книги / Электропривод, электрооборудование и основы управления

Т а б л и ц а 8.1

близки (рис. 8.4). Метод линеаризации точнее, но требует более сложных вычис­ лений.

ЗАДАНИЕ 8.1. Расчет переходного процесса асинхронного двигателя.

Определить время переходного процесса при рекуперативном торможении дви­ гателя, рассмотренного в примере 8.1, методом конечных приращений от точки 11

(см. рис. 8.3) до установившегося значения.

Предварительно задаемся граничными значениями участков кривой динамиче­

Г Л А В А *

ВЫБОР ТИПА И МОЩНОСТИ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ

§ 9.1. Общие сведения о выборе электродвигателя

Огромное разнообразие механизмов, работающих в самых раз­ личных условиях, предъявляет особые требования к электродви­ гателям. Например, металлорежущие станки должны работать с уг­ ловой скоростью, не зависящей от нагрузки, т. е. двигатели должны иметь жесткие механические характеристики. Этому требованию хорошо удовлетворяют двигатели: асинхронный, а также постоян­ ного тока с независимым или параллельным возбуждением. Наобо­ рот, для подъемных кранов, транспорта, прокатных станов жела­ тельно применять двигатели постоянного тока последовательного возбуждения, обладающие мягкой характеристикой.

Но более важной задачей является регулирование скорости, применяемое в подъемных кранах, в текстильной, металлургиче­ ской промышленности, реже в вентиляторах и насосах, но совер­ шенно необходимое на транспорте. Часто, например, при намотке нити на катушку, обработке торцов деталей и т. д. изменение ско­ рости должно подчиняться некоторому определенному закону.

Хорошо регулируется частота вращения у двигателей постоян­ ного тока. Достаточно экономичное, глубокое и плавное регулиро­ вание сделали их незаменимыми на протяжении многих десятиле­ тий. Но в последние годы широкое использование тиристорных регуляторов частоты позволило применять для этих целей асинхрон­ ный двигатель, который постепенно начал вытеснять двигатель

постоянного тока прежде всего на транспорте. Недостатки тири­ сторного управления: относительно высокая стоимость оборудования, сложность его обслуживания и ремонта.

В некоторых случаях ставится задача точной остановки меха­ низма, например поезда метро, кабины лифта. Это означает, что скорость двигателя должна снижаться по предварительно рассчитан­ ному закону. Для выполнения этого условия применяют как дви­ гатели постоянного тока, так и асинхронные.

Иногда требуется вращать два или несколько механизмов со строго одинаковой скоростью. Так, двигатели, приводящие в движе­ ние конвейерные барабаны с разной скоростью, будут нагружены неравномерно и вызовут добавочное натяжение транспортерной лен­ ты. Для решения этой задачи применяются асинхронные двигатели

сфазным ротором.

Взависимости от длительности работы механизма различают

пять режимов работы: продолжительный, кратковременный, преры­ висто-продолжительный, перемежающийся и повторно-кратковремен­ ный... Соответственно выпускаются и двигатели для этих режимов.

Большое значение имеет среда, в которой работают электро­ двигатели: на открытом воздухе, в воде, в Морских и тропических условиях. Помещения бывают: сухие отапливаемые, неотапливаемые, пожароопасные, взрывоопасные, с химически активными средами, пыльные, сырые и др. Это предъявляет особые требования к изоля­ ции машин, а также к искрению на коллекторе. Соответственно и двигатели выпускают различной степени защищенности от влия­ ния окружающей среды: закрытые, защищенные, герметические, судовые, взрывозащищенные и др.

Двигатели следует выбирать с учетом скорости, мощности ме­ ханизма и условий пуска. Если статический момент сопротивления механизма при пуске мал (у вентиляторов, металлорежущих стан­ ков), то пуск считается легким. У подъемных устройств пуск тя­ желый, так как груз сразу же начинает создавать нагрузку на дви­ гатель. Тяжелый пуск у электротранспорта, у привода ковша экскаваторов, а также у механизмов, работающих на открытом воздухе, где смазка может замерзнуть, загрязниться от пыли, влаги, ржавчины.

Существуют двигатели, обладающие большим пусковым момен­ том. Это — асинхронные с повышенным активным сопротивлением короткозамкнутой обмотки ротора или двигатели с контактными кольцами. Некоторые типы двигателей постоянного тока также име­ ют хорошие пусковые свойства. В каталогах на электродвигатели указывается относительный пусковой момент Мп/М ном или относи­ тельный пусковой ток /„ //н о м , позволяющие оценивать пусковые ка­ чества двигателя.

Часто двигателям (шаровым мельницам, прессам, штампам, гильотинным ножницам, молотам) приходится работать хотя и с кратковременными, но значительными нагрузками. Поэтому перегру­ зочная способность двигателя имеет важное значение и указыва­ ется в каталогах. Для асинхронных двигателей обычно указывается

132

относительный критический момент МКр/Л/„0м, а для двигателей постоянного тока иногда — относительный максимальный ток /м»кс//ном. Это объясняется тем, что асинхронные двигатели имеют физический предел вращающего электромагнитного момента, опреде­ ляющий его перегрузочную возможность, а двигатели постоянного тока такого предела не имеют. Их перегрузка может вызвать силь­ ное искрение на коллекторе, поэтому и указывается ограничение, по току.

Ниже приведены приближенные значения перегрузочной способ­ ности различных электродвигателей.

Нередко решающее значение при выборе двигателя имеют эко­ номические показатели: КПД, coscp, масса, габариты, стоимость дви­ гателя и его. установка, расходы по эксплуатации и ремонту. Наи­ более неприхотливы асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором. У двигателей постояннбго тока, наоборот, следует контро­ лировать настройку коммутации, отсутствие нагара на щетках и кол­ лекторе, нажатие и износ щеток, износ коллекторных пластин и т. д. Однако наиболее трудной задачей является выбор мощности двиг гателя, определяемой из расчета и зависящей главным образом от его нагрева.

§ 9.2. Нагревание ы ох.чзждение электродвигателя

Двигатель нагревается в результате происходящих в нем потерь. От электрических потерь нагреваются обмотки, от магнитных — сталь ротора, статора, якоря, полюсных наконечников; от механи­ ческих — подшипники, коллектор со щетками, поверхность якоря или ротора, т. е. все части, где происходит трение. Температура раз­ личных частей машины неодинакова; но особое значение имеет нагрев, обмоток, вернее, изоляции. Известно, что перегрев обмоток свыше допустимой температуры на 8—10°С снижает срок службы некоторых видов изоляции в два раза. Интенсивное старение ее заключается в высыхании; растрескивании, потере эластичности и электроизоляционных свойств.

Электроизоляционные материалы по нагревостойкости делят на семь классов. Каждый из них характеризуется предельно до­ пустимой температурой (табл. 9.1). Чем выше класс изоляции, тем большую температуру обмоток можно допустить, т. е. тем

133

жающей среды принимают обычно равной 35 или 40°С для обычных условий эксплуатации и 50°С для тропического исполнения.

При неизменных условиях нагревания и охлаждения перегрев изменяется по экспоненциальному закону (рис. 9.1, кривая 3). Если начальная температура двигателя была равна температуре окружаю­ щей среды, то перегрев в любой момент времени t после начала работы

т = туст(1—е ~ 1/т" ) ,

где ТуCT= G M — установившийся перегрев; е = 2,72 — основание на­

отданное двигателем в окружающее пространство за одну секунду при разности температур между двигателем и средой в 1К, Вт/К; С — теплоемкость двигателя, т. е. количество теплоты, которое необходимо сообщить двигателю, чтобы нагреть его на 1К, Дж/К .

Очевидно, что чем ниже КПД и больше нагрузка, тем больше Q. Теплоотдача зависит от вентиляции и площади охлаждения дви­ гателя. Чем лучше вентиляция, тем больше А и меньше Т» Тепло­ емкость С зависит от удельной теплоемкости и массы материалов, входящих в конструкцию двигателя. Так как масса электротехни­ ческой стали приближенно составляет 93%, меди 6,5%, а изоля­ ция 0,5%, то с достаточной степенью точности можно считать, что удельная теплоемкость двигателя равна удельной теплоемкости стали.

Если двигатель, проработавший достаточно долгое время, имеет

где Тох— постоянная времени охлаждения (обычно в два-три раза больше 7 \ так как в неподвижном двигателе резко снижается вентиляция и охлаждение длится значительно дольше, чем нагрев).

Если двигатель работал с малой нагрузкой и имел некоторый начальный перегрев т,, а затем был поставлен под большую на­ грузку, то перегрев его увеличивается по экспоненте (рис. 9.1, кри­ вая /):

Как следует из формулы, такой случай нагревания можно рас­ сматривать как сумму двух экспонент — возрастающей и падаю­ щей, т. е. имеет место совокупность двух процессов: нагревания и охлаждения. Причем T ox= T itt так как процесс охлаждения происхо­ дит во время вращения, т. е. при интенсивной вентиляции и тепло­

отдаче.

При уменьшении нагрузки потери в двигателе снижаются и происходит падение перегрева (см. рис. 9.1, кривая 2). Уравнение

135

перегрева будет иметь тот же вид, что и при возрастании нагрузки,

НО т2> Туст.

Теоретически процесс нагрева длится бесконечно долго, а прак­ тически заканчивается через (4-=-5)Т так как за это время перегрев будет отличаться от установившегося значения менее чем на 1—2%.

Постоянную времени нагрева можно определить графически. Ес­ ли провести касательную к экспоненте через начальную точку (рис. 9.1), то она отсечет на горизонтальной линии туст, отрезок, рав­ ный Т № Постоянная времени нагрева может быть различной: от нескольких минут до нескольких часов. Например, у асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором диаметром 105 мм и самовентиляцией Г и —11 мин; у двигателя постоянного тока закрытого исполнения 7\, = 6 5 мин с диаметром якоря 100 мми Т н = 270 мин с диаметром якоря 400 мм.

Постоянную времени охлаждения можно найти аналогичным спо­ собом с помощью касательной (рис. 9.1).

Рассмотренный выше экспоненциальный закон изменения пере­ грева является приблизительным, если допустить, что весь объем двигателя нагревается равномерно. В действительности же нагрева­ ние и охлаждение имеют более сложный характер. Обмотки нагреваются быстрее, чем сталь, так как электрические потери сосредоточены в меньшем объеме, а сталь нагревается и от собст­ венных магнитных потерь, и от обмоток. Внутри двигателя по­ является перепад температур из-за различной теплоемкости и теплопроводности отдельных его частей.

§ 9.3. Выбор мощности электродвигателя для продолжительного режима работы

Режим считается продолжительным, если его длительность та­ кова, что все части двигателАза время работы успевают нагреться до установившейся температуры. При этом нагрузка может быть равномерной (рис. 9.2, а) и неравномерной (рис. 9.2, б) . При колеба­ ниях нагрузки температура несколько изменяется.

Если известно, что механизм должен работать с продолжитель­ ной равномерной, нагрузкой Р* то двигатель выбирают по каталогу

136

из условия, что его номинальная мощность Р„0м>Рс; учитывают тип двигателя, требуемую частоту вращения, напряжение сети, исполнение двигателя и т. д.

Если двигатель работает в продолжительном режиме с неравно­ мерной нагрузкой, то его мощность можно определить двумя мето­ дами: эквивалентных величин или средних потерь.

Метод эквивалентных величин. Используя этот метод, по нагру­ зочной диаграмме находят эквивалентную мощность Р экп. Если дви­ гатель будет иметь номинальную мощность Р,юм=Рэкв, то в некото­ рые отрезки времени он будет работать с недогрузкой и охлаждать­ ся, а в другие — с перегрузкой и нагреваться. Но ни в один момент времени температура двигателя не будет превышать допустимого значения для данного класса изоляции. Эквивалентная мощность

причем суммирование следует производить за время t = 47\ь в те­ чение которого сглаживается влияние начальной температуры.

Нагрузочную диаграмму можно задать в виде зависимости мо­ мента на валу двигателя или тока от времени, тогда определяют эквивалентный момент или ток:

Метод средних потерь. Онболее точен, но и более трудоемок, чем метод эквивалентных величин. Его целесообразно применять для двигателей, условия вентиляции которых изменяются при из­ менении нагрузки. К ним относятся самовентилирующиеся двига­ тели постоянного тока последовательного возбуждения, имеющие мягкую механическую характеристику, и двигатели с регулировкой скорости, у которых вентилятор насажен на вал двигателя и охлаж­ дение зависит от скорости.

По этой формуле выбирают двигатель из условия Р „ > Р ср и опреде­ ляют потери:

выбранный по каталогу двигатель подходит для работы, так как он будет нагреваться так же или чуть меньше, чем при номинальной нагрузке. Если же Д Р „ 0м < Д Р гр, то выбирают другой двигатель, больший по мощности.

137

Рассмотренные методы применяют для температуры окружаю­ щей среды, равной расчетной, например ГокР= 40°С. Если Т o*P<40°C, то условия охлаждения улучшаются, что позволяет несколько перегрузить двигатель без ущерба для его изоляции. Наоборот, работая в горячем цехе (на горячем воздухе или в дыму), необ­ ходимо снизить нагрузку относительно номинальной. Определить

(см. п. 3, с. 139). Подобрать асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором, если синхронная частота вращения л, = 1500 об/мин, температура Т0кр = 25вС. Задачу

что механическая характеристика прямолинейна (рис. 9.3). Для этого составляем пропорцию и решаем ее относительно л5:

(л ,— Л*ом)/(Л|— Я5) =Рнон/Р6 ИЛИ я 5 = Л ,— Р 5( л , — Л„оы)/Яном =

= 1500— 6500(1500— 1 4 30)/4000= 1386 об/мин,

где л, — частота вращения поля статора, об/мин.

4.Для лроверки на перегрузочную способность определяем номинальный Л1Н0И

инаибольший Мн.нб моменты:

= 1,67<Л*макс/Мной = 2,4, т. е. выбранный по каталогу двигатель подходит для работы.

138

Т а б л и ц а 9.2

139