4.2 Расчет мощности, выбор и проверка электродвигателей

Основным требованием при выборе электродвигателя является его соответствие условиям технологического процесса рабочей машины. Задача выбора состоит в поиске такого двигателя, который будет обеспечивать заданный технологический цикл рабочей машины, иметь конструкцию, соответствующую условиям окружающей среды и компоновки с рабочей машиной, а его нагрев при этом не должен превышать допустимый уровень.

Выбор двигателя недостаточной мощности может привести к нарушению заданного технологического цикла и снижению производительности рабочей машины. Происходящие при этом его повышенный нагрев и ускоренное старение изоляции, определяют преждевременный выход самого двигателя из строя, остановку рабочей машины и соответствующие экономические потери.

Недопустимым является также использование двигателей завышенной мощности, т.к. при этом, имея повышенную первоначальную стоимость, ЭП работает с низким КПД и коэффициентом мощности.

4.2.1 Нагрузочные диаграммы двигателей. Расчет мощности двигателей при различных режимах работы

Выбор двигателя для электропривода обычно производится в следующей последовательности:

1 этап – предварительный расчет мощности двигателя;

2 этап – выбор двигателя по каталогу;

3 этап – проверка выбранного двигателя по условиям пуска, перегрузке и нагреву.

Основой для расчета мощности и выбора двигателя для электропривода является нагрузочная диаграмма и диаграмма скорости (тахограмма) исполнительного органа рабочей машины.

Нагрузочная диаграмма исполнительного органа рабочей машины (механизма), рисунок 4.1,а представляет собой график изменения во времени приведенного к валу двигателя статического момента нагрузки, т.е М_с (t) или статической мощности P_с (t), статического усилия F_с (t). Она рассчитывается на основании технологических данных, характеризующих работу машин и механизмов, и параметров механической передачи.

Статические нагрузки (статическая мощность, момент, усилие) рассчитываются для конкретного механизма по определенным формулам, приводимых в справочниках.

Скоростная диаграмма механизма (рисунок 4.1,б) представляет собой зависимость скорости движения механизма в статическом режиме работы от времени. Статические нагрузки при переменной нагрузке рассчитываются для каждого участка циклограммы работы механизма. Например, для механизма главного движения подъёмного крана можно выделить следующие участки циклограммы (рисунок 4.1,а):

1 Спуск пустого крюка;

2 Подъем груза;

3 Спуск груза;

4 Подъем пустого крюка.

Из диаграммы видно, что периоды работы электродвигателя чередуются с паузами.

Рисунок 4.1 – Нагрузочная (а) и скоростная (б) диаграммы механизма

Мощность электродвигателя предварительно рассчитывается исходя из статической нагрузки механизма и режима работы электродвигателя в электроприводе.

На основании анализа режимов работы выделены наиболее характерные, т.е. номинальные режимы работы, для которых проектируются и изготавливаются электродвигатели.

Номинальные режимы работы имеют обозначения S1…S8.

Режимы S1, S2, S3 являются в настоящее время основными. Номинальные данные двигателей в этих режимах включаются в паспорт и каталоги.

Режимы S4…S8 уточняют основные и помогают упростить нагрузочные диаграммы произвольных режимов.

Продолжительный номинальный режим работы (S1) двигателя характеризуется нагрузкой в течение времени, за которое перегрев всех его частей достигает установившегося значения. Работа двигателя в режиме S1 может происходить с постоянной или переменной циклической нагрузкой. В таком режиме работают электродвигатели насосов, вентиляторов, эскалаторов, транспортеров.

Кратковременный номинальный режим работы (S2) двигателя – это режим, при котором периоды работы двигателя с неизменной нагрузкой чередуются с периодами его отключения (остановки); при этом периоды работы не настолько длительны, чтобы превышения температуры всех частей двигателя могли достигнуть установившегося значения, а периоды остановки настолько длительны, что все его части охлаждаются до температуры окружающей среды. В таком режиме работают электродвигатели зажимных устройств металлорежущих станков, открытия затворов шлюза, разводных мостов.

Повторно-кратковременный номинальный режим работы (S3) двигателя – это режим, при котором кратковременные периоды с неизменной нагрузкой чередуются с периодами отключения (паузами), причем как рабочие периоды, так и паузы не настолько длительны, чтобы превышения температуры всех частей двигателя могли достигнуть установившихся значений. В таком режиме работают электродвигатели кранов, лифтов, экскаваторов, подъемно-транспортных механизмов.

На рисунке 4.2 представлены примерные графики зависимости температуры двигателя от времени в основных номинальных режимах работы.

Рисунок 4.2 – Кривые нагрева двигателя в различных режимах работы

Для ЭП, работающих в продолжительном режиме (S1) с неизменной нагрузкой, мощность двигателя принимается равной

где Р_с - статическая мощность механизма.

k – коэффициент запаса по мощности, который принимается равным 1,08…1,36.

- КПД механической передачи.

Мощность двигателя, работающего в продолжительном режиме (S1) с переменой нагрузкой, можно рассчитать по среднеквадратичному (эквивалентному) статическому моменту М_сэ

где М_ci - статический момент на i-том интервале нагрузочной диаграммы механизма,

t_i – продолжительность i-того интервала,

t_ц – время цикла,

n – число интервалов нагрузочной диаграммы механизма,

ω_н – номинальная угловая скорость двигателя.

При кратковременном режиме работы двигателей, отвечающих режиму S2, не­обходимо чтобы действительное время кратковременной работы t_р было равно одному из стандартных значений времени = 10, 30, 60, 90 мин, для кото­рого спроектирован и изготовлен двигатель. В этом случае двигатель выбирается из усло­вия

Если , то предварительно выбирается двигатель, имеющий по ката­логу зна­чения и , ближайшие к заданным значениям и .

При повторно-кратковременном режиме работы (S3) эквивалентный статический момент рассчитывается только за рабочее время, т.е. без учёта пауз, когда двигатель отключается от источника питания.

t_р - продолжительность работы двигателя за время цикла.

Продолжительность включения двигателя определяется:

ПВ =

Рассчитанный эквивалентный статический момент при реальной ПВ, следует привести к эквивалентному статическому моменту при стандартной ПВ_ст = 15, 25, 40, 60 % по формуле

Эта формула справедлива также для расчета мощности. Номинальная мощность двигателя для повторно-кратковременного режима при заданном ПВ_ст равна