ВЫБОР МОЩНОСТИ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ

Как было показано, для каждого двигателя установившееся значение температуры υ_у зависит от мощности нагрузки. Из всех материалов, применяемых в электродвигателях, изоляция обмоток имеет наименьшее значение допустимой температуры нагрева. Поэтому эта температура определяет то значение мощности нагрузки, которое можно приложить к валу данного двигателя. Это значение мощности определяется из условия, что температура нагрева различных частей двигателя должна быть меньше или равна допустимой температуре нагрева изоляции обмотки.

Для каждого класса изоляции допустимое превышение температуры нагрева изоляции зависит от температуры окружающей среды, которая стандартом принята равной 40°С. При температуре окружающей (охлаждающей) среды 40°С установлены следующие значения допустимого превышения температуры изоляции: для класса А (пропитанные жидкими электроизоляционными материалами хлопчатобумажные ткани и волокнистые материалы из целлюлозы и шелка) – 60 °С, для класса Е (некоторые синтетические органические пленки, эмалевая изоляция проводов, изоляция на основе поливинилацетатных и других смол) – 75 °С.

Поэтому в каталогах и паспорте двигателя указывают мощность, соответствующую температуре окружающей среды 40°С. Если температура окружающей среды меньше или больше этого значения, то допускается соответственно увеличение или уменьшение мощности нагрузки по сравнению с указанной в паспорте.

Для приведения во вращение производственного механизма, имеющего заданный график нагрузки (нагрузочную диаграмму), требуется электродвигатель определенной мощности, для которого допустимое превышение температуры υ_доп>υ_у. Если будет взят двигатель повышенной мощности, то υ_у будет меньше υ_доп, что приведет к недоиспользованию возможностей двигателя, к неоправданному увеличению капиталовложений, массы и габаритов установки. Если будет взят двигатель заниженной мощности, то υ_у будет больше υ_доп. Это приведет к температурной перегрузке изоляции, срок службы которой резко сократится (при эксплуатации двигателя в нормальных условиях срок службы изоляции составляет 15-20 лет). Имеются данные, что перегрузка двигателя на 25% приводит к износу изоляции в течение 1,5 месяца. Поэтому правильный выбор мощности двигателя имеет большое технико-экономическое значение.

Таким образом, основным критерием выбора мощности является нагрев двигателя. Для выбора мощности двигателя по условиям нагрева необходимо знать график нагрузки производственного механизма. После этого производят проверку двигателя выбранной мощности на перегрузочную способность как в момент пуска, так и в периоды работы с повышенной мощностью.

В продолжительном режиме работы при неизменной нагрузке выбор номинальной мощности двигателя Р_ном не представляет затруднений. Если температура окружающей среды равна 40°С, то мощность двигателя должна удовлетворять условию Р_ном≥Р. Зная мощность нагрузки Р, выбирают такой двигатель, мощность которого является ближайшей большей или равной мощности нагрузки.

В продолжительном режиме работы при переменной нагрузке предварительно выбирают мощность двигателя по средней мощности нагрузки Р_ср из условия Р_ном>Р_ср, а затем проводят проверочный расчет. Все методы проверки выбора мощности двигателя основаны на условии, что средние потери мощности в двигателе при работе по переменному графику нагрузки за рабочий цикл не должны превышать номинальных потерь мощности при работе двигателя с постоянной номинальной нагрузкой: Р_п.ср<Р_п.ном. Средние потери мощности рассчитывают по формуле на основании графика нагрузки:

Если выполнено условие Р_п.ср<Р_п.ном, то температура двигателя не будет превышать допустимое для изоляции значение. Если в результате расчетов получают, что Р_п.ср>Р_п.ном, то необходимо взять двигатель следующей, большей, мощности по каталогу и повторить проверочный расчет.

Этот метод проверки, хотя и является самым точным, для определения потерь мощности Р_пi требует предварительного расчета тока, а затем расчета потерь мощности. Поэтому на практике чаще применяют другие методы, основанные на расчете эквивалентных величин (тока, момента и мощности).

Эквивалентными называют такие постоянные значения тока, момента и мощности, при которых в двигателе имеют место такие же потери мощности, как и при работе этого двигателя с переменной нагрузкой.

Потери мощности в двигателе состоят из постоянных потерь (потери в стали, на трение в подшипниках, вентиляционные), не зависящих от нагрузки, и переменных потерь, пропорциональных квадрату тока и, таким образом, зависящих от нагрузки. Принимая во внимание только переменные потери мощности, из предыдущего уравнения получим для эквивалентного тока

Если получают, что I_эк≤I_ном, то двигатель выбран правильно (I_ном - номинальный ток двигателя).

Когда график переменной нагрузки продолжительного режима не имеет периодов холостого хода, то для двигателей с мало меняющейся частотой вращения применяют метод эквивалентной мощности, определяемой по формуле, аналогичной предыдущей:

Расчет эквивалентной мощности производят непосредственно по графику нагрузки. Поэтому это наиболее простой метод. Он применим для двигателей постоянного тока с параллельным возбуждением, асинхронных двигателей, работающих на естественной характеристике, и синхронных двигателей.

Проверка двигателя на перегрузочную способность заключается в сравнении максимального момента нагрузки, определяемого графиком нагрузки, с максимальным моментом М_mах, развиваемым двигателем. Максимальный момент двигателя превышает номинальный момент в γ раз и величина называется коэффициентом перегрузочной способности двигателя. Для двигателей постоянного тока γ=2÷2,5 (определяется условиями коммутации), для асинхронных двигателей γ=1,7÷2,5. Зная номинальный момент для выбранного двигателя, определяют М_тах=γМ_ном и сравнивают его с максимальным моментом нагрузки. Если М_тах двигателя меньше максимального момента нагрузки, то необходимо взять двигатель большей мощности. Чем более неравномерен график нагрузки, тем более вероятно, что мощность двигателя будет определяться максимальной мощностью нагрузки.

При тяжелых условиях пуска двигателя производят его проверку по пусковому моменту. Для кратковременного режима работы мощность двигателя выбирают из условия, что его максимальный момент М_max должен быть больше максимального момента нагрузки, а затем проверяют по пусковому моменту.

При повторно-кратковременном режиме работы можно выбрать специальный двигатель, предназначенный для работы в этом режиме, номинальная мощность которого определена для одного из значений ПВ (15, 25, 40 или 60%). Определив ПВ по графику нагрузки, выбирают двигатель из условия, что Р_ном≥Р. Если по графику нагрузки получается нестандартное значение ПВ, то мощность двигателя определяют из условия

где Р – мощность по графику нагрузки (см. рис. 15.6); ПВ – нестандартное значение продолжительности включения по графику нагрузки; ПВ_пасп – стандартное значение продолжительности включения, указанное в паспорте двигателя.

Мощность двигателя выбирают по соотношению

Так же производят расчет мощности двигателя при замене его двигателем с другим значением ПВ.

Если повторно-кратковременный режим характеризуется ступенчатым графиком нагрузки (рисунок),

Ступенчатый график нагрузки повторно-кратковременного режима

то предварительно определяют эквивалентную мощность за период работы:

и продолжительность включения

Затем мощность двигателя выбирают удовлетворяющей соотношению , подставляя вместо Р эквивалентную мощность Р_эк.