Расчет мощности и выбор электродвигателей

Основные положения методики выбора электродвигателей

Выбор конкретного электродвигателя для привода рабочей машины с исполнительным органом является важной задачей, так как часто именно электропривод определяет наиболее существенные техникоэкономические показатели рабочей машины.

Укрупнено выбор ЭД сводится к двум этапам: расчет мощности ЭД и выбор конкретного серийно выпускаемого ЭД.

При расчете мощности ЭД важно получить ее значение, которое обеспечит полностью потребности исполнительного органа рабочей машины на выполнение технологического процесса в статических и динамических режимах с учетом потерь мощности в элементах электропривода.

Если мощность выбранного ЭД недостаточна для выполнения технологического процесса рабочей машины, то рабочая машина может быть неработоспособна или иметь пониженную по сравнению с проектной производительность. Более того, при недостаточной мощности ЭД работает с перегрузкой, что вызывает перегрев изоляции ЭД, ее быстрое старение и преждевременный выход его из строя.

Применение ЭД завышенной мощности для рабочей машины приводит к завышению стоимости машины, работе ЭД с пониженным значением КПД, а для асинхронных ЭД — также с пониженным коэффициентом мощности. В этом случае потребляемая ЭД электрическая энергия нерационально используется, так как имеются неоправданные технически, дополнительные потери энергии и эксплутационные затраты.

Выбор электродвигателя представляет собой задачу, в результате решения которой будет найден двигатель, удовлетворяющий следующим условиям:

• • обеспечивает заданный технологический цикл рабочей машины;
• • соответствует условиям окружающей среды;
• • компонуется с рабочей машиной;
• • нагревается в процессе работы до нормативных значений температуры.

В общем случае методика выбора электродвигателя включает следующие этапы:

• • расчет мощности ЭД;
• • предварительный выбор ЭД;
• • проверка выбранного ЭД по условиям пуска и перегрузки;
• • проверка выбранного ЭД по нагреву.

Если выбранный ЭД удовлетворяет указанным условиям проверки по условиям пуска, перегрузки и нагреву, то на этом выбор ЭД заканчивается. Если же выбранный ЭД не удовлетворяет указанным условиям, то выбирается другой ЭД большей мощности и проверка повторяется.

Проверка ЭД по нагреву может выполняться также для работающих ЭД для установления их загрузки и теплового режима.

Рассмотрим методику выбора электродвигателя для случая, когда механическое передаточное устройство выбрано и известны его передаточное число или радиус приведения и КПД.

Первый этап — расчет мощности ЭД. Исходными данными для расчета мощности электродвигателя являются нагрузочная диаграмма и диаграмма частоты вращения (тахограмма) исполнительного органа рабочей машины.

Нагрузочной диаграммой ИО рабочего устройства или машины называется зависимость приведенного к валу ЭД статического момента нагрузки от времени M_c(t). Эта диаграмма рассчитывается на основании технологических данных и физических процессов характеризующих работу ИО рабочих устройств или машин.

Диаграммой скорости (частоты вращения) или тахограммой называется зависимость скорости движения ИО от времени у_ио(0 или частоты — со_ио(0- После приведения скорости или частоты вращения ИО к валу ЭД эти зависимости представляются в виде графика co (t).

В качестве примера рассмотрим простые нагрузочную диаграмму и тахограмму рис. 14.1 какого-либо механизма. Из рис. 14.1, а, б следует, что ЭД при работе создает постоянный момент нагрузки на ИО (М_с = const), и движение ИО состоит из участков разгона, движения с установившейся скоростью, торможения и паузы. Продолжительности указанных участков соответственно равны t_p, f_y, t_T, t₀, а полное время цикла работы ЭП составляет t_n=t_p+t_y + t_T +1₀.

Для расчета мощности ЭД выбираются номинальный момент и номинальная частота вращения ЭД. Номинальный момент ЭД определяется с учетом опыта проектирования ЭП данного устройства. В некоторых случаях можно определить расчетный номинальный момент ЭД по формуле.

где М_{с э} — эквивалентный момент нагрузки; к_зап = 1,1ч-1,3 — коэффициент запаса, учитывающий динамические режимы работы ЭД (работа с повышенными моментами).

Для нагрузочной диаграммы рис. 14.1, а эквивалентный момент М_с.э — М_с= const.

Рис. 14.1. Диаграммы работы рабочего устройства.

Когда момент нагрузки М_с изменяется во времени и нагрузочная диаграмма имеет, например, характер кривой представленной на рис. 14.2, то, прежде всего, осуществляется квантование кривой M_c(t) по времени и по уровню. При этом кривая заменяется ломаной линией с участками, на которых момент М_с, постоянен, а действие момента равно tj.

В этом случае М_в определяется как среднеквадратичная величина.

где M_d, t, — соответственно момент и длительность для i-ro участка нагрузочной диаграммы.

Номинальная частота вращения (скорость) двигателя определяется для тахограммы рис. 14.1, б движения со_ном > ю_уст. Если во время работы исполнительного органа его частота регулируется, то номинальная частота определяется выбранным способом регулирования.

Номинальная расчетная мощность двигателя определяется по формуле.

Рис. 14.2. Нагрузочная диаграмма устройства.

Второй этап — из каталога выбирается ЭД ближайшей мощности с частотой равной ю_ном, имеющий конструктивное исполнение, соответствующее условиям работы данной рабочей машины.

Третий этап — выбранный ЭД проверяется по перегрузочной способности. Для этого строится зависимость момента ЭД от времени M (t) с помощью уравнения механического движения, записанного в виде.

Динамический момент М_дин определяется суммарным приведенным моментом инерции J и заданным ускорением на участке разгона и замедлением на участке торможения тахограммы со (t) (см. рис. 14.1, б). На рис. 14.1, в представлен график динамического момента при постоянных ускорении и замедлении на этих участках. Зависимость M (t), построенная на основании (14.4) и моментов М_с (см. рис. 14.1, а) и Мдин (^см— Р^ис— 14.1, в) представлена на рис. 14.1, г.

Для проверки выбранного ЭД по перегрузочной способности сопоставляется максимально развиваемый момент двигателя М_тах с максимальным моментом М_ь взятым из найденной зависимости M (t). Для рассматриваемого примера должно выполняться следующее соотношение:

Если соотношение (14.5) выполняется, то двигатель обеспечит ускорение на участке разгона (см. рис. 14.1, б). Если нет, график движения на этом участке не может быть обеспечен данным ЭД и необходимо выбирать другой ЭД.

Для ДПТ обычного исполнения М_тах = М_доп = (1,5-^2,5)М_ном для АД с фазным ротором этот момент может быть принят примерно равным к критическому.

При выборе АД с короткозамкнутым ротором двигатель должен быть проверен также по условиям пуска, для чего сопоставляется его пусковой момент М_п с моментом нагрузки при пуске М_{с п} (момент при со = 0):

Если двигатель удовлетворяет условию (14.6) то он проходит по условиям пуска.

Если выбранный электродвигатель удовлетворяет условиям по перегрузочной способности и условиям пуска, то далее на четвертом этапе осуществляется его проверка по нагреву. Четвертый этап рассматривается в следующих параграфах данной главы.