Выбор электрической машины по условиям обеспечения пуска

Обновлено: 23.04.2024

Выбор мощности электродвигателя должен производиться в соответствии с характером нагрузок рабочей машины. Этот характер оценивают по двум признакам:

а) по номинальному режиму работы;

б) по изменениям величины потребляемой мощности.

ГОСТ 183-55 различает следующие режимы работы:

а) продолжительный (длительный), когда рабочий период настолько велик, что нагрев электродвигателя достигает своего установившегося значения (например у насосов, ленточных транспортеров, вентиляторов и т. п.);

б) кратковременный, когда длительность рабочего периода недостаточна для достижения электродвигателем температуры- нагрева, соответствующей данной нагрузке, а периоды остановки, наоборот, достаточны для охлаждения электродвигателя до температуры окружающей среды; в этом режиме могут работать электродвигатели самых разнообразных механизмов;

в) повторно-кратковременный — с относительной продолжительностью включения 15, 25, 40 и 60t при продолжительности одного цикла не более 10 мин (например у подъемных кранов, некоторых станков, однопостовых сварочных двигателей-генераторов и т. п.).

Относительная продолжительность включения определяется из выражения:

При этом нормальная продолжительность цикла tv -f- tn принимается равной 10 мин.

По изменениям величины потребляемой мощности различаются следующие случаи:

а) постоянная нагрузка, когда величина потребляемой мощности в течение работы постоянна или имеет незначительные отклонения от среднего значения, как, например, у центробежных насосов, вентиляторов, компрессоров с постоянным расходом воздуха и т. п.;

б) переменная нагрузка, когда величина потребляемой мощности периодически меняется, как, например, у экскаваторов, кранов, некоторых станков и т. п.;

в) пульсирующая нагрузка, когда величина потребляемой мощности меняется непрерывно, как, например, у поршневых насосов, щековых дробилок, грохотов и т. п.

Мощность электродвигателя должна удовлетворять трем условиям:

а) нормального нагрева при работе;

б) достаточной перегрузочной способности;

в) достаточного пускового момента.

Все электродвигатели подразделяются на две основные группы:

а) для длительного режима работы (без ограничения продолжительности включения);

б) для повторно-кратковременного режима с продолжительностями включения 15, 25, 40 и 60%.

Для первой группы в каталогах и паспортах указывается длительная мощность, которую электродвигатель может развивать неограниченно долго, для второй группы — мощность, которую электродвигатель может развивать, работая с перерывами сколь угодно долгое время при определенной продолжительности включения.

Чрезмерное увеличение мощности электродвигателя может привести также к рывкам во время разгона.

Если электродвигатель должен работать длительно с постоянной или мало меняющейся нагрузкой, то определение мощности его не представляет затруднений и производится по формулам, обычно включающим эмпирические коэффициенты.

Значительно сложнее выбор мощности электродвигателей иных режимов работы.

Кратковременная нагрузка характеризуется тем, что периоды включения коротки (обычно существенно короче величины 3Т, где Т — постоянная времени нагрева выбранного электродвигателя), а паузы достаточны для полного охлаждения электродвигателя. При этом принимается, что нагрузка электродвигателя в периоды включения сохраняется постоянной или почти постоянной. Для того чтобы в этом режиме электродвигатель был правильно использован по нагреву, необходимо выбрать его так, чтобы его длительная мощность (указываемая в каталогах) была меньше мощности, отвечающей кратковременной нагрузке, т. е. чтобы электродвигатель в периоды своей кратковременной работы имел тепловую перегрузку. Вопрос о допустимой величине последней должен решаться на основании известного из курсов электропривода соотношения:

На рис. 3-1 представлена кривая для определения К, построенная по этому уравнению.

Следует иметь в виду, что пренебрежение постоянными потерями не всегда допустимо и в некоторых случаях может повести к ошибкам. Поэтому вышеуказанные формулы применимы только для небольших электродвигателей.

Если у проектировщика имеются более подробные данные в отношении потерь в электродвигателе, то аналогичная задача может быть решена более точно с помощью указаний, излагаемых в курсах теории электропривода.

Если периоды работы электродвигателя значительно меньше времени, необходимого для его полного нагрева, но паузы между периодами включения существенно короче времени полного охлаждения, то имеет место повторно-кратковременная нагрузка.

Практически следует различать два вида такой работы:

а) нагрузка в период работы по величине постоянна и, следовательно, график ее изображается прямоугольниками, чередующимися с паузами;

б) нагрузка в период работы изменяется по более или менее сложному закону.

В обоих случаях задача выбора электродвигателя по мощности может быть решена как аналитически, так и графически. Оба эти способа являются достаточно сложными, поэтому практически рекомендуется упрощенный метод эквивалентных величии, включающий в себя три способа:

а) среднего квадратичного тока:

б) средней квадратичной мощности;

в) среднего квадратичного момента.

Способ среднего квадратичного тока

Способ основан на учете нагрева, пропорционального квадрату тока, и, следовательно, не учитывает нагрева, вызываемого постоянными потерями.

Задача сводится к определению такого эквивалентного тока неизменной величины, который произвел бы такой же нагрев электродвигателя, как и действительный ток, меняющийся согласно графику нагрузки.

Если в период работы нагрузка постоянна, то средний квадратичный ток можно определить по формуле:

При вычислении по второй из формул результаты будут тем точнее, чем на большее число участков мы разобьем переменный график нагрузки за время одного цикла, т. е. чем меньше будут отрезки времени tt.

Если полученная величина среднего квадратичного тока окажется близкой к величине номинального тока электродвигателя (но не будет выше ее), то электродвигатель не перегреется и, стало быть, будет выбран правильно.

Следует иметь в виду, что этот способ, учитывающий лишь средний нагрев от эквивалентного тока, без мгновенных температурных максимумов, неприменим в случаях, когда внутреннее сопротивление электродвигателя меняется в течение цикла. Это имеет место у короткозамкнутых электродвигателей с глубоким пазом или с двойной беличьей клеткой, у которых вторичное сопротивление сильно меняется в пусковом и тормозном режимах, а также при реверсе.

Способ средней квадратичной мощности

Этот способ является производным из изложенного выше и применяется в тех случаях, когда удобнее пользоваться графиком мощности, а не тока. По аналогии со средним квадратичным током, средняя квадратичная мощность в общем случае определяется по формуле:

Тогда средние квадратичные мощности определяются по формулам:

Мощность в период пуски принимается обычно постоянной и равной максимальному значению.

Способы среднего квадратичного тока и средней квадратичной мощности неприменимы в случае выбора электродвигателей постоянного тока, работающих с переменным нряжением на зажимах якоря (система с собственным генератором и подобные ей). В этих случаях следует применять способы, основанные ка непосредственном определении потерь.

Способ среднего квадратичного момента

Аналогично средним квадратичным значениям тока или мощности средний квадратичный момент определяется по формуле:

Этот способ находит применение в тех случаях, когда рабочая диаграмма представляет зависимость М — f(t).

Применение этого способа исключается для короткозамкнутых асинхронных электродвигателей, когда в рабочие циклы входят и переходные процессы пуска, торможения или реверса, а также для электродвигателей постоянного тока при работе с переменным потоком (электродвигатели с последовательным и смешанным возбуждением).

Пересчет мощности с одной продолжительности включения на другую

Для пересчета служит формула:

После выбора мощности электродвигателя по условиям нагрева необходимо произвести проверку механической перегрузочной способности электродвигателя, т. е. убедиться, что максимальный момент нагрузки по графику при работе и момент при пуске не будут превышать значения максимального момент по каталогу.

У асинхронных и синхронных электродвигателей величина допустимой механической перегрузки обуславливается их опрокидывающим электромагнитным моментом, по достижении которого эти электродвигатели останавливаются.

Кратность максимальных моментов по отношению к номинальным должна по ГОСТ составлять 1,8 у трехфазных асинхронных электродвигателей с контактными кольцами и не менее 1,65 у таких же короткозамкнутых электродвигателей; кратность максимального момента синхронного электродвигателя должна быть также не ниже 1,65 при номинальных напряжениях, частоте и токе возбуждения, с коэффициентом мощности 0,9 (при опережающем токе).

Практически асинхронные и синхронные электродвигатели имеют механическую перегрузочную способность до 2—2,5, а у некоторых специальных электродвигателей эта величина повышается до 3—3,5.

Допустимая перегрузка электродвигателей постоянного тока определяется условиями работы и по ГОСТ составляет по моменту от 2 до 4, причем нижний предел относится к электродвигателям с параллельным, а верхний — к электродвигателям с последовательным возбуждением.

Если питающая и распределительная сети чувствительны к нагрузке, то проверка механической перегрузочной способности должна производиться с учетом потерь напряжения в сетях.

Для асинхронных короткозамкнутых и синхронных электродвигателей кратность начального момента должна быть не менее 0,9 (по отношению к номинальному).

В действительности кратность начального момента у электродвигателей с двойной беличьей клеткой и с глубоким пазом значительно выше и достигает 2—2,4. Моменты, необходимые для различных механизмов, см. в табл. 3-7.

При выборе мощности электродвигателя следует иметь в виду, что на нагрев электродвигателей оказывает влияние частота включений. Допустимая частота включений зависит от нормального скольжения, махового момента ротора и кратности пускового тока.

Асинхронные электродвигатели нормальных типов допускают без нагрузки от 400 до 1000, а электродвигатели с повышенным скольжением — от 1100 до 2700 включений в час. При пуске под нагрузкой допустимое число включений значительно сокращается. Пусковой ток электродвигателей с короткозамкнутым ротором имеет большую величину, и это обстоятельство в условиях частых пусков, и особенно при повышенном времени разгона, имеет важное значение.

В противоположность электродвигателям с фазовым ротором, в которых часть тепла, образующегося при пуске, выделяется в реостате, т. е. вне машины, в короткозамкнутых электродвигателях все тепло выделяется в самой машине, что обуславливает ее повышенный нагрев. Поэтому выбор мощности этих электродвигателей нужно производить с учетом нагревания во время многочисленных пусков. В курсах электропривода приводятся выражения, определяющие Z — допустимое число включений в час короткозамкнутого электродвигателя. Одним из наиболее простых выражений этого рода является следующее:

Инж. А. Г. Меклер [Л. 1] предложил для подъемников следующую простую формулу для определения допустимого числа включений в час:

Определение мощности электродвигателей для привода некоторых механизмов продолжительного режима работы при постоянной нагрузке

Для некоторых частных, но распространенных случаев потребная мощность электродвигателей может быть непосредственно вычислена в функции технологических показателей механизма. Ниже для справок приведен ряд подобных формул.

1. Металлорежущие станки

4. Грузоподъемные машины А. Для механизмов подъема:

Полученную по приведенной формуле мощность электродвигателя необходимо также проверить по режиму пуска, аналогично указанному для механизма подъема.

5. Механизмы непрерывного транспорта А. Для ленточных транспортеров:

Значения коэффициентов А, В и С в зависимости от ширины ленты приведены в табл. 3-4.

Коэффициенты приведены для подшипников скольжения; для подшипников качения коэффициенты следует уменьшать вдвое. При сбрасывателе, имеющем форму волнореза, коэффициент С также уменьшается вдвое.

Приближенные расчеты горизонтальных транспортеров можно производить по формуле:

Значения коэффициента Wc для скребковых транспортеров при малоабразивном материале (кусковом угле, поваренной соли) приведены в табл. 3-5.

Список ключевых параметров, которым надо уделить внимание в первую очередь, выглядит так:

Питающее оборудование и его совместимость с предпочтительной моделью.
Вид тока.
Мощностные показатели.
Режимы работы.
Исполнение для регионов с разным климатом.
Класс защиты корпуса.

Типы электрических двигателей

По типу питания двигатели делят на 2 большие группы: устройства, работающие от постоянного либо переменного тока.

Оборудование первой группы используется реже, хотя не так давно оно пользовалось огромным спросом. Но с появлением электрических двигателей переменного тока ситуация изменилась.

Недостаток выбора электродвигателей постоянного тока - собственно, потребность в доступе к току с постоянным значением напряжения. Для эксплуатации нужен либо его источник, либо мощный прибор-преобразователь напряжения.

При тех характеристиках современных сетей электроснабжения, к каким подключены промышленные и производственные объекты, соблюдение любого из двух условий является для пользователя необоснованно затратным. Хотя в некоторых случаях работа с электрическими двигателями постоянного тока выгодна предприятиям в силу увеличенной по сравнению с аналогами стабильности такого оборудования при его использовании с высокими загрузками.

Основные пользователи таких устройств:

предприятия металлургии;
заводы станкостроения;
производители и постоянные пользователи мощного электротранспорта.

Двигатели переменного тока делятся на подклассы. Их два: синхронные и асинхронные. Сфера применения механизмов обоих подклассов гораздо шире, особенно это касается последнего варианта.

Для обслуживания механизмов, работающих с остановками (плановыми или вынужденными, когда оборудованию требуется фиксация вала после аварийного отключения энергии), незаменимы асинхронные механизмы, оснащаемые электромагнитным тормозом. Они нашли широкое применение в лебедках, различных станках, в том числе металлообрабатывающих.
Многоскоростные устройства применяют там, где требуется поступательное регулируемое изменение скорости работы - в подъемниках, лифтах и т. д.
Выбор электродвигателя с увеличенным скольжением оправдан при работе с техникой, которая эксплуатируется по графику (повторно-кратковременные режимы запуска и остановки), или работает с пульсирующей нагрузкой.

Выбор электродвигателя по типу питания должен учитывать специфику оснащения и организации конкретной рабочей площадки, условия эксплуатации оборудования, технические нюансы его запуска и остановки, режимный фактор. Только определившись с типом по виду тока (и обосновав его фактами), можно переходить к расчетам рабочих характеристик требуемой техники, а именно:

мощности электродвигателя и его потребления;
номинальных моментов;
начальных (пусковых) моментов;
коэффициентов мощности;
параметров энергоэффективности.

Обоснованный выбор электродвигателя по мощности

Выбор электродвигателя по мощности зависит от специфики эксплуатации оборудования, к которому он подключается. Нагрузки оценивают по номинальному режиму и изменениям величины мощности потребления. При этом расчетная величина должна обеспечивать работу электродвигателя:

с нормальным нагревом;
достаточным пусковым моментом;
перегрузочной способностью в установленных пределах.

Правильным будет считаться выбор электродвигателя по мощности, при которой он, принимая нагрузки, предусмотренные техническим процессом, будет нагреваться не выше допустимой температуры для каждой из основных частей сборки. Неправильный выбор - с большим запасом ресурса, который ведет к недоиспользованию производительности, а значит, и переплатам за обслуживание более дорогой модели, ее ремонт, сниженные относительные показатели работы (включая КПД).

Мощность электродвигателя

Важный критерий выбора – мощность на валу, требуемая с учетом режима работы техники, к которой подключен электрический привод. Это расчетная величина, которую считают по формуле:

Р - искомая характеристика;
Pм - мощность, потребляемая механизмом;
η_п - паспортный коэффициент полезного действия (КПД).

По формуле определяют фактическое требуемое значение, номинал должен быть немного выше. Для наглядности разберем несколько примеров расчета мощности электродвигателя для распространенных и востребованных типов техники.

Формула расчета мощности электродвигателя для насоса

Методика выбора электродвигателя здесь использует следующую двухвариантную формулу:

P - искомая величина для привода насоса;
k3 - относительный показатель, учитывающий необходимость небольшого запаса, принимается равным от 1,1 до 1,3;
g - ускорение силы тяжести (свободного падения);
Q - производительность оборудования;
H - расчетная высота;
y - плотность рабочей среды, которую перекачивает насосная техника при эксплуатации:
p - уровень давления в насосе;
η_нас - КПД подключаемого насосного оборудования;
η_п - КПД привода.

Показатель p (давление) определяется произведением высоты подъема, ускорения свободного падения и плотности перекачиваемой жидкости.

Формула расчета мощности электродвигателя для компрессора

Формула, которую обычно используют для расчета мощности электродвигателя привода компрессора, имеет такой вид:

Q - производительность компрессорной техники.
А - усилие, требуемое для сжатия 1 кубометра воздуха до нужных значений давления, измеряется в Дж/куб. м.
η_k - индикаторный КПД, выбирается в диапазоне значений 0,6-0,8.
η_п - коэффициент полезного действия передачи (0,9-0,95).
k3 - запас (5-15%, показатель принимается равным 1,05-1,15).

Значение А рассчитывается по формуле:

Формула расчета мощности электродвигателя для вентиляторов

При выборе электродвигателей привода осевых и центробежных вентиляторов применяется следующая формула расчета.

Коэффициент k3 - запас, выбирается из диапазона от 1,1 до 2 в зависимости от паспортной мощности электродвигателя:

k3 = 1,1-1,2 для моделей от 5 кВт и выше;
k3 = 1,5, если это 1-2 кВт;
для моделей до 1 кВт коэффициент принимается равным 2.

0,4-0,7, если это центробежная модель;
0,5-0,85, если вентилятор осевой.

Соотношение момента M [Нм] и полезной мощности на валу Р2 [кВт]

Соотнести развиваемый момент (M [Нм]) и полезную мощность электродвигателя в кВт можно следующим способом:

Формулы расчета выглядят так.

Важный момент: если реактивная мощность при расчете для конкретных условий эксплуатации отрицательная, значит, электродвигатель отдает ее в сеть.

Пусковой ток

Номинальный ток определяют так:

Для механизмов постоянного тока.

Для трехфазных синхронных и асинхронных.

PH - мощность электродвигателя (номинальная, по паспорту);
ηH - КПД электрического двигателя (в технической документации);
cosfH - относительный показатель мощности электродвигателя;
UH - напряжение электрического двигателя (паспортное, номинальное).

Выбор электродвигателя по напряжению начинается с анализа параметров сети энергоснабжения на конкретном предприятии. При высоких мощностных показателях не стоит выбирать устройство с малым напряжением. Это потребует значительных дополнительных вложений, часто неоправданных (от медных питающих проводов до коммутаторов).

Режимы эксплуатации

Режим эксплуатации привода задает уровень нагрузки на электрический двигатель. Она может быть константной (или почти неизменной) и меняющейся. В любом случае ее характер надо учитывать в расчетах при выборе электродвигателя. База для анализа - режимы, предусмотренные действующими стандартами. Для электрического двигателя их принято 9, обозначаются они буквой S и цифрой.

S1 - продолжительная нагрузка, постоянная на протяжении всего срока, пока внутренняя температура в корпусе не достигнет предельных значений.
S2 - кратковременный режим эксплуатации (температура за все время работы привода не достигает установленного уровня). В период простоя двигатель охлаждается до температуры окружения. При выборе электродвигателя для недлительных нагрузок важно учитывать перегрузочную способность электрического привода.
S3 - периодическая кратковременная нагрузка. В этом случае включение-выключение механизма осуществляется по некоему графику. Во время работы элементы устройства не успевают нагреться до установленных в паспорте значений, а в период остановок они полностью охлаждаются. При выборе важно учесть конкретный график - длительность остановок, потери на переходах и допустимое количество включений привода за установленную единицу времени.
S4 - кратковременный по графику с частыми запусками.
S5 - периодический краткосрочный с электроторможением. Как и в случае с режимом S4, особенности выбора электродвигателя для таких условий эксплуатации - те же, что и для S
S6 (непрерывный периодический кратковременный). Запуски чередуются с холостым ходом.
S7 (по графику с непрерывной недлительной работой и электроторможением).
S8 (периодический с непрерывной работой в короткие промежутки времени, предусматривает изменение нагрузки и частоты вращения одновременно).
S9 - непериодическая работа, меняющаяся одновременно с частотой вращения вала. К ней адаптированы большинство современных двигателей, рассчитанные на продолжительную эксплуатацию.

Энергоэффективность

Энергоэффективность - показатель рациональности эксплуатации оборудования, когда его потребление остается минимально возможным при достаточном уровне нагрузки. Это одно из ключевых условий окупаемости вложений средств в производственное оборудование. Оценить энергоэффективность двигателя можно по его КПД, который определяется по формуле:

P2 - полезная мощность электродвигателя на валу;
P1 - потребление (активная мощность, потребляемая для работы привода из сети).

Современный рынок электрических двигателей стандартизован по классам энергоэффективности. Их определяет международный стандарт IEC 60034-30. Всего таких классов 3 (IE 1-3). Чем выше класс энергоэффективности, тем больше экономит пользователь устройства. К примеру, выбор механизма на 55 кВт повышенного класса энергоэффективности сэкономит предприятию до 8000 кВт ресурса в год.

Защита корпуса привода Ingress Protection (IP)

Еще одно важное условие грамотного выбора электродвигателя - достаточная степень защиты его корпуса. Она стандартизована в ГОСТ Р МЭК 60034-5-2007 и обозначается буквенно-цифровым кодом вида IP54.

Оптимальный класс защиты корпуса электрического двигателя - IP 54 или IP 55

Обозначения климатического исполнения

В	Универсальные модели для использования на суше и в море
М	Приводы для эксплуатации в морском холодном или умеренном климате
О	Эксплуатация на суше
Т	Двигатели для работы в условиях тропического климата
ТВ	Тропический влажный климат
ТС	Эксплуатация в сухих тропиках
У	Самый популярный тип электродвигателей - для эксплуатации в умеренном климате
Х	Электродвигатель для работы в холодных регионах
ХЛ	Электродвигатели, адаптированные к холодному климату

Размещение

1	На открытой территории
2	В помещениях со свободным доступом воздуха
3	Зыкрытые помещения
4	Электродвигатель для установки в цеха, где температурно-влажсностный режим может регулироваться (есть система вентиляции, теплоснабжение)
5	Зоны повышенной влажности с высокой вероятностью образования конденсата

Производство и профессиональная помощь в выборе электродвигателя

Читайте также: