3. Выбор электрооборудования установки.

3.1 Описание технологии работы установки.

3.2 Расчет и выбор электродвигателя

Методические рекомендации

В данном разделе должно быть выполнено следующее.

Подраздел 3.1 Описание технологии работы установки:

• дайте полное название установки, марку, приведите расшифровку марки;

• укажите производственное назначение установки;

• укажите из каких основных конструктивных частей она состоит;

• вычертите электрическую и технологическую схему установки, отсканируйте ее внешний вид

• опишите принцип работы установки;

• приведите основные технические характеристики и паспортные данные;

Подраздел 3.2 Расчет и выбор электродвигателей:

• выберите серию электродвигателя проектируемого электропривода установки указанной в задании;

• выберите электродвигатели по частоте вращения, по типу, по исполнению.

Выбор электродвигателей по частоте вращения. Технико-экономические расчеты и практический опыт показывают, что в большинстве случаев наиболее экономичны двигатели с частотой вращения 1500 мин^-1 Число таких двигателей в сельском хозяйстве превышает 90 %.

Двигатели на 3000 мин^-1 применяют для привода центробежных насосов, вентиляторов большого напора, дробилок кормов.

Двигатели на 1000 мин^-1 используют для поршневых компрессоров, вентиляторов среднего напора большой подачи и в других случаях, когда возможно прямое соединение с валом рабочей машины.

Тихоходные двигатели обладают техническим преимуществом по сравнению с быстроходными в том случае, когда происходят частые пуски, реверсы. При этом решающими факторами становятся потери энергии и продолжительность переходных процессов, а тихоходные двигатели, обладая малым значением кинетической энергии ротора, обеспечивают меньшие потери энергии и продолжительность переходных процессов.

По роду тока электродвигатели выбирают на основании технико-экономических расчетов. Для машин, не требующих регулирования скорости, следует применять исключительно приводы переменного тока, которые значительно дешевле приводов постоянного тока.

Выбор электродвигателей по типу. Возможно сравнение трех основных типов двигателей переменного тока: асинхронного с короткозамкнутым ротором, асинхронного с фазным ротором и синхронного. Выбирая тип двигателя в зависимости от характера нагрузки и мощности механизмов, можно руководствоваться следующими данными. При длительной постоянной и переменной нагрузке мощностью до 100 кВт наиболее экономичны асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором, при нагрузках мощностью более 100 кВт — синхронные двигатели. При резкопеременной нагрузке до 100 кВт применяют асинхронные двигатели с повышенным скольжением, при мощности свыше 100 кВт — асинхронные двигатели с фазным ротором. При повторно-кратковременной и кратковременной нагрузках используют чаще всего асинхронные двигатели с повышенным скольжением, асинхронные двигатели с фазным ротором.

Выбор электродвигателей по исполнению. Двигатели основного исполнения предназначены для применения в умеренном климате в зданиях промышленного типа. Для приводов, предназначенных для работы в различных условиях окружающей среды, предусмотрен ряд специализированных исполнений: влагоморозостойкие, химостойкие, пылезащищенные, для сельского хозяйства и др.

Электродвигатели, как и другое электрооборудование, различают по климатическому исполнению и категории размещения изделия. В соответствии с ГОСТ 15543—89 электротехнические изделия изготавливают в пяти климатических исполнениях и маркируют следующим образом: У — для районов с умеренным климатом, УХЛ — для районов с умеренным и холодным климатом, Т — для районов как с сухим, так и влажным тропическим климатом, М — для районов с умеренно-холодным морским климатом, ОМ — для районов как с умеренно-холодным, так и жарким морским климатом.

Кроме того , изделия в зависимости от места установки изготавливают для пяти категорий размещения , которые обозначают следующими цифрами 1- для работы на открытом воздухе; 2 — для использования под навесом и в открытых помещениях; 3 — для работы в закрытых помещениях без искусственного микроклимата; 4 — для работы в помещениях с искусственным микроклиматом; 5 — для эксплуатации в помещениях с повышенной влажностью. В условное обозначение типа (марки) изделия дополнительно после всех обозначений, относящихся к модификации изделия, вводят буквы и цифры, обозначающие вид климатического исполнения .

Все электротехнические изделия, в том числе и электродвигатели, должны иметь корпуса и оболочки, обеспечивающие защиту персонала от соприкосновения с токоведущими и движущимися частями, а также определенную степень защиты изделия от попадания внутрь оболочки твердых посторонних тел и воды согласно ГОСТ 14254—89 Для обозначения степени защиты применяются буквы IP и следующие за ними две цифры. Первая цифра после IP (0...6) означает степень защиты персонала от соприкосновения с токоведущими и движущимися частями и изделия от попадания в него тел, например: 0 — специальная защита отсутствует; 2 — защита от проникновения внутрь оболочки пальцев или предметов длиной не более 80 мм и от проникновения твердых тел размером свыше 12 мм; 4 — защита от твердых тел размером 1,0 мм; 5 — защита от проникновения большого количества пыли, достаточного для нарушения работы ;6 – пыленепроницаемость. Проникновение пыли предотвращено полностью .Степень защиты от воды определяется второй цифрой (0...8), например:0 — защита от воды отсутствует;1 – защита от капель воды , падающих вертикально ;2 - защита от капель воды , падающих под углом до 15град. ;3 — защита от дождя; 4 — защита от брызг; 5 — защита от водяных струй;

Асинхронные двигатели серии АИ общепромышленного применения имеют высоту оси вращения от 45 до 355 мм, мощность от 0,025 до 315 кВт, изготовляются на напряжение 220/380, 380/660 В, частоту 50 Гц. Шкала мощностей практически такая же, как в двигателях 4А .По степени защиты предусмотрены два исполнения: закрытое обдуваемое IP54 для высот оси вращения от 45 до 132 мм и IP44 для высот оси вращения от 160 до 355 мм, защищенное для высот оси вращения от 200 до 355 мм.

Исполнение электродвигателей по способу монтажа .Формы исполнения электродвигателей общего назначения по способу монтажа и их условные обозначения установлены ГОСТ 2479 — 89. Буква и первые две цифры характеризуют вид машины, третья цифра ее исполнение по способу монтажа:М10 — на лапах с двумя подшипниковыми щитами;М20 — на лапах с большим фланцем со стороны выступающего конца вала;М21 — на лапах с малым фланцем со стороны выступающего конца вала;М30 — без лап с большим фланцем со стороны выступающего конца вала;М36 — без лап с малым фланцем со стороны выступающего конца вала;М100 — для установки в любом положении;М101 — для обычной установки с горизонтальным валом лапами вниз;М102 — для крепления лапами к вертикальной поверхности концом вала вниз;М103 — то же концом вала вверх;М104 — для крепления лапами к потолку; М105 — для крепления лапами к вертикальной поверхности, с горизонтальным положением вала, концом вала вправо;М106 — то же концом вала влево.

Для обозначения формы выступающих концов вала и их числа (один или два) добавляются соответствующие буквы, приведенные в ГОСТ 2479—89, например, М 101К — исполнение на лапах с двумя подшипниковыми щитами; крепление горизонтальными лапами вниз; с одним концом вала форма конца вала коническая.

Пример. Выбрать асинхронный короткозамкнутый электродвигатель для привода измельчителя кормов, установленного в кормоцехе. Частота вращения рабочего органа машины Ω_м = 73,5 с^-1 (700 мин ^-1). Данные нагрузочной диаграммы ( рис 1 ) : М ₁ = 100 Н∙м ; М ₂ = 150 Н∙м ; t ₁ = 10 мин; t ₂ = 10 мин ; t ₃ = 120 мин. Электрическая сеть 380/220 В , 50 Гц.

Рис1

М,Н.м

М ₂

М ₁

t ₁ t ₂ t ₃ t, _мин.

Решение.

1. Определяем режим работы электропривода.

Для этого найдём максимальную мощность измельчителя.

Р _м = М₂∙Ω _м = 150∙73,5 = 11025 Вт.

Таблица 1

Ориентировочные значения постоянной времени нагрева для электродвигателей серий АИР и 4А.

Номинальная мощность электродвигателя, кВт.	Значения Т , мин.
До 4	15…20
5,5…11	25…30
15…37	35…40
45…90	50…60

Из таблицы 1 видим, что для двигателей такой мощности значение постоянной времени нагрева Т = 30 мин. Из графика нагрузочной диаграммы (рис 1) видно , что время работы

t _p = t ₁+t ₂+t ₃ = 10+10+120 = 140 мин.

При этом t _p>4Т . За время t _p = 140 мин двигатель успеет нагреться до установившейся температуры , а в период отключения успеет охладиться до температуры окружающей среды. Такой режим работы называется продолжительным и согласно ГОСТ обозначается S1. Выбранный двигатель должен быть рассчитан на режим S1

2.Определяем эквивалентные мощности машины и двигателя.

=

= = 141,8 Н∙м.

Эквивалентная мощность машины за рабочий период

Р_эм = М_эм∙Ω_м = 141,8·73,5 = 10422 Вт

Эквивалентная мощность на валу двигателя

,

где - КПД передачи, принимаем = 0,95

= 10970 Вт.

3.Выбираем предварительно двигатель.

Номинальная мощность двигателя должна быть равна или несколько больше эквивалентной мощности :

Р_ном ≥ Р_{э ,} Р_ном ≥10970 Вт.

По каталогу выбираем асинхронный короткозамкнутый двигатель трёхфазного тока , напряжением 380/220 В типа 4А132М4 , у которого Р_ном = 11 кВт ; n _ном = 1460 мин ^-1 ( 153,3 с ^-1 ) ;К_мин = 1,7 ;.К_макс = 3,0

4.Проверяем пусковые и перегрузочные свойства двигателя. Допустим , что двигатель запускается при наибольшей нагрузке М₂ = 150 Н∙м.

Определим значение момента сопротивления машины , приведенного к валу двигателя при нагрузке М₂ :

= = 71,9 Н∙м .

Номинальный момент двигателя по условиям пуска с учётом снижения напряжения в сети

,

где К_мин – кратность минимального момента двигателя по каталогу ;

u – напряжение в сети во время пуска двигателя , выраженное в относительных единицах.

= 62,2 Н∙м .

Номинальный момент двигателя

= Н∙м .

Как видно , М_ном > М_н(пуск) .Выбранный двигатель обеспечивает пуск измельчителя при полной нагрузке.

Проверим , не перегрузится ли двигатель , преодолевая пик нагрузки .

,

где М_макс – наибольший момент , взятый по нагрузочной диаграмме ;

К_макс – кратность максимального момента двигателя по каталогу .

Н∙м .

Как видно , М_ном > М_н(пер) , т.е. двигатель преодолеет эту перегрузку .

Если при решении получится , что М_н(пуск) > М_ном или М_н(пер) > М_ном , то следует выбрать двигатель большей мощности и повторять расчет с пункта 3 до тех пор пока требуемые условия не будут выполнены .

5.Выбираем двигатель по конструктивному исполнению .

Выбор производим согласно рекомендациям руководящих технических материалов РТМ «Выбор двигателей в зависимости от условий окружающей среды» . (таблица 2) .

Таблица 2

Выбор двигателей серии 4А и АИР по условиям окружающей среды

Характеристика помещений	Наименование помещений	Рекомендуемое исполнение двигателей
Сухие Влажные Сырые Особо сырые Особо сырые с химически активной средой Пыльные	Гаражи, котельные, мастерские, инкубаторы, отапливаемые склады Подсобные помещения Цехи по переработке продуктов животноводства , помещения для водонагревателей Кормоприготовительные цехи , доильные залы, молочные, насосные, моечные, силосные и сенажные башни, наружные установки, теплицы, сараи . Животноводческие и птицеводческие помещения, склады минеральных удобрений, помещения для протравливания семян . Пункты послеуборочной обработки зерна и технических культур, комбикормовые цехи, мельницы, склады цемента .	У3 , IР44 У3 , IР44 У3 , IР44 У2 IР44 СУ1, IР44 УПУ3, IР44

Так как двигатель установлен в кормоцехе (особо сырое помещение) выбираем двигатель для умеренного климата, второй категории размещения, со степенью защиты IР44 .Учитывая условия монтажа, выбираем двигатель с двумя подшипниковыми щитами, на лапах, с одним концом вала. Обозначение такой конструкции 1М1001 .

Принимаем к установке двигатель 4А132М4У2 .

Если нагрузочная диаграмма отсутствует предварительный выбор электродвигателя осуществляется на основании аналитических и эмпирических формул.

Примеры

Мощность электродвигателя для привода решетного стана зерноочистительной машины

Р_расч = ( 7.3 Л2 ) ,

Где k_зап = 1,2…1,5 – коэффициент запаса ;

M – масса решетного стана (100…300 кг )

А – оптимальное ускорение , м / с² ;

N = 500 – число колебаний качающегося решета в минуту ;

- КПД передаточного механизма . = 0,6…0,7

если остальные рабочие органы решетного стана ( щетки , шнек ) имеют привод от того же электродвигателя , то расчетную мощность Р_расч увеличива – ют в 1,25…1,75 раза .

Мощность электродвигателя для цилиндрического триера

Р_расч = , ( 7.4 Л2 )

Где Р_уд – удельная мощность , Вт /( кг∙ч) – принимают равной 0,2…0,6 ∙

Вт / (кг∙ч) ;

Q – производительность триера ( или блока триеров ) , кг/ч ;

- КПД передачи = 0,8…0,9

Передвижной скребковый транспортёр для зерна с открытыми скребками

Р_расч = ,

Где k₁ = 1,2…1,5-коэффициент , учитывающий сопротивление при пуске;

Q – производительность транспортёра , кг /с ;

L – длина перемещения зерна , м ;

H – высота транспортирования зерна , м ;

k₂ – определяется в зависимости от подачи и типа цепи .

- КПД передачи

Тип цепи	Производительность , т/ч
	5	10	20	30	40	50
Втулочно - роликовая	2,2	1,6	1,2	1,1	1,0	1,0
Крючковая	4,2	3,0	2,2	1,8	1,5	1,2

Метательные транспортёры для зерна

Р_расч = ,

Где k = 1,5…2,0 – коэффициент , учитывающий сопротивления в механизмах ;

Q – производительность транспортёра , кг / с ;

v – начальная скорость метания , обычно v = 15…18 м / с ;

- КПД передачи

Винтовой транспортёр для зерна

Р_расч = ,

Где k₁ = 1,2…1,5 – коэффициент , учитывающий увеличение сопротивления при пуске ;

k₂ = 1,2…1,85 – коэффициент сопротивления движению

L₁ -длина горизонтальной проекции транспортёра , м ;

Q – производительность транспортёра , кг / с ;

- КПД передачи .

Передвижной ленточный транспортер для зерна или минеральных удобрений длиной до 20 метров

Р_расч = ,

Где k – коэффициент , зависящий от месторасположения привода ;

L – длина транспортёра , м ;

В – ширина ленты , обычно 0,5…0,8 м ;

V – скорость ленты , м / с , (v = 1,25…1,5 м / с ) ;

H – высота подачи материала , м ;

Q – производительность транспортёра , т / ч .

- КПД передачи

Значения коэффициента k определяются по таблице

Месторасположение привода	k
У приводного барабана	0,08
У натяжного барабана	0,0085
В середине транспортёра	0,09

Ковшовый элеватор для зерна

Р_расч = ,

где Q – производительность элеватора, кг / с ;

H – высота подъёма материала ;

- КПД элеватора ; при Q < 20 т / ч и H < 20 м принимают = 0,4…0,5

- КПД передачи

Щеточные машины для очистки поверхности зерна

Р_расч = ,

Где p = 0,7…0,9 кВт ч. / т – удельный расход энергии ;

Q – производительность , т / ч ;

- КПД передачи

Дробилка кормов, измельчитель кормов, корнеклубнерезка.

, (6.15 Л2 )

где k_хх – коэффициент, учитывающий потери холостого хода, включая расход мощности на вентиляцию, k_х.х. = 1,15…1,2; А – энергия, расходуемая на измельчение материала, кДж / кг ( для корнеклубнеплодов – 13 кДж / кг,для зерна среднего помола при диаметре решета d_р = 6 мм –40кДж / кг и при d_р=3мм--70 кДж / кг, при измельчении зерна в муку─ ·

100…150 кДж / кг;Q─ производительность дробилки измельчителя, кг / с; ─КПД передачи. Для измельчителя кормов зелёной массы, соломы, сена А = 1,7…1,8 кВт∙ч / т, при измельчении корнеклубнеплодов А = 1,2…1,3 кВт∙ч / т ,для корнеклубнерезки А = 0,65…1 кВт∙ч / т

Барабанная корнеклубнемойка

Р_расч. = ,

где n – частота вращения барабана , мин^-1 ;

Q – производительность , т/ч .

Кулачковая корнеклубнемойка

Р_расч. =

Где К – удельный расход энергии на 1 м длины мойки , кДж /кг∙м (для моек с производительностью 1,4…1,7 кг/с – 0,22 кДж / кг∙м и производитель – тельностью свыше 1,7 кг / с – 0,15 кДж / кг∙м ) ;

l – общая длина ванны м ;

Q – производительность , кг/с .

Насосы.

Расчетная мощность электродвигателя насоса определяется по формуле

кВт,

где k_з коэффициент запаса,принимаемый для двигателей мощностью до 1 кВт-2;до 2кВт-1,5;до 5 кВт-1,25; до 50 кВт-1,1 и свыше 50 кВт-1,05

Q –производительность,м³·с^-1;

Н –полный напор ( расчетная высота подачи ), кПа ;

γ-удельный вес перекачиваемой жидкости , кг / м³ ;для воды 1000 , молока 1030 , навоза 980…1010 кг / м³ ;

_н – КПД насоса (0,8…0,9 для поршневых насосов ; 0,4…0,6 для центробежных насосов низкого давления; 0,5…0,85 для центробежных насосов высокого давления );

_п – КПД передачи (0,85…0,9-ременной; 0,97…0,98-клиноременной; 0,98-зубчатой; 1-при непосредственном соединении при помощи муфты ).

Вентиляторы

, (6.37 Л2)

где Q_в– подача вентилятора , м³ / ч ;

Н – расчётное давление , МПа ;

- КПД вентилятора ( принимают по каталожным данным или при их отсутствии для центробежных вентиляторов 0,4…0,6 , для осевых 0,2…0,3 ) ;

_п – КПД передачи .

Номинальную мощность двигателя подбирают по условию

Р_н ≥ Р_расч.· k_з ,

где k_з – коэффициент запаса (принимают при Р_расч до 0,5 кВт – 1,5

от 0,5 до1 кВт – 1,3 , от 1 до 2 кВт – 1,2 , от2 до 5 кВт – 1,1 , свыше 5 кВт–1,05 .

Металлорежущие станки.

Мощность (кВт) электродвигателя привода главного движения и подачи для токарных, токарно-винторезных, карусельных и строгальных станков.

,

где F_P- удельное сопротивление резанию, Па;

q-сечение стружки,м²;

v-скорость резания, м с^-1;

_с-КПД станка ( при полной нагрузке 0,65…0,7 ).

Обычно принимают F_{P =} ( 3…5 ) F_раз, где F_раз –сопротивление разрыву,Па

Сопротивление разрыву для стали F_раз= (294…1180) 10⁶ Па

Мощность (кВт) электродвигателя для перемещения суппорта токарного станка.

Р_р =

Где G – сила тяжести суппорта,Н;

µ - коэффициент трения в направляющих;

v – скорость перемещения суппорта,м∙с^-1;

λ_мин – кратность минимального момента;

ή – КПД передачи.

Шлифовальные станки.

Расчетная мощность электродвигателя (кВт ) для шлифовального станка определяется по формуле.

(16.9 Л1 )

где Р_к и Р_д – мощности, потребляемые соответственно на вращение круга и детали

где F_ш –усилие резания при шлифовании, Н; v_к и v_д – соответственно линейные скорости круга ( 20…50 м∙мин^-1) и детали ( 15…25 м∙мин^-1 )

Усилие резания при шлифовании определяется по следующей эмпирической формуле:

F_ш = С_ш·v_д^0,7·S^0,7·t^0,6, (16.11 Л1 )

Где С_ш – постоянный коэффициент, определяемый свойствами обрабатываемого металла, Н·мин/(м·мм²). При обработке закаленной стали он равен 21,6 Н·мин/(м·мм²),незакалённой стали 20,6 Н·мин/(м·мм²)

Мощность (кВт) электродвигателя для сверлильных станков

,

где М_св – момент на сверле, Н·м

n_св – скорость вращения сверла, об·мин^-1

_с-КПД станка (0,7…0,8)

Деревообрабатывающие станки

Круглопильные станки.

Расчетная мощность электродвигателя для привода круглопильного станка

Р_р = ( 8…10 )D,

где D – расчетный диаметр бревна, м.

D = 0,3 + ; d – диаметр бревна, м.

v_п – скорость пиления, м ∙мин^-1

Усилие пиления

кН,

где k – удельная сила резания ( для сосны 0,11,для ели 0,12,для берёзы 0,14,для дуба 0,20 кН∙мм^-2 ); s – толщина пилы, мм; - подача (обычно 3…8 мм об^-1),Н – ход пильной рамки, равный диаметру кривошипа, мм; Σh – общая высота пропила , мм.

Общая высота пропила

Σh = 0,75d_срN мм

Где d_{ср –} диаметр средней площади сечения бревна , мм ;N – число пил.

Скорость пиления

м∙с^-1

где D – диаметр кривошипа, м; n – частота вращения, мин ^-1.

Мощность , затрачиваемая на подачу бревна

кВт (16.26 Л1 ),

где - КПД механизма подачи.

Мощность холостого хода пилорамы на шарикоподшипниках

Р_х = 2,1∙10^-6∙m∙n²∙r_кр кВт (16.27 Л1 ),

Где m – масса движущихся частей пилорамы, кг; n – частота вращения вала пилорамы,мин^-1, r_кр – радиус кривошипа, м.

Грузоподъёмные механизмы.

Скорость передвижения электроталей 20 м∙мин^-1,скорость поъёма 8 м∙мин^-1.

Расчетная мощность электродвигателя подъёма определяется по формуле

кВт , (8.4 Л2)

где G_н – номинальная масса поднимаемого груза,кН;

G_п – масса подвески,кН; (масса захватывающего приспособления)

V₁- скорость подъёма груза, м∙мин^-1;

- КПД подъёмного механизма при номинальной грузоподъёмности (для одноступенчатого редуктора 0,8…0,9;двухступенчатого 0,75…0,8 ;для трёхступенчатого 0,65…0,75 )

Расчетная мощность электродвигателя для перемещения груза по монорельсу определяется по формуле

кВт, (8.5 Л2 )

где – f₁ – коэффициент трения реборд колеса о полки монорельса (принимают равным 1,25…1,35);

G_н – номинальная масса груза, кН;

G_м – собственная масса механизма кН;

f₂ – коэффициент трения подшипников (для подшипников скольжения 0,07…0,1, для подшипников качения 0,005…0,01);

r – радиус шейки вала,м;

f₃ – коэффициент трения качения;

v₂ – скорость передвижения механизма, м∙мин^-1;

R – радиус колеса,м;

- КПД механизма перемещения по монорельсу при номинальной грузоподъёмности . =0,7

Электромашинное доение и первичная обработка молока.

Вакуум – насосы доильных установок

Р_расч. = ,

где Q = k·q_т·n + q_доп – расчётная производительность насоса , м³ / с ;

K – коэффициент , учитывающий неполную герметизацию системы, для установок с молокопроводом k = 2,25;

q_т – технологический расход воздуха одним доильным аппаратом ,

q_т = 1,8м³ · ч^-1 или 0,0005 м³ ·с^-1 ;

n – число доильных аппаратов в установке ;

q_доп – расход воздуха дополнительными узлами , для установок с молокопроводом q_доп = 5…7 м³ · ч^-1 ;

Н – разрежение , развиваемое насосом , кПа ;

_н – КПД насоса , 0,2…0,25

_п – КПД передачи , 0,95…0,97 .

Литература. Л1 стр. 62…76,130…253; Л2. стр. 16…21,40…72; Л3. Техническая и специальная литература по теме курсового проекта.