Методика выбора электроприводов

Проектирование оптимального электропривода состоит из следующих стадий разработки:

1. Выбор по техническим характеристикам

1.1. По напряжению и роду тока;

1.2. По климатическому исполнению, категории размещения и степени защиты от воздействия окружающей среды;

1.3. По мощности (характеру и значению нагрузки) или току;

1.4. По частоте вращения;

1.5. По степени автоматизации;

2. Выбор по технико-экономическим критериям

2.1. По показателям надежности;

2.2. По технико-экономической эффективности.

Выбор электропривода по напряжению и роду тока, как и другие виды электрооборудования, прежде всего определяется технологией производственного процесса объекта проектирования, источников питания электроэнергией. Наиболее широко для электроснабжения сельскохозяйственных потребителей применяется трехфазная система распределения напряжением 0,4/0,22 кВ переменного тока.

В качестве электропривода сельскохозяйственных машин и установок в большинстве случаев применяют короткозамкнутые асинхронные двигатели, которые достаточно просты и относительно надежны в работе. Для потребителей, требующих большой пусковой момент и незначительный пусковой ток, применяют асинхронные электродвигатели с фазным ротором, кроме того, их целесообразно устанавливать при питании от источников небольшой мощности, так как короткозамкнутые двигатели не удовлетворяют по условию пуска. Электробытовые приборы и установки комплектуются, как правило, однофазными асинхронными электродвигателями.

Поскольку электротехнологические установки комплектуются, как правило, при выпуске с завода, то необходимость выбора электропривода возникает для уточнения расчетной мощности только на основании задания на проектирование или по каким-то другим причинам.

Выбор по условиям окружающей среды, степени защиты и категории размещения рассмотрен в п. 3.2.

В общем случае электродвигатели по мощности выбирают из условия равенства его номинальной мощности и мощности, потребляемой рабочим агрегатом. Характер нагрузочной диаграммы при этом является решающим. По фактической потребляемой мощности выбор двигателя производят при длительной неизменной нагрузке; по средней мощности выбор осуществляется при мало изменяющейся во времени нагрузке (коэффициент вариации менее 20%); в случае переменной нагрузки - выбор делают по эквивалентной расчетной мощности (среднеквадратичной мощности). Выбранный двигатель проверяют на перегрузочную способность, по условию пуска и по частоте включений.

Для продолжительного режима работы с постоянной нагрузкой при известной мощности на валу рабочей машины мощность электродвигателя вычисляют по выражению

(6.1.)

где Р_м - максимальная мощность на валу машины, Вт;

- КПД (коэффициент полезного действия) передачи. Определение мощности рабочих машин различного назначения представлен в справочной литературе.

Для продолжительного режима работы с переменной нагрузкой мощность двигателя определяют по методу эквивалентной мощности, которую находят из нагрузочной диаграммы - Р=f(t):

(6.2.)

где P₁,…,P_n - нагрузки двигателя,Вт при значениях времени работы t₁,…,t_n

Номинальная мощность двигателя будет равна

(6.3.)

Мощность электродвигателя можно выбирать, если график нагрузки выражен через момент, по эквивалентному моменту

(6.4.)

При работе электродвигателя нагрузка на его валу может периодически изменяться, тогда естественно меняются также периодически потери в двигателе и его температура. Выбирая двигатель по нагреву необходимо соблюдать условие, чтобы средняя температура в двигателе была номинальной, надо создать такой режим, когда средняя мощность потерь электродвигателя при его работе с переменной нагрузкой равнялась бы потерям мощности при номинальной нагрузке

(6.5.)

где - потери для n -го участка нагрузочной диаграммы, Вт.

Этот метод определения называют методом средних потерь, двигатель выбирают предварительно по среднему значению нагрузки, далее уже определяют потери для номинальной и других нагрузок

(6.6.)

где h - КПД двигателя (справочные данные).

По требованиям условий нагрева номинальные мощность и момент должны удовлетворять условию

(6.7.)

Электродвигатель при резкопеременной нагрузке проверяют на перегрузочную способность

(6.8.)

где М_М - максимальный момент нагрузки, Н.м; - кратность максимального (критического) момента двигателя.

Для проверки электродвигателя по условиям пуска под нагрузкой его проверяют при предположении, что минимальный пусковой момент двигателя с учетом снижения напряжения в 1,25 больше статического момента рабочего агрегата

(6.9.)

где М_Н, Р_Н - номинальные момент, Н.м и мощность двигателя, Вт;

М_мс, Р_М -максимальные моменты сопротивления агрегата Н.м и мощность нагрузки по графику, Вт;

g_min - кратность минимального момента;

u₀ - напряжение на зажимах электродвигателя в относительных единицах.

Таким образом, для продолжительного режима работы двигателя окончательно его мощность выбирают по большему из значений Р_Н, Р_н.пуск и Р_н.пер. При изменении нагрузки по графику более 10 мин следует дополнительно определить температуру нагрева двигателя.

Для двигателей, работающих в электроэнергетических установках при кратковременном режиме, выбор их осуществляется так, чтобы номинальная мощность двигателя равнялась мощности рабочей машины при соответствующей продолжительности работы.

Выражение для определения номинальной мощности получают из уравнения нагрева двигателя, приравнивая температуру в конце работы к номинальной установившейся температуре и считая, что эти температуры пропорциональны квадрату соответствующих токов

(6.10.)

где Р_кратк - мощность при кратковременной нагрузке, кВт;

t - время продолжительности работы, мин;

T - постоянная времени нагрева электродвигателя (в зависимости от мощности двигателей для серии 4А составляет: до 4 кВт - 10...20 мин; 5,5...11 кВт - 25...30 мин; 15...37 кВт - 35...40 мин), мин.

Двигатели с короткозамкнутым ротором необходимо проверять по условию пуска по выражению (6.9.) и выбор делают, сравнивая значения, полученные по этим выражениям.

При работе двигателя в повторно-кратковременном режиме используются стандартные продолжительности работы (включения) ε (в относительных единицах): 0,15; 0,25; 0,4 и 0,6 для продолжительности цикла не более 10 мин (t_ц ≤10 мин).

Выбор двигателя осуществляют исходя из расчетной мощности нагрузки соответственной продолжительности работы машины по выражению

(6.11.)

В случае отличия действительной продолжительности работы от стандартной проводят пересчет по формуле

; (6.12.)

где Р - расчетная мощность нагрузки, кВт;

e_g - расчетная действительная продолжительность работы.

На практике бывают ситуации, когда приходится использовать двигатели предназначенные для длительного режима работы в кратковременном режиме. Для этого случая мощность электродвигателя определяют при условии ε =1, т.е. неизменяющиеся условия охлаждения

(6.13.)

Для учета изменений условий охлаждения двигателя во время остановок паузы уменьшаются в два раза и при этом следует делать проверку по условию пуска и допустимой перегрузке.

Выбранный двигатель рассчитывается на допустимое число включений в час

(6.13.)

где - номинальная, фактическая мощности потерь, кВт;

- потери энергии в режимах пуска и торможения, Дж.

При выборе электродвигателей по частоте вращения следует учитывать технико-экономические показатели, например, быстроходные двигатели имеют меньшую стоимость и массу, номинальные КПД и cosφ больше. Желательно, чтобы частота вращения двигателя была как можно ближе к частоте вращения рабочей машины, при несовпадении следует учитывать стоимость и КПД механических передач, например, с уменьшением номинальной частоты вращения двигателя увеличиваются его размеры, металлоемкость и стоимость, при этом происходит снижение cosφ и КПД.

Практический опыт и технико-экономические расчеты показывают, что целесообразнее использовать двигатели высокоскоростные с частотой вращения 1500 мин, число которых в сельскохозяйственном производстве составляет более 90%. Для привода центробежных насосов, вентиляторов с большим напором, дробилок используют двигатели частотой вращения 3000 мин. В случае прямого соединения двигателя с валом рабочей машины и для привода поршневых компрессоров и др. применяют двигатели с частотой вращения 1000 мин.

В технологических процессах, где необходимо применять установки с частыми включениями, изменениями направления технологического потока применяют для привода тихоходные двигатели, обладающие малыми значениями кинетической энергии и продолжительностями переходных процессов.

По роду тока двигатели, как правило, выбирают, проводя технико-экономические расчеты с учетом различных факторов. Двигатели постоянного тока применяются для условий, требующих регулирования скорости, в противном случае целесообразнее применять приводы переменного тока.

Тип двигателя при выборе зависит от характера нагрузки, мощности агрегатов, регулирования скорости и др. факторов. Предпочтение при длительной нагрузке как постоянной, так и переменной мощностью до 100 кВт следует отдавать асинхронным двигателям с короткозамкнутым ротором (наиболее экономичны), при нагрузках более 100 кВт - синхронным двигателям. Асинхронные двигатели с повышенным скольжением подходят для резкопеременной нагрузки до 100 кВт, асинхронные двигатели с фазным ротором для нагрузки мощностью более 100 кВт. Асинхронные двигатели с повышенным скольжением и с фазным ротором применяются при повторно-кратковременной и кратковременной нагрузках.

В установках, требующих регулирования скорости с помощью электропривода, учитывают основные параметры: плавность регулирования, стабильность скорости вращения, диапазон регулирования и надежность. Для этих целей широко используются асинхронные двигатели с фазным ротором, повышенного скольжения с короткозамкнутым ротором и многоскоростные двигатели.

Степень автоматизации определяется технологией производственного процесса объекта управления, системой электрификации и др. параметрами на основании технико-экономического обоснования.

Выбор электродвигателей и других электроустановок по технико-экономическим и надежностным показателям рассмотрен в главах 8,9.

Технические данные электродвигателей серии 4А основного исполнения приведены в справочной литературе.