, вследствие чего изменяются также потери мощности, а значит, и температура двигателя. Если при этих условиях выбрать двигатель таким образом, чтобы его номинальная мощность была равна наибольшей мощности статической нагрузки, то в периоды снижения

506

нагрузки он будет недоиспользован по мощности. Такой выбор двигателя приводит к необоснованному завышению капитальных затрат и эксплуатационных расходов вслед­ ствие снижения к. п. д. и коэффициента мощности. Оче­ видно также, что недопустимо выбирать номинальную мощность двигателя равной минимальной мощности на­ грузки.

Для обоснованного решения указанной задачи необ­ ходимо прежде всего знать, как изменяется нагрузка на валу двигателя во времени, что в свою очередь позволяет судить о характере изменения потерь мощности; Кроме того, следует выяснить как происходит процесс нагрева двигателя в результате выделения в нем потерь энергии. Такой подход позволяет выбрать двигатель таким образом, чтобы его максимальная температура, точнее, максималь­ ная температура изоляции обмоток, не превышала допус­ тимую величину. Это условие является одним из основных для обеспечения надежной работы электропривода в тече­ ние всего срока его эксплуатации.

С целью определения нагрузки двигателей большинства производственных механизмов строятся так называемые нагрузочные диаграммы, под которыми понимаются зависи­ мости развиваемых двигателем момента и мощности от вре­ мени, т. е.М (t) и Р (I). В ряде случаев нагрузочная диаграмма может быть представлена в виде зависимости от времени тока главной цепи двигателя I (t), т. е. тока якоря для машин постоянного тока и тока статора или ротора для машин переменного тока. •

Для определения температуры обмоток двигателя и отдельных его частей необходимо выяснить, как проис­ ходит процесс нагрева, чем он обусловлен, от чего зависит температура двигателя.

Допустимое нагревание двигателей определяется нагревостойкостыо применяемых изоляционных материалов, которые делятся на шесть классов: А, Е, В, F, Н и С с пре­ дельно допустимой температурой от 105 до 175° С. Превы­ шение указанных температур недопустимо, так как это ведет к разрушению изоляции и сокращению срока службы двигателей.

Для упрощения тепловых расчетов принимается стан­ дартная температура охлаждающей среды, равная +40° С. Следовательно, мощность двигателя, указанная па его щитке, соответствует температуре охлаждающей среды +40° С. При значительно более низкой температуре

охлаждающей среды двигатель может быть нагружен несколько выше номинальной мощности, а при более высо­ кой температуре окружающей среды загрузку двигателя следует уменьшать, если не принимать специальных мер для усиления его охлаждения.

11-2. НАГРЕВ И ОХЛАЖДЕНИЕ ДВИГАТЕЛЕЙ

При преобразовании электрической энергии в механи­ ческую часть энергии теряется в самом двигателе. Энергия потерь превращается в тепло, в результате чего двигатель во время работы нагревается.

Вследствие неоднородности двигателя как физического тела точный учет тепловых процессов в нем оказывается весьма сложным. Поэтому при анализе процессов нагрева

иохлаждения обычно принимают двигатель за сплошное однородное тело, обладающее бесконечно большой тепло­ проводностью. Кроме того, считают, что количество тепла, отдаваемое в охлаждающую среду, иропорционально разности температур двигателя и. охлаждающей среды; охлаждающая среда обладает бесконечно большой тепло­ емкостью, т. е. в процессе нагрева двигателя ее темпера­ тура не изменяется; потери тепла, теплоемкость двигателя

икоэффициент теплоотдачи не зависят от температуры двигателя.

Для определения характера процесса изменения темпе­ ратуры двигателя под действием выделяющейся в нем тепловой энергии рассмотрим'баланс этой энергии за эле­ ментарный промежуток времени dt. Количество выделя­ ющегося в двигателе тепла за время dt можно определить по формуле

где АР — потери мощности в двигателе, Вт. и Количество тепла, отдаваемого охлаждающей среде

за время dt, можно оцределить следующим образом:

508

т = ■б'д — ■й'охл — превышение температуры двигателя над температурой охлаждающей среды, °С;

■&д, тЭ'охд — значения температуры двигателя и охлаждающей среды, °С.

Количество тепла, идущее на нагрев двигателя, про­ порционально приращению температуры, т. е. если за время dt превышение температуры двигателя над темпера­ турой охлаждающей среды изменяется на dx, то коли­

где С — теплоемкость двигателя, т. е. количество тепла, необходимое для нагрева двигателя на 1° С, Дж/°С.

Выделяемое в двигателе тепло dQx в процессе нагрева расходуется на увеличение его температуры dQ3, а также отдается охлаждающей среде dQ3, т. е. уравнение тепло­ вого баланса имеет вид:

dQ3-f- dQ3 = dQx

или с учетом (11-1) — (11-3)

Разделим в полученном уравнении все члены на A dt. Тогда

Таким образом, процесс нагрева двигателя описы­ вается линейным дифференциальным уравнением первого порядка, которое при постоянной правой части, т. е. при АР = const, имеет решение:

среды; Ун — постоянная времени нагрева.

Установившееся значение температуры определяется потерями мощности и теплоотдачей двигателя. Действи­ тельно, установившемуся процессу нагрева соответствует

509