Основи вибору потужності двигунів

2.7.1 Методичні вказівки до вивчення теми Приступаючи до проробки даної теми, слід пам’ятати, що надійна та економічна робота електропривода можлива тільки при правильному виборі потужності електродвигуна. Потужність двигуна треба вибирати у строгій відповідності з режимом роботи виконавчого моменту та очікуваним навантаженням.

При установці двигуна завищеної потужності невиправдано зростають габарити машини, її вага, первісна вартість, погіршуються енергетичні показники – ККД, коефіцієнт потужності. Зниження установленої потужності у порівнянні з потрібною тягне за собою перегрів машини, і як наслідок, можливість швидкого виходу її з ладу.

Правильний вибір потужності двигуна має народногосподарче значення, оскільки значна частина вироблюваної в країні енергії перетворюється в механічну за допомогою електроприводів. Разом з тим різноманітність умов роботи виконавчих механізмів і зумовлених цим вимог до електроприводів сильно ускладнює вибір потужності двигунів.

Слід пам’ятати, що при виборі потужності двигуна звичайно виходять з двох основних факторів: миттєвого перевантаження і нагріву.

Значення миттєвого перевантаження двигуна постійного струму головним чином визначається умовами безіскряної комутації. Перевантажувальна здатність асинхронних двигунів обмежується значенням критичного моменту з урахуванням можливого зниження напруги мережі. Миттєва перевантажувальна здатність синхронних двигунів визначається максимальним моментом.

Номінальна потужність двигунів обмежується її нагрівом, допустима величина якого визначається ізолюючими матеріалами, оскільки вони у даному випадку є найменш теплостійкими.

Техніко-економічні міркування вимагають, щоб строк служби ізоляції в умовах нормальної експлуатації електродвигунів був не менш нормативного (біля 15 років). Однак не слід забувати, що він чимало залежить від протікання теплових процесів в машині. Якщо робота двигуна протікає з різкими коливаннями температури, строк служби ізоляції значно знижується. Щоб зрозуміти фізичну суть методів розрахунку потужності двигунів, необхідно детально і глибоко вивчити основи теорії нагріву електричних машин.

Теорія нагріву електричних машин, що викладається в навчальній літературі з електроприводу, дає лише приблизну якісну характеристику протікання процесів змінення температури машин від часу. Дана теорія ґрунтується на спрощеному диференційному рівнянні нагріву, найголовніше допущення якого полягає в однорідності маючого безкінечну теплопровідність тіла, тобто в прийнятті однакової температури любих точок двигуна незалежно від часу.

Насправді, температура різних точок двигуна різна і залежить від багатьох факторів. Тому при вивченні питань вибору потужності двигуна з умов нагріву треба мати на увазі указане допущення теорії нагріву. Недооцінка цього допущення може привести до неправильних висновків при аналізі теплових процесів в двигуні.

Вивчаючі методи розрахунку потужності двигуна, необхідно звернути увагу на те, що навантажувальні діаграми виконавчого механізму і електродвигуна не співпадають. Навантажувальні діаграми двигуна ураховують, крім моменту статичного опору, динамічні моменти, що виникають при пуску, реверсі і гальмуванні. Виходячи з цього, вибір потужності двигуна, як правило, ведеться у два етапи. З початку на підставі навантажувальної діаграми виконавчого механізму здійснюється попередній вибір потужності двигуна і по каталогу визначається момент інерції його якоря (ротора). Далі будується навантажувальна діаграма електропривода, яка ураховує динамічні моменти, з допомогою якої уточнюється потужність електродвигуна.

Тільки в обмеженій кількості випадків, коли для двигунів характер протікання перехідних процесів не є суттєвим, вибір потужності електричної машини може бути здійснений на підставі навантажувальної діаграми робочої машини. Однак не слід забувати, що й у цьому випадку необхідна перевірка двигуна на миттєву перевантажувальну здатність по максимальному моменту статичного опору.

Проробляючи дану тему, необхідно звернути увагу на методику розрахунку втрат електроенергії в перехідних режимах електроприводів постійного і змінного струму, а також на способи їх зменшення. Слід вивчити теплові режими роботи S1…S8 двигунів і розуміти, в яких з них можна знехтувати втратами в перехідних процесах електроприводів, в яких – ні.

Необхідно твердо засвоїти різні методи вибору потужності двигунів і усвідомити області застосуванні цих методів. Слід запам’ятати, що вибір того чи іншого методу розрахунку потужності в основному залежить від режиму роботи двигуна – тривалого, короткочасного та повторно-короткочасного.

Розглядаючи ці питання,слід глибоко проаналізувати наступні положення: урахування при виборі потужності двигуна тривалого режиму роботи відхилення температури навколишнього середовища від стандартного значення 40 ⁰С; порядок перерахунку втрат з ідеалізованого графіка навантаження двигуна, працюючого в короткочасному режимі при дійсній тривалості робочого участку, на каталожну тривалість за умовою однакової кінцевої температури перегріву двигуна; порядок перерахунку потужності двигуна з фактичної тривалості включення повторно-короткочасного режиму роботи на каталожну, а також з однієї каталожної тривалості включення на другу.

Вивчаючи метод середніх втрат, необхідно звернути увагу на те, що даний метод є одним з найточніших методів визначення потужності двигуна. Він ґрунтується на урахуванні середнього нагріву двигуна. Однак вирази для середніх втрат, що зустрічаються в навчальній літературі, правдиві для двигунів з незалежною вентиляцією і для двигунів з самовентиляцією, працюючих з постійною швидкістю обертання поблизу номінального значення. При використанні даних виразів для двигунів з самовентиляцією, що працюють зі змінною швидкістю обертання, необхідно урахувати вплив погіршення умов охолодження при зменшенні швидкості і зупинці двигуна.

Метод еквівалентного струму через наявність пауз в робочому циклі дає похибку у визначенні потужності двигуна, яка тим більша, чим більша тривалість виключеного стану двигуна.

Для розрахунку потужності більш зручним є метод еквівалентного моменту, оскільки він не потребує переходу від механічних величин (моментів), для яких звичайно будуються навантажувальні діаграми механізмів, до струму двигуна. Однак даний метод застосовується тільки для електроприводів з двигунами постійного струму незалежного збудження, які працюють з номінальним магнітним потоком, та асинхронних двигунів, які працюють з навантаженням близьким до номінального. Тільки в перелічених випадках з певними допущеннями може бути прийнята пропорційність між моментом двигуна і струмом якоря або ротора. Коли ж момент двигуна не пропорційний струму, в формулу еквівалентного моменту слід вносити відповідні поправки.

Область застосування метода еквівалентної потужності обмежується випадками роботи електродвигуна з постійною швидкістю, або зі змінною швидкістю при упровадженні у формулу еквівалентної потужності поправочних коефіцієнтів.

2.7.2 Література: /1/ - Розд. 11 (п.п. 11.1…11.7); /2/ - гл. 5 (п.п. 5.1…5.7); /3/ - гл. 9 (п.п. 9.1…9.9); /4/ - гл. 9 (п.п. 9.1…9.3, 9.4 (с. 359…363), 9.5…9.7).

2.7.3 Питання до самоперевірки

1. За якими умовами проводиться попередній вибір потужності двигуна?

2. Перелічіть головні допущення класичної теорії нагріву електричних машин.

3. Дайте класифікацію навантажувальних діаграм електроприводів. У чому полягає різниця між навантажувальними діаграмами електродвигуна і виконавчого механізму?

4. Перелічіть класи ізоляції електродвигунів і укажіть їхню допустиму температуру нагріву.

5. Як визначається стала часу нагріву і яка її розмірність?

6. Дайте характеристику тривалого, короткочасного і повторно-короткочасного режимів роботи.

7. Покажіть можливість перерахунку потужності двигуна з однієї тривалості включення на другу.

8. Як визначається допустиме навантаження двигуна при температурі навколишнього середовища, відмінній від розрахункової (номінальної)?

9. У чому полягають особливості розрахунку потужності двигунів електроприводів, що регулюються?

10. Для яких двигунів і для яких режимів їх роботи можна застосувати формули середніх втрат і середньоквадратичних величин струму, моменту, швидкості?

11. Розкажіть про послідовність розрахунку і вибору потужності двигуна.

12. Напишіть залежність, придатну для визначення максимального перегріву двигуна наприкінці останньої ланки циклу при роботі його за будь-яким багатоступінчастим графіком циклічного змінного навантаження.

13. Що таке термічний і механічний коефіцієнти навантаження?

14. Які фактори визначають перевантажувальну здатність двигунів постійного і змінного струму?

15. Як перераховуються втрати короткочасного графіка навантаження двигуна з дійсної тривалості роботи на каталожну?

16. Дайте техніко-економічне обґрунтування вибору привідного двигуна.