3. Выбор электродвигателя по мощности при различных режимах работы

1. Общие положения

От правильного выбора электродвигателя по мощности зависит работа электропривода и его энергетические показатели в процессе эксплуатации. В тех случаях, когда нагрузка электродвигателя существенно меньше номинальной, он недоиспользуется по мощности, что приводит к излишним капитальным вложениям, заметному снижению коэффициента мощности и кпд. Если же нагрузка на валу электродвигателя превышает номинальную, возрастают токи в его обмотках, вследствие чего температура электродвигателя может превысить допустимую величину. Это, прежде всего, приводит к снижению электрической прочности электроизоляционных материалов, что связано с опасностью пробоя изоляции обмоток и выходом электродвигателя из строя. В этом случае одним из критериев выбора электродвигателя по мощности является температура его обмоток.

Задача выбора электродвигателя по мощности осложняется еще и тем обстоятельством, что нагрузка на его валу в процессе работы изменяется во времени, а соответственно изменяется температура обмоток. Если при этих условиях выбрать электродвигатель таким образом, чтобы его номинальная мощность была равна наибольшей мощности нагрузки, то в периоды ее снижения он будет недоиспользован по мощности, а значит, начнут проявляться все отрицательные явления, указанные выше.

Выбор электродвигателя с номинальной мощностью равной минимальной мощности нагрузки вообще недопустим по условиям перегрузочной способности и температурному режиму.

Поэтому обоснованное решение вопроса выбора электродвигателя может быть принято только на базе диаграмм зависимости изменения нагрузок во времени, что дает возможность оценить его температуру при известном характере процесса его нагрева. Это обеспечит надежную работу электропривода в течение всего срока его эксплуатации и является первым обязательным условием правильного выбора электродвигателя с учетом режима работы механизма.

Второе обязательное условие правильного выбора электродвигателя заключается в том, что его перегрузочная способность должна быть достаточной для устойчивой работы его в периоды максимальной нагрузки.

Третьим условием правильного выбора электродвигателя является обеспечение нормального процесса его пуска.

2. Номинальные режимы работы электродвигателей

Режимом работы называется установленный порядок чередования, продолжительности и величины нагрузки, холостого хода, торможения, пуска и реверса машины во время работы.

Номинальным режимом работы электродвигателя называется режим, для работы в котором электрическая машина предназначена заводом изготовителем. Это один из параметров его технической характеристики, приведенной в паспорте или каталоге. Именно для этого режима в каталогах и паспорте электродвигателя указываются номинальная полезная механическая мощность на валу, номинальное напряжение, номинальный ток, номинальная частота вращения, номинальный кпд, номинальный коэффициент мощности, номинальный режим работы.

Номинальные данные характеризуют работу электрической машины, установленной на высоте до 1000 м над уровнем моря, при температуре окружающей среды 40С и охлаждающей воды 30С¹.

В соответствии с ГОСТ 183-74 (СТ СЭВ 1346-78) установлено восемь номинальных режимов работы электрических машин, которые в соответствии с международной классификацией имеют условные обозначения S1 – S8.

Режимом продолжительной нагрузки S1 (продолжительным режимом) называется режим, при котором время работы электрической машины при практически неизменных нагрузке и температуре охлаждающей среды достаточно для нагрева всех ее частей до практически установившейся температуры, рис. 3.1а. Режим характеризуется неизменными тепловыми потерями в течение всего времени работы.

Режимом кратковременной нагрузки S2 (кратковременным режимом) называют режим, при котором периоды работы с неизменной нагрузкой чередуются с периодами отключения электрической машины (паузами), рис. 3.1б, причем за время работы температура его частей не успевает достигнуть установившегося значения, а за время пауз (отключения) она охлаждается до установившейся температуры, отличающейся от температуры окружающей среды не более чем на 1С. Установленная ГОСТ длительность периодов работы в данном режиме 10, 30, 60 и 90 мин. Она должна быть указана в условном обозначении режима работы, например S2-60 мин.

Режим повторно-кратковременной нагрузки (повторно-кратковременный) имеет три разновидности S3, S4, S5. Он отличается от кратковременного регламентированными продолжительностью включения под неизменную нагрузку и продолжительностью периодов отключения (пауз). Время работы электрической машины всегда меньше времени, необходимого для нагрева ее частей до установившейся температуры, а время пауз меньше необходимого для остывания машины до практически холодного состояния. Продолжительность цикла 10 мин.(600 с.), если нет других указаний.

Режим повторно-кратковременной нагрузки S3 – последовательность идентичных рабочих циклов, каждый из которых состоит из периодов работы при постоянной нагрузке и отключенного неподвижного состояния, рис. 3.1в. Так как продолжительность пускового периода намного меньше периода работы под нагрузкой предполагается отсутствие влияния на нагрев электрической машины пускового тока и увеличения мощности тепловых потерь за время пуска. Для режима S3 характеризующим является только один параметр - продолжительность включения:

(3.1)

где – период работы при номинальных условиях, с.;

–период отключенного, неподвижного состояния, с.;

–продолжительность цикла, с.

Для всех разновидностей S3, S4, S5 повторно-кратковременного режима номинальная продолжительность включения принята 15, 25, 40, 60%.

В условном обозначении режима S3 указывается продолжительность включения в %, например S3-40%.

Режим повторно-кратковременной нагрузки, включая пуск, S4 – последовательность идентичных рабочих циклов, каждый из которых состоит из периодов пуска, работы при постоянной нагрузке и отключенного неподвижного состояния (пауз) рис.3.1г. Время пуска соизмеримо со временем работы под нагрузкой, а поэтому пусковой ток и увеличение мощности тепловых потерь в пусковой период оказывают непосредственное влияние на нагрев электрической машины (электродвигателя).

Для режима S4 характеризующими параметрами являются:

продолжительность включения

(3.2)

число включений, циклов в час

(3.3)

а – S1, б – S2, b – S3, г – S4, д – S5, е – S6, ж – S7, з – S8

t_п - время пуска; t_р - время работы при номинальных условиях;

t _т - время торможения; t_x - время холостого хода; t ₀ - время паузы;

t_ц - время цикла.

Рисунок 3.1 – Диаграмма полезного механического момента на валу двигателя Т, мощности тепловых потерь Р_t , температуры электродвигателя  при различных номинальных режимах работы

а – S1, б – S2, b – S3, г – S4, д – S5, е – S6, ж – S7, з – S8

t_п - время пуска; t_р - время работы при номинальных условиях;

t _т - время торможения; t_x - время холостого хода; t ₀ - время паузы;

t_ц - время цикла.

Рисунок 3.1 – Диаграмма полезного механического момента на валу двигателя Т, мощности тепловых потерь DР_t , температуры электродвигателя Q при различных номинальных режимах работы

а – S1, б – S2, b – S3, г – S4, д – S5, е – S6, ж – S7, з – S8

t_п - время пуска; t_р - время работы при номинальных условиях;

t _т - время торможения; t_x - время холостого хода; t ₀ - время паузы;

t_ц - время цикла.

Рисунок 3.1 – Диаграмма полезного механического момента на валу двигателя Т, мощности тепловых потерь DР_t , температуры электродвигателя Q при различных номинальных режимах работы

а – S1, б – S2, b – S3, г – S4, д – S5, е – S6, ж – S7, з – S8

t_п - время пуска; t_р - время работы при номинальных условиях;

t _т - время торможения; t_x - время холостого хода; t ₀ - время паузы;

t_ц - время цикла.

Рисунок 3.1 – Диаграмма полезного механического момента на валу двигателя Т, мощности тепловых потерь DР_t , температуры электродвигателя Q при различных номинальных режимах работы

коэффициент инерции:

(3.4)

где t_n – время пуска, с.;

–момент инерции якоря (ротора) двигателя, кгм²;

–приведенный к валу электродвигателя момент инерции приводного механизма, кгм²;

- число включений за один цикл.

Номинальные значения:

–30, 60, 120, 240;

–1.2, 1.6, 2, 2.5, 4, 6.3, 10.

В условном обозначении режима указывается ,,, напримерS4-25%, 120 вкл/час, FI - 2.0. Это означает, что электродвигатель при коэффициенте инерции =2.0 рассчитан на работу при 120 включениях в час, длительность каждого цикла составляет 3600/120 = 30 с, из которых сумма времени пускаи времени работысоставляет 25% т.е. 7,5 с, а время пауз 22,5с.

Режим повторно-кратковременной нагрузки, включая пуск и электрическое торможение, S5 – последовательность идентичных рабочих циклов, каждый из которых состоит из периодов пуска, работы при постоянной нагрузке, быстрого электрического торможения и отключенного, неподвижного состояния, рис. 3.1д. Длительность этих периодов недостаточна для достижения теплового равновесия за время одного цикла.

Для режима S5 продолжительность включения:

(3.5)

где – время электрического торможения, с.

Остальные параметры аналогичны режиму S4. Иногда для режима S5 используют и такую характеристику как постоянная кинетической энергии – отношение кинетической энергии, запасенной ротором (якорем) электрической машины при номинальной частоте вращения (угловой скорости) к номинальной мощности электрической машины.

Условное обозначение режима аналогично S4, например S5 - 40%, 60 вкл/час, FI - 1.2.

Режимы S6, S7, S8 являются разновидностями продолжительного режима и носят название перемежающихся режимов.

Режим продолжительной работы при переменной нагрузке (перемежающийся режим) S6 – последовательность идентичных рабочих циклов, каждый из которых состоит из периодов работы при постоянной нагрузке и на холостом ходу, рис.3.1е. Влияние пусковых токов и мощности тепловых потерь на нагрев частей электродвигателя в пусковой период не учитывается.

Тепловое равновесие за время одного цикла не наступает. Продолжительность одного цикла, если нет других указаний, принимается 10 мин.(600с). Для режима S6 характеризующим параметром является продолжительность нагрузки (работы):

(3.6)

где t_x – время (продолжительность) работы на холостом ходу, с.

Номинальные значения – 15, 25, 40, 60%.

В условном обозначении режима указывается в %, напримерS6 - 15%.

Режим продолжительной нагрузки, включая пуск и электрическое торможение (перемежающийся режим с частыми реверсами при электрическом торможении) S7 – последовательность идентичных циклов, каждый из которых состоит из периодов пуска, работы при постоянной нагрузке и электрического торможения, рис. 3.1 ж. Из-за малой длительности неизменной нагрузки потери в пусковые периоды, во время реверсов, электрическом торможении оказывают существенное влияние на нагрев частей двигателя. Длительность рабочего периода недостаточна для достижения теплового равновесия за время одного цикла.

Для этого режима характеризующими параметрами являются: число включений в час, коэффициент инерции, например S7 - 120 вкл/час, -2.5.

Режим работы при периодическом изменении частоты вращения и нагрузки (перемежающийся режим с двумя и более частотами вращения) S8 – последовательность идентичных рабочих циклов, каждый из которых состоит из периодов ускорения, работы при постоянной нагрузке, соответствующей заданной частоте вращения, затем одного или нескольких периодов работы при других постоянных значениях нагрузки, соответствующим другим частотам вращения, рис. 3.1з. Изменение мощности тепловых потерь электродвигателя при переходе на другую частоту вращения с другой нагрузкой и при электрическом торможении оказывает существенное влияние на нагрев частей электродвигателя.

Для режима S8 характеризующими параметрами являются: число включений в час; коэффициент инерции; нагрузка, соответствующая каждой из частот вращения; частота вращения при соответствующей нагрузке, продолжительность нагрузки на каждой из частот вращения, рис. 3.1з:

	(3.7)
	(3.8)
	(3.9)

Условное обозначение режима включает указанные выше характеристики, например S8 - 60 вкл/час; - 2.0; 22 квт; 740 об/мин; 40%; 55квт; 1470 об/мин; 60%.

Кроме основных номинальных режимов работы электрических машин (S1 – S8) в практике эксплуатации электродвигателей можно выделить: режим кратковременной нагрузки с продолжительностью цикла существенно меньшей 10 минут; режим чередующихся реверсов; режим стохастической нагрузки.

Режим кратковременной нагрузки с малой продолжительностью рабочего цикла является частным случаем режимов S2, S3 и отличается от них тем, что время работы в этом режиме соизмеримо со временем пуска электродвигателя. В связи с этим потери в электродвигателе необходимо рассматривать как функции времени, а не как постоянные величины.

Режим чередующихся реверсов относится к режиму S7, но отличается от него симметричным графиком мощности при различных направлениях вращения. Кроме того, рабочий цикл по времени соизмерим со временем реверса, и поэтому при расчете потерь необходимо учитывать апериодические составляющие тока и магнитного потока.

Режим стохастической (случайной) нагрузки характеризуется вероятностными характеристиками нагрузки на валу, а график случайной нагрузки не может быть выражен детерминированной функцией времени.

Еще раз обращаем внимание на то, что в каталогах, паспортах на электрические машины указываются номинальные режимы, и технические данные именно при этих номинальных режимах.

Так как рабочий режим реальных машин и механизмов, как правило, не совпадает с одним из рассмотренных номинальных, задача выбора электродвигателя по мощности для привода реальной машины, механизма заключается в том, чтобы правильно сопоставить ее рабочий режим с паспортным номинальным режимом электродвигателя, обеспечив максимальное использование выбранного электродвигателя по условиям нагрева.