Расчет мощности и выбор электродвигателя дверей

Обновлено: 26.04.2024

Электродвигатель – механизм, преобразующий энергию электрического тока в кинетическую энергию. Современное производство и быт сложно представить без машин с электроприводом. Они используются в насосном оборудовании, системах вентиляции и кондиционирования, в электротранспорте, промышленных станках различных типов и т.д.

При выборе электродвигателя необходимо руководствоваться несколькими основными критериями:

вид электрического тока, питающего оборудование;
мощность электродвигателя;
режим работы;
климатические условия и другие внешние факторы.

Типы двигателей

Электродвигатели постоянного и переменного тока

В зависимости от используемого электрического тока двигатели делятся на две группы:

приводы постоянного тока;
приводы переменного тока.

Электродвигатели постоянного тока сегодня применяются не так часто, как раньше. Их практически вытеснили асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором.

Главный недостаток электродвигателей постоянного тока – возможность эксплуатации исключительно при наличии источника постоянного тока или преобразователя переменного напряжения в постоянный ток. В современном промышленном производстве обеспечение данного условия требует дополнительных финансовых затрат.

Тем не менее, при существенных недостатках этот тип двигателей отличается высоким пусковым моментом и стабильной работой в условиях больших перегрузок. Приводы данного типа чаще всего применяются в металлургии и станкостроении, устанавливаются на электротранспорт.

Принцип работы электродвигателей переменного тока построен на электромагнитной индукции, возникающей в процессе движения проводящей среды в магнитном поле. Для создания магнитного поля используются обмотки, обтекаемые токами, либо постоянные магниты.

Электродвигатели переменного тока подразделяются на синхронные и асинхронные. У каждой подгруппы есть свои конструктивные и эксплуатационные особенности.

Синхронные электродвигатели

Синхронные двигатели – оптимальное решение для оборудования с постоянной скоростью работы: генераторов постоянного тока, компрессоров, насосов и др.

Технические характеристики синхронных электродвигателей разных моделей отличаются. Скорость вращения колеблется в диапазоне от 125 до 1000 оборотов/мин, мощность может достигать 10 тысяч кВт.

В конструкции приводов предусмотрена короткозамкнутая обмотка на роторе. Ее наличие позволяет осуществлять асинхронный пуск двигателя. К преимуществам оборудования данного типа относятся высокий КПД и небольшие габариты. Эксплуатация синхронных электродвигателей позволяет сократить потери электричества в сети до минимума.

Асинхронные электродвигатели

Асинхронные электродвигатели переменного тока получили наибольшее распространение в промышленном производстве. Особенностью данных приводов является более высокая частота вращения магнитного поля по сравнению со скоростью вращения ротора.

В современных двигателях для изготовления ротора используется алюминий. Легкий вес этого материала позволяет уменьшить массу электродвигателя, сократить себестоимость его производства.

КПД асинхронного двигателя падает почти вдвое при эксплуатации в режиме низких нагрузок – до 30-50 процентов от номинального показателя. Еще один недостаток таких электроприводов состоит в том, что параметры пускового тока почти втрое превышают рабочие показатели. Для уменьшения пускового тока асинхронного двигателя используются частотные преобразователи или устройства плавного пуска.

Асинхронные электродвигатели удовлетворяют требованиям разных промышленных применений:

Для лифтов и другого оборудования, требующего ступенчатого изменения скорости, выпускаются многоскоростные асинхронные приводы.
При эксплуатации лебедок и металлообрабатывающих станков используются электродвигатели с электромагнитной тормозной системой. Это обусловлено необходимостью остановки привода и фиксации вала при перебоях напряжения или его исчезновения.
В процессах с пульсирующей нагрузкой или при повторно-кратковременных режимах могут использоваться асинхронные электродвигатели с повышенными параметрами скольжения.

Вентильные электродвигатели

Группа вентильных электродвигателей включает в себя приводы, в которых регулирование режима эксплуатации осуществляется посредством вентильных преобразователей.

К преимуществам данного оборудования относятся:

Высокий эксплуатационный ресурс.
Простота обслуживания за счет бесконтактного управления.
Высокая перегрузочная способность, которая в пять раз превышает пусковой момент.
Широкий диапазон регулирования частоты вращения, который почти вдвое выше диапазона асинхронных электродвигателей.
Высокий КПД при любой нагрузке – более 90 процентов.
Небольшие габариты.
Быстрая окупаемость.

Мощность электродвигателя

В режиме постоянной или незначительно изменяющейся нагрузки работает большое количество механизмов: вентиляторы, компрессоры, насосы, другая техника. При выборе электродвигателя необходимо ориентироваться на потребляемую оборудованием мощность.

Определить мощность можно расчетным путем, используя формулы и коэффициенты, приведенные ниже.

Мощность на валу электродвигателя определяется по следующей формуле:

где:
Рм – потребляемая механизмом мощность;
ηп – КПД передачи.

Номинальную мощность электродвигателя желательно выбирать больше расчетного значения.

Формула расчета мощности электродвигателя для насоса

где:
K3 – коэффициента запаса, он равен 1,1-1,3;
g –ускорение свободного падения;
Q – производительность насоса;
H – высота подъема (расчетная);
Y – плотность перекачиваемой насосом жидкости;
ηнас – КПД насоса;
ηп – КПД передачи.

Давление насоса рассчитывается по формуле:

Формула расчета мощности электродвигателя для компрессора

Мощность поршневого компрессора легко рассчитать по следующей формуле:

где:
Q – производительность компрессора;
ηk – индикаторный КПД поршневого компрессора (0,6-0,8);
ηп – КПД передачи (0,9-0,95);
K3 – коэффициент запаса (1,05 -1,15).

Значение A можно рассчитать по формуле:

или взять из таблицы

p₂, 10 5 Па	3	4	5	6	7	8	9	10
A, 10 -3 Дж/м³	132	164	190	213	230	245	260	272

Формула расчета мощности электродвигателя для вентиляторов

где:
K3 – коэффициент запаса. Его значения зависят от мощности двигателя:

до 1 кВт – коэффициент 2;
от 1 до 2 кВт – коэффициент 1,5;
5 и более кВт – коэффициент 1,1-1,2.

Q – производительность вентилятора;
H – давление на выходе;
ηв – КПД вентилятора;
ηп – КПД передачи.

Приведенная формула используется для расчета мощности осевых и центробежных вентиляторов. КПД центробежных моделей равен 0,4-0,7, а осевых вентиляторов – 0,5-0,85.

Остальные технические характеристики, необходимые для расчета мощности двигателя, можно найти в каталогах для каждого типа механизмов.

ВАЖНО! При выборе электродвигателя запас мощности должен быть, но небольшой. При значительном запасе мощности снижается КПД привода. В электродвигателях переменного тока это приводит еще и к снижению коэффициента мощности.

Пусковой ток электродвигателя

Зная тип и номинальную мощность электродвигателя, можно рассчитать номинальный ток.

Номинальный ток электродвигателей постоянного тока

Номинальный ток трехфазных электродвигателей переменного тока

где:
PH – номинальная мощность электродвигателя;
UH — номинальное напряжение электродвигателя,
ηH — КПД электродвигателя;
cosfH — коэффициент мощности электродвигателя.

Номинальные значения мощности, напряжения и КПД можно найти в технической документации на конкретную модель электродвигателя.

Зная значение номинального тока, можно рассчитать пусковой ток.

Формула расчета пускового тока электродвигателей

где:
IH – номинальное значение тока;
Кп – кратность постоянного тока к номинальному значению.

Пусковой ток необходимо рассчитывать для каждого двигателя в цепи. Зная эту величину, легче подобрать тип автоматического выключателя для защиты всей цепи.

Режимы работы электродвигателей

Режим работы определяет нагрузку на электродвигатель. В некоторых случаях она остается практически неизменной, в других может изменяться. Характер предполагаемой нагрузки обязательно учитывается при выборе двигателя. Действующими стандартами предусмотрены следующие режимы эксплуатации:

Режим S1 (продолжительный). При таком режиме эксплуатации нагрузка остается постоянной в течение всего времени, пока температура электродвигателя не достигнет необходимого значения. Мощность привода рассчитывается по формулам, приведенным выше.

Режим S2 (кратковременный). При эксплуатации в этом режиме температура двигателя в период его включения не достигает установившегося значения. За время отключения электродвигатель охлаждается до температуры окружающей среды. При кратковременном режиме эксплуатации необходимо проверять перегрузочную способность электропривода.

Режим S3 (периодически-кратковременный). Электродвигатель работает с периодическими отключениями. В периоды включения и отключения его температура не успевает достигнуть заданного значения или охладиться до температуры окружающей среды. При расчете мощности двигателя обязательно учитывается продолжительность пауз и потерь в переходные периоды. При выборе электродвигателя важным параметром является допустимое количество включений за единицу времени.

Режимы S4 (периодически-кратковременный, с частыми пусками) и S5 (периодически-кратковременный с электрическим торможением). В обоих случаях работа двигателя рассматривается по тем же параметрам, что и в режиме эксплуатации S3.

Режим S6 (периодически-непрерывный с кратковременной нагрузкой). Работа электродвигателя в данном режиме предусматривает эксплуатацию под нагрузкой, чередующуюся с холостым ходом.

Режим S7 (периодически-непрерывный с электрическим торможением)

Режим S8 (периодически-непрерывный с одновременным изменением нагрузки и частоты вращения)

Режим S9 (режим с непериодическим изменением нагрузки и частоты вращения)

Большинство моделей современных электроприводов, эксплуатируемых продолжительное время, адаптированы к изменяющемуся уровню нагрузки.

Климатические исполнения электродвигателей

При выборе электродвигателя учитываются не только его технические характеристики, но и условия окружающей среды, в которых он будет эксплуатироваться.

Современные электроприводы выпускаются в разных климатических исполнениях. Категории маркируются соответствующими буквами и цифрами:

У – модели для эксплуатации в умеренном климате;
ХЛ – электродвигатели, адаптированные к холодному климату;
ТС – исполнения для сухого тропического климата;
ТВ – исполнения для влажного тропического климата;
Т – универсальные исполнения для тропического климата;
О – электродвигатели для эксплуатации на суше;
М – двигатели для работы в морском климате (холодном и умеренном);
В – модели, которые могут использоваться в любых зонах на суше и на море.

Цифры в номенклатуре модели указывают на тип ее размещения:

1 – возможность эксплуатации на открытых площадках;
2 – установка в помещениях со свободным доступом воздуха;
3 – эксплуатация в закрытых цехах и помещениях;
4 – использование в производственных и других помещениях с возможностью регулирования климатических условий (наличие вентиляции, отопления);
5 – исполнения, разработанные для эксплуатации в зонах повышенной влажности, с высоким образованием конденсата.

Энергоэффективность

Рациональное потребление энергии при сохраняющейся высокой мощности сокращает текущие производственные затраты при одновременном увеличении производительности электродвигателя. Поэтому при выборе привода обязательно учитывается класс энергоэффективности.

В технической документации и каталогах обязательно указывается класс энергоэффективности двигателя. Он зависит от показателя КПД.

Электропривод установки должен полностью удовлетворять требования технологического процесса и соответствовать условиям окружающей среды в процессе эксплуатации. В тоже время для электропривода следует выбирать наиболее простой двигатель по устройству и управлению, надежный в эксплуатации, имеющий наименьшую массу, габариты и стоимость.

Выбор электрических двигателей производится с учетом следующих параметров и показателей:

- рода тока и номинального напряжения;

- номинальной мощности и скорости;

- способа пуска и торможения;

- особенности регулирования скорости;

- конструктивного исполнения двигателя.

Наиболее простыми в отношении устройства и управления, надежными в эксплуатации, имеющими наименьшую массу, габариты при заданной мощности являются асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором.

Выбор двигателей по защите от действия окружающей среды должен производиться в соответствии с условиями, в которых он будет работать.

Надежность работы электропривода и его экономичность зависят от правильного выбора мощности двигателя в соответствии с нагрузкой на его валу обеспечивает надежную и экономичную работу электропривода, минимальную стоимость оборудования и наименьшие потери энергии при эксплуатации механизма. Недостаточная мощность двигателя приводит к его перегрузке, вызывает недопустимые превышения температуры отдельных частей, сокращающие срок службы изоляции обмоток, влечет собой быстрый выход двигателя из строя. Если мощность двигателя излишняя, повышаются первоначальные затраты, увеличиваются габариты, масса и стоимость, возрастают эксплуатационные расходы в связи со снижением коэффициента мощности и КПД.

Расчет мощности двигателей для разных видов механизмов и станков имеет существенные отличия.

Основными элементами режима резания при фрезеровании являются глубина резания и ширина резания фрезерования. Выполним расчет мощности электродвигателя главного привода М1 по следующей формуле:

где Рz – мощность резания, кВт;

– КПД станка при номинальной нагрузке (0,75…0,8);

Fz – усилие резания или наибольшее тяговое усилие, Н;

vz – наибольшая скорость быстрого перемещения, м/мин.

По техническим характеристикам станка усилие резания Fz =0,2 Н, наибольшая скорость быстрого перемещения vz=3000 мм/мин.

Для привода главного движения станка выбираем асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором типа 4А180М8/6/4–У3.

Мощность на валу двигателя, кВт 12,5

Число оборотов в минуту, об/мин

- на первой скорости 735

- на второй скорости 985

- на третей скорости 1420

КПД при номинальной нагрузке, % 83

cos при номинальной нагрузке 0,93

Электродвигатели серии 4А по сравнению с электродвигателями серии А2 и А02 имеют меньшую массу (в среднем 18%), габариты, уровень шума и вибраций, большие пусковые моменты и повышенную эксплуатационную надежность.

Выполним расчет мощности электродвигателя привода гидравлики М2, исходя из номинального вращающегося момента.

Двигатель развивает номинальный вращающий момент Мн при номинальной скорости вращения nн. Поэтому, если исходя из технологических условий и режимов работы механизма, известен номинальный вращающий момент, то найти мощность двигателя можно по следующей формуле:

По техническим характеристикам станка номинальный вращающий момент Мн = 10,5 Н*м.

Для привода подач М2 станка выбираем асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором типа 4А80В6–У3.

Мощность на валу двигателя, кВт 1,1

Число оборотов в минуту, об/мин 1000

КПД при номинальной нагрузке, % 74,0

cos при номинальной нагрузке 0,74

Выполним расчет мощности электронасоса смазки М3 по следующей формуле:

где – коэффициент запаса (1,1…1,5);

– плотность жидкости, Н/м 3

– КПД насоса (0,6…0,9);

– подача насоса, м 3 /с.

По техническим характеристикам станка подача насоса =0,41 м 3 /с, плотность жидкости =19000 Н/м 3 , напор Н=5 м.

В качестве электронасоса смазки выбираем насос типа ПА–22У2.

Мощность на валу двигателя, кВт 0,12

Число оборотов в минуту, об/мин 2800

КПД при номинальной нагрузке, % 80

Производительность, л/мин 22

Выполним расчет мощности электродвигателя привода шнека М4 по формуле [2.2]. По техническим характеристикам станка номинальный вращающий момент Мн = 3,5 Н*м.

Для привода подач станка выбираем асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором типа 4А71А4–У3.

Мощность на валу двигателя, кВт 0,55

Число оборотов в минуту, об/мин 1390

КПД при номинальной нагрузке, % 70,5

cos при номинальной нагрузке 0,7

Выполним расчет мощности электродвигателя привода шнека М5 по формуле [2.2]. По техническим характеристикам станка номинальный вращающий момент Мн = 25,5 Н*м.

Для привода подач станка выбираем асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором типа 4А100LB4–У3.

Мощность на валу двигателя, кВт 4,0

Число оборотов в минуту, об/мин 1430

КПД при номинальной нагрузке, % 84,0

cos при номинальной нагрузке 0,84

Выполним расчет мощности электронасоса охлаждения М5 по следующей формуле:

где – коэффициент запаса (1,1…1,5);

– плотность жидкости, Н/м 3

– КПД насоса (0,6…0,9);

– подача насоса, м 3 /с.

По техническим характеристикам станка подача насоса =0,35 м 3 /с, плотность жидкости =11000 Н/м 3 , напор Н=5 м.

В качестве электронасоса смазки выбираем насос типа ПА–22У2.

Мощность на валу двигателя, кВт 0,12

Число оборотов в минуту, об/мин 2800

КПД при номинальной нагрузке, % 80

Производительность, л/мин 22

Выполним расчет мощности электродвигателя привода периодической передвижки фрезы М7 по формуле [2.2]. По техническим характеристикам станка номинальный вращающий момент Мн = 2,4 Н*м.

Для привода подач станка выбираем асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором типа 4АА63В4–У3.

Изучение методики расчета и выбора электродвигателя для лифтов, построение графиков.

Получение практических навыков.

Порядок проведения работы:

Изучить методику расчета электрооборудования лифтов, построения графиков нагрузки.

Научиться пользоваться справочными данными по выбору электродвигателей, изучение методики проверочного расчета.

Получить индивидуальное задание для производства расчета.

Основные положения:

Расчет электрооборудования лифтов сводится к определению мощности электродвигателя привода подъёмного механизма, являющегося основным звеном в электрической части лифта. При рассмотрении 2-х методов в расчете мощности электродвигателя встречается необходимость использования следующих величин.

Вес поднимаемого груза с учетом загрузки кабины:

где G₀ – вес кабины.

3) Изменение тягового усилия в зависимости от предполагаемых остановок кабины:

где - порядковый номер предполагаемой остановки (таблица 1)

изменение груза кабины на предполагаемых остановках

принимается равномерное:

- вес противовеса

- сумма веса кабины и поднимаемого груза.

Таблица 1 – Количество вероятных остановок лифта

4) Количество человек в кабине при среднем весе пассажира 70 кг:

5) Тяговое усилие при полностью загруженной кабине, стоящей на первом этаже:

6) Моменты, соответствующие тяговым усилиям (кг):

где (д- двигательный, г – генераторный) к_д = Д/2iη; к_г = Дη/2i;

Д – диаметр канатоведущего шкива (и);

i – передаточное число

7) Время ускорения и замедления кабины определяется по табл. 2 t₁(сек).

8) Суммарное время ускорения и замедления за полный рейс кабины:

9) Время равномерного движения кабины между предполагаемыми остановками:

где h – расстояние между этажами, м;

n_э – количество этажей;

S₁ = () t₁k, м;

10) Время равномерного движения кабины вверх:

11) Время равномерного движения кабины вниз:

где S₂ = () t₁, м;

12) Время движения кабины за полный рейс без учета времени стоянки (время стоянки t₀=17 сек).

13) Время открывания и закрывания дверей и включение двигателя t₄, сек. По табл. 2 за полный рейс кабины:

14) Время выхода и входа одного пассажира из кабины принимается t₅=1 сек. За полный рейс кабины:

15) время остановок кабины за полный рейс:

16) Время полного рейса кабины:

С учетом дополнительного времени: Т = Т’ + 0,1T’, сек.

17) Продолжительность включению двигателя:

ПВ =

18) Среднеквадратичный момент двигателя при ПВ:

19) Перерасчет среднеквадратичного момента двигателя на стандартную ПВ_ст: 15, 25, 40, 60, 75%:

20) Частота вращения двигателя:

где i – передаточное число редуктора;

Д – диаметр канатоведущего шкива, м.

21) Мощность электродвигателя

22) Максимально возможный момент на валу двигателя:

23) Номинальная мощность электродвигателя также определяется среднеквадратичным значением мощности за время действительной работы электродвигателя, т.е. с учетом времени пуска, торможения, подъема, спуска:

где Р_под – мощность при подъеме, кВт;

Р_сп – мощность при спуске.

24) Мощность двигателя при подъеме

где - статический момент сопротивления на валу

двигателя при подъеме;

- КПД системы

25) Мощность двигателя при пуске:

где (Н) - статический момент сопротивления на валу

двигателя при спуске;

26) Время подъема кабины:

27) Время спуска кабины:

28) Время паузы:

29) Построение графиков нагрузи механизма лифта производится при расчете первым методом. Перед построением графиков данные расчета сводятся в таблицы. Графики нагрузки представляют собой зависимости , т. к.кроме нахождения статической нагрузки, весьма существенным является определение количества остановок, которые делает кабина при движении, а также расчет времени стоянки, ускорения, замедления на каждом этаже.

Первый график строится после определения изменения тягового усилия в зависимости от предполагаемых остановок кабины. Второй – при проведении поверочного расчета.

30) Выбор мощности двигателя лифта заключается в предварительном подборе двигателя по максимальному поднимаемому грузу с учетом загрузки кабины в установившемся режиме работы и в последующей проверке на нагрев в соответствии с графиком статической нагрузки и учетом переходных процессов при пуске и торможении двигателя. По табл. 3 выбирается двигатель ближайшей большей мощности (по сравнению с расчетной) с периодичностью включения, принятой в расчете. И далее выполняется проверочный расчет:

а) время пуска двигателя на каждом участке (принимается средний пусковой момент М_п = 1,6 М_н, где М_н = М_э):

где - приведенный к валу двигателя маховый момент.

Время равномерного движения кабины не требует уточнения, т. к. скорость при изменении нагрузки колеблется в пределах 3%.

б) поверочный расчет двигателя на нагрев с приближенным учетом влияния переходных процессов при расчетном ПВ:

в) эквивалентный поверочный момент с пересчетом на стандартную ПВ:

г) мощность поверочная:

Если мощность при поверочном расчете получится больше расчетной, то следует выбирать двигатель по справочнику следующей ближайшей мощности.

Определение номинальной мощности двигателя при длительной переменной нагрузке производится по методу эквивалентных величин (тока, момента, мощности). Эквивалентными называются такие постоянные значения тока, момента, мощности, при которых в двигателе имеют место такие же мощности потерь, как и при работе этого двигателя с переменной нагрузкой.

На практике чаще приходиться оперировать нагрузочными моментами. Поэтому используют метод эквивалентного момента для рабочей части цикла.

где – время работы при постоянном моменте нагрузки ;

– время работы при постоянном моменте нагрузки и т. д.

Мощность, соответствующая эквивалентному моменту, определяется по формуле

где – частота вращения рабочей машины, об/мин.

По каталогу выбирают электродвигатель с номинальной мощностью

Выбранный двигатель проверяют на перегрузочную способность и по пусковому моменту. При проверке на перегрузочную способность должно выполняться условие

где – критический (максимальный) момент двигателя;

– максимальный статический момент по нагрузочной диаграмме;

0,85 – коэффициент, учитывающий возможное снижение напряжения.

где – перегрузочная способность двигателя или кратность максимального момента (из каталога );

– номинальный момент двигателя, .

При проверке по пусковому моменту должно выполняться условие

где – пусковой статический момент по нагрузочной диаграмме;

– пусковой момент двигателя,

где – кратность пускового момента (принимается по каталогу ).

Если двигатель не удовлетворяет условиям пуска или перегрузки, то следует выбрать двигатель большей мощности.

Пример 2. Определить мощность и выбрать по каталогу асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором для привода производственного механизма со степенью защиты IP55, нагрузочная диаграмма которого изображена на рис. 4. Частота вращения .

Рис. 4. Нагрузочная диаграмма

Данные нагрузочной диаграммы (см. рис. 4): ; ; ; ; ; ; ; .

Решение

Находим эквивалентный момент по формуле (2)

Эквивалентная мощность по выражению (3)

Выбираем по каталогу двигатель (см. табл. П. 4) RAM180М4; ; ; ; ; ; ; .

Проверяем выбранный двигатель на перегрузочную способность, определяем номинальный момент двигателя

Критический момент двигателя .

Максимальный статический момент по нагрузочной диаграмме (см. рис. 4), проверяем на перегрузочную способность по условию выражения (4) . Условие формулы (4) выполняется, так как > 170 двигатель по перегрузочной способности подходит.

Проверяем выбранный двигатель по пусковому моменту .

Пусковой статический момент по нагрузочной диаграмме (см. рис. 4) .

Условие формулы (5) выполняется, так как 298,29 >120, двигатель запустится.

Правильность подбора электродвигателя, учитывающая специфику приводного механизма, условия работы и окружающей среды, определяет длительность безаварийной работы и надежность системы «двигатель – нагрузка».

Далее приведены рекомендации по выбору электродвигателя (последовательность, в которой они представлены, не является обязательной).

На первом этапе необходимо определиться с типом электрического двигателя. Ниже даны краткое описание, преимущества и недостатки, сферы предпочтительного применения основных типов двигателей.

Типы электрических двигателей

Двигатели постоянного тока

Основным преимуществом данных двигателей, которое определяло повсеместное их использование на этапе развития электрических приводов, является легкость плавного регулирования скорости в широких пределах. Поэтому с развитием полупроводниковой промышленности и появлением относительно недорогих преобразователей частоты процент их использования постоянно уменьшается. Там, где это возможно двигатели постоянного тока заменяются приводами на основе асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором.

Основные недостатки двигателя постоянного тока (невысокая надежность, сложность обслуживания и эксплуатации) обусловлены наличием коллекторного узла. Кроме того, для питания двигателя необходим источник постоянного тока или тиристорный преобразователь переменного напряжения в постоянное. При всех своих недостатках двигатели постоянного тока обладают высоким пусковым моментом и большой перегрузочной способностью. Что определило их использование в металлургической промышленности, станкостроении и на электротранспорте.

Синхронные двигатели

Основным преимуществом данных двигателей является то, что они могут работать с коэффициентом мощности cosφ=1, а в режиме перевозбуждения даже отдавать реактивную мощность в сеть, что благоприятно сказывается на характеристиках сети: увеличивается ее коэффициент мощности, уменьшаются потери и падение напряжения. Кроме того, синхронные двигатели устойчивы к колебаниям сети. Максимальный момент синхронного двигателя пропорционален напряжению, при этом момент асинхронного двигателя пропорционален квадрату напряжения. Следовательно, при снижении напряжения синхронный двигатель сохраняет большую перегрузочную способность, а возможность форсировки возбуждения увеличивает надежность их работы при аварийных понижениях напряжения. Больший воздушный зазор по сравнению с асинхронным двигателем и применение постоянных магнитов делает КПД синхронных двигателей выше. Их особенностью также является постоянство скорости вращения при изменении момента нагрузки на валу.

При всех достоинствах синхронного двигателя основными недостатками, ограничивающими их применение являются сложность конструкции, наличие возбудителя, высокая цена, сложность пуска. Поэтому синхронные двигатели преимущественно используются при мощностях свыше 100 кВт.

Основное применение – насосы, компрессоры, вентиляторы, двигатель-генераторные установки.

Асинхронные двигатели

По конструктивному принципу асинхронные двигатели подразделяются на двигатели с короткозамкнутым и фазным ротором. При этом большинство используемых электродвигателей являются асинхронными с короткозамкнутым ротором. Столь широкое применение обусловлено простотой их конструкции, обслуживания и эксплуатации, высокой надежностью, относительно низкой стоимостью. Недостатками таких двигателей являются большой пусковой ток, относительно малый пусковой момент, чувствительность к изменениям параметров сети, а для плавного регулирования скорости необходим преобразователь частоты. Кроме того, асинхронные двигатели потребляют реактивную мощность из сети. Предел применения асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором определяется мощностью системы электроснабжения конкретного предприятия, так как большие пусковые токи при малой мощности системы создают большие понижения напряжения.

Использование асинхронных двигателей с фазным ротором помогает снизить пусковой ток и существенно увеличить пусковой момент, благодаря введению в цепь ротора пусковых реостатов. Однако, ввиду усложнения их конструкции, и как следствие, увеличения стоимости их применение ограничено. Основное применение – приводы механизмов с особо тяжелыми условиями пуска. Для уменьшения пусковых токов асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором может быть использовано устройство плавного пуска или преобразователь частоты.

В системах, где необходимо ступенчатое изменение скорости (например, лифты) используют многоскоростные асинхронные двигатели. В механизмах, требующих остановки за определенное время и фиксации вала при исчезновении напряжения питания, применяются асинхронные двигатели с электромагнитным тормозом (металлообрабатывающие станки, лебедки). Существуют также асинхронные двигатели с повышенным скольжением, которые предназначены для работы в повторно-кратковременных режимах, а также режимах с пульсирующей нагрузкой.

После того, как определен тип электродвигателя, полностью учитывающий специфику рабочего механизма и условия работы, необходимо определиться с рабочими параметрами двигателя: мощностью, номинальным и пусковым моментами, номинальными напряжением и током, режимом работы, коэффициентом мощности, классом энергоэффективности.

Мощность и моменты

В общем случае для квалифицированного подбора электродвигателя должна быть известна нагрузочная диаграмма механизма. Однако, в случае постоянной или слабо меняющейся нагрузки без регулирования скорости достаточно рассчитать требуемую мощность по теоретическим или эмпирическим формулам, зная рабочие параметры нагрузки. Ниже приведены формулы для расчета мощности двигателя P₂ [кВт] некоторых механизмов.

где Q [м 3 /с] – производительность вентилятора,

Н [Па] – давление на выходе вентилятора,

η_вент, η_пер – КПД вентилятора и передаточного механизма соответственно,

где Q [м 3 /с] – производительность насоса,

g=9,8 м/с 2 – ускорение свободного падения,

H [м] – расчетная высота подъема,

ρ [кг/м 3 ] – плотность перекачиваемой жидкости,

η_нас, η_пер – КПД насоса и передаточного механизма соответственно,

где Q [м 3 /с] – производительность компрессора,

А [Дж/м 3 ] – работа изотермического и адиабатического сжатия атмосферного воздуха объемом 1 м 3 давлением 1,1·10 5 Па до требуемого давления,

η_компр, η_пер – КПД компрессора и передаточного механизма соответственно,

Кроме того, необходимо сопоставить пусковой момент двигателя (особенно в случае асинхронного с короткозамкнутым ротором) и рабочего механизма, так как некоторые механизмы имеют повышенное сопротивление в момент трогания. Следует иметь в виду и то обстоятельство, что при замене трехфазного асинхронного двигателя на однофазный пусковой момент последнего почти в три раза меньше и механизм, успешно функционировавший ранее, может не тронуться с места.

Развиваемый электродвигателем момент M [Нм] и полезная мощность на валу Р₂ [кВт] связаны следующим соотношением

Полная мощность, потребляемая из сети:

для двигателей постоянного тока (она же активная)

для двигателей переменного тока

при этом потребляемые активная и реактивная мощности соответственно

В случае синхронного двигателя значение Q₁ может получиться отрицательным, это означает, что двигатель отдает реактивную мощность в сеть.

Важно отметить следующее. Не следует выбирать двигатель с большим запасом по мощности, так как это приведет к снижению его КПД, а в случае двигателя переменного тока также к снижению коэффициента мощности.

Напряжение и ток

При выборе напряжения электродвигателя необходимо учитывать возможности системы энергоснабжения предприятия. При этом нецелесообразно при больших мощностях выбирать двигатель с низким напряжением, так как это приведет к неоправданному удорожанию не только двигателя, но и питающих проводов и коммутационной аппаратуры вследствие увеличения расхода меди.

Если при трогании момент сопротивления нагрузки невелик и для уменьшения пусковых токов асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором может быть применен способ пуска с переключением со «звезды» на «треугольник», необходимо предусмотреть вывод в клеммную коробку всех шести зажимов обмотки статора. В общем случае применение схемы соединения «звезда» является предпочтительным, так как в схеме «треугольник» имеется контур для протекания токов нулевой последовательности, которые приводят к нагреву обмотки и снижению КПД двигателя, в соединении «звезда» такой контур отсутствует.

Режим работы

Нагрузка электродвигателя в процессе работы может изменяться различным образом. ГОСТом предусмотрены восемь режимов работы.

Продолжительный S1 – режим работы при постоянной нагрузке в течение времени, за которое температура двигателя достигает установившегося значения. Мощность двигателя, работающего в данном режиме, рассчитывается исходя из потребляемой механизмом мощности. Формулы расчета мощности некоторых механизмов (насос, вентилятор, компрессор) приведены выше.
Кратковременный S2 – режим, при котором за время включения на постоянную нагрузку температура двигателя не успевает достичь установившегося значения, а за время отключения двигатель охлаждается до температуры окружающей среды. В случае использования двигателя S1 для работы в режиме S2 необходимо проверить его только по перегрузочной способности, так как температура не успевает достичь допустимого значения.
Повторно-кратковременный S3 – режим с периодическим отключением двигателя, при котором за время включения температура не успевает достичь установившегося значения, а за время отключения – температуры окружающей среды. Расчет мощности электродвигателя обычного исполнения для работы в режиме S3 производится по методам эквивалентных величин с учетом пауз и потерь в переходных режимах. Кроме того, двигатель необходимо проверить на допустимое число включений в час. В случае большого числа включений в час рекомендуется использовать двигатели с повышенным скольжением. Данные электродвигатели обладают повышенным сопротивлением обмотки ротора, а, следовательно, меньшими пусковыми и тормозными потерями.
Повторно-кратковременный с частыми пусками S4 и повторно-кратковременный с частыми пусками и электрическим торможением S5. Данные режимы рассматриваются аналогично режиму S3.
Перемежающийся S6 – режим, при котором работа двигателя под нагрузкой, периодически заменяется работой на холостом ходу. Большинство двигателей, работающих в продолжительном режиме, имеют меняющийся график нагрузки.

При этом для обоснованного выбора двигателя с целью оптимального его использования рекомендуется применять методы эквивалентных величин.

Класс энергоэффективности

В настоящее время вопросам энергоэффективности уделяется огромное внимание. При этом под энергоэффективностью понимается рациональное использование энергетических ресурсов, с помощью которого достигается уменьшение потребления энергии при том же уровне мощности нагрузки. Основным показателем энергоэффективности двигателя является его коэффициент полезного действия

где Р₂ – полезная мощность на валу, Р₁ – потребляемая активная мощность из сети.

Стандартом IEC 60034-30 для асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором были установлены три класса энергоэффективности: IE1, IE2, IE3.

Рис. 1. Классы энергоэффективности

Так, например, использование двигателя мощностью 55 кВт повышенного класса энергоэффективности позволяет сэкономить около 8000 кВт в год от одного двигателя.

Степень защиты IP, виды климатических условий и категорий размещения

ГОСТ Р МЭК 60034-5 – 2007 устанавливает классификацию степеней защиты, обеспечиваемых оболочками машин.

Обозначение степени защиты состоит из букв латинского алфавита IP и последующих двух цифр (например, IP55).

Большинство электродвигателей, выпускаемых в настоящее время, имеют степени защиты IP54 и IP55.

Категория размещения обозначается цифрой:

1 – на открытом воздухе;

2 – под навесом при отсутствии прямого солнечного воздействия и атмосферных осадков;

3 – в закрытых помещениях без искусственного регулирования климатических условий;

4 – в закрытых помещениях с искусственно регулируемыми климатическими условиями.

Климатические условия:

У – умеренный климат;

УХЛ – умеренно холодный климат;

ХЛ – холодный климат;

Т – тропический климат.

Таким образом, при выборе электродвигателя необходимо учитывать условия окружающей среды (температура, влажность), а также необходимость защиты двигателя от воздействия инородных предметов и воды.

Например, использование электродвигателя с типом климатического исполнения и категорией размещения У3 на открытом воздухе является недопустимым.

Усилия, действующие на вал двигателя со стороны нагрузки

Наиболее нагруженными в двигателе являются подшипниковые узлы. Поэтому при выборе двигателя должны быть учтены радиальные и осевые усилия, действующие на рабочий конец вала двигателя со стороны нагрузки. Превышения допустимых значений сил приводит к ускоренному выходу из строя не только подшипников, но и всего двигателя (например, задевание ротора о статор).

Обычно допустимые значения сил для каждого подшипника приведены в каталогах. Рекомендуется в случае повышенных радиальных усилий (ременная передача) на рабочий конец вала установить роликовый подшипник, при этом предпочтительным является двигатель с чугунными подшипниковыми щитами.

Особенности конструкции двигателя при работе от преобразователя частоты

В настоящее время все большее распространение приобретает использование частотно-регулируемого привода (ЧРП), выполненного на основе асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором.

При использовании частотно-регулируемого привода достигается:

1. экономия электроэнергии;

2. плавность пуска и снижение пусковых токов;

3. увеличение срока службы двигателя.

В общем случае стандартный электродвигатель нельзя использовать в составе частотно-регулируемого привода, так как при уменьшении скорости вращения снижается эффективность охлаждения. При регулировании скорости вверх от номинальной резко увеличивается нагрузка от собственного вентилятора. В обоих случаях уменьшается нагрузочная способность двигателя. Кроме того, в случае использования двигателя в системах точного регулирования необходим датчик положения ротора двигателя.

При работе электродвигателя от преобразователя частоты в контуре вал – фундаментная плита могут протекать токи. При этом возникает точечная эрозия на шариках и роликах, на беговых кольцах подшипников качения, а также на баббитовой поверхности подшипников скольжения. От электролиза смазка чернеет, подшипники греются. Для разрыва контура прохождения подшипниковых токов на неприводной конец вала устанавливается изолированный подшипник. При этом по условиям безопасности установка изолированных подшипников с двух сторон двигателя не допустима.

Величина подшипниковых токов становится опасной для безаварийной работы двигателя при напряжении между противоположными концами вала более 0,5 В. Поэтому установка изолированного подшипника обычно требуется для электродвигателей с высотой оси вращения более 280 мм.

Примечание

Необходимо отметить, что в случае отклонения условий эксплуатации двигателя (например, температуры окружающей среды или высоты над уровнем моря), мощность нагрузки должна быть изменена. Кроме того, при снижении мощности нагрузки в определенные моменты времени для рационального использования двигателя может быть изменена схема соединения обмотки, а, следовательно, и фазное напряжение.

Читайте также: