Рекомендації щодо виконання. Перевірка відповідності двигуна і навантаження

Перевірка відповідності двигуна і навантаження

Важливою умовою енерго- та ресурсозбереження в електроприводах є відповідність потужності двигуна і навантаження. Використання двигунів недостатньої потужності призводить до їх перегріву та виходу з ладу. Використання двигунів великої потужності призводить до підвищення капітальних затрат, недовикористання матеріальних ресурсів та зниження ККД, а для асинхронних двигунів – зменшення коефіцієнта потужності [8].

Чинником, що обмежує навантаження електродвигуна, є нагрівання ізоляції обмоток. Навіть невелике перевищення температури ізоляції в порівнянні з нормативним рівнем викликає її передчасне старіння та вихід двигуна з ладу. Так, наприклад, для ізоляції класу А перевищення припустимої температури нагрівання на 8–10 С^о скорочує термін її служби вдвоє.

У двигунах використовується шість класів ізоляції, допустима температура нагрівання яких складає: А – до 150˚ С, Е – до 120 ˚ С, В – до 130 ˚ С, F – до 155 ˚ С, Н – до 180 ˚ С, С – більше 180 ˚ С. Основними класами ізоляції, що використовуються для виготовлення електричних двигунів, є класи В, F и Н.

Суть перевірки відповідності двигуна і навантаження полягає в співставленні допустимої для двигуна температури з тією температурою, що він має під час роботи. Якщо робоча температура не перевищує допустиму, то номінальна потужність двигуна відповідає навантаженню, і навпаки. Підвищений рівень температури може бути викликаний не тільки недостатньою потужністю двигуна, а також виникненням нештатних ситуацій, наприклад, зникнення фази напруги живлення або виникнення короткозамкненого витка в обмотках двигуна.

Оцінка нагрівання двигуна здійснюється за допомогою використання поняття перегрівання τ, що являє собою різницю температур двигуна ˚ t та навколишнього середовища (ОС) t˚ _нс.

. (1.1)

Під час виконання теплових розрахунків приймається стандартна температура навколишнього середовища, що дорівнює 40 ˚ С, котрій відповідає номінальна потужність двигуна. За низької температури навколишнього середовища двигун можна навантажувати трохи вище номінальної потужності, а за високої температури його навантаження повинне бути знижене або повинні бути вжиті заходи щодо охолодження двигуна чи його заміні на більш потужний двигун.

Під час використання поняття перегріву двигун буде працювати в допустимому тепловому режимі за виконання умови:

, (1.2)

де – перегрів при роботі двигуна; – допустимий перегрів двигуна, що визначається класом його ізоляції.

В якості під час перевірки обирається середній або максимальний перегрів за час (цикл) роботи двигуна. При орієнтуванні на середній перегрів буде мати місце найбільш повне використання двигуна, але в деякі періоди його роботи перегрів буде перевищувати середній. Якщо ж орієнтуватися на максимальний перегрів, то робочий перегрів двигуна буде завжди меншим за нормативний, але при цьому двигун буде недовикористаний за потужністю.

При проектуванні електропривода ступінь нагрівання двигуна зручно аналізувати за допомогою діаграми навантаження двигуна, що являє собою залежність зміни моменту двигуна від часу . Ця діаграма будується за допомогою основного рівняння руху:

, (1.3)

де знак «+» відповідає збільшенню швидкості двигуна, знак «-» – зменшенню швидкості, а залежність – діаграма навантаження робочої машини.

За допомогою діаграми навантаження двигуна розраховується еквівалентний момент двигуна під час його роботи в заданому технологічному циклі і зіставляється з номінальним моментом попередньо обраного двигуна:

, (1.4)

де – момент на і-тій ділянці роботи циклу; – тривалість роботи на і-тій ділянці циклу; – час циклу.

Якщо умова в формулі (1.4) виконується, то середнє нагрівання двигуна не буде перевищувати нормативного рівня, і навпаки. За допомогою формули (1.4) виконується оцінка нагрівання при тривалому режимі роботи двигуна, і вона буде правильною в тих випадках, коли магнітний потік двигуна буде рівний номінальному і не будуть змінюватися активні опори ланцюга двигуна [8].

Розрахунок потужності і перевірка обраного двигуна

за нагріванням та перевантаженням

Потужність електродвигуна для приводу виробничого механізму обирається залежно від характеру навантаження так, щоб у процесі роботи двигун нагрівався не вище допустимої за класом ізоляції температури та припускав короткочасне перевантаження.

Роботу всіх без винятку двигунів за характером нагрівання можна віднести до наступних номінальних режимів:

- такі, що працюють тривалий час з постійним навантаженням (S₁ тривалий номінальний за нагріванням режим роботи). При цьому перевищення температури всіх частин двигуна досягає сталих значень.

- такі, що працюють значно менше часу паузи, протягом котрої вони є нерухомими (короткочасний номінальний за нагріванням режим роботи S₂). При цьому періоди навантаження не настільки великі, щоб перевищення температури двигуна змогли досягти сталих значень, а періоди зупинки настільки великі, що всі частини двигуна охолоджуються до температури навколишнього середовища. Двигуни для цього режиму роботи виробляються для нормованої тривалості робочого періоду 10, 30, 60 та 90 хвилин;

- такі, що працюють частину часу виробничого циклу, а іншу частину знаходяться в нерухомому стані (повторно-короткочасний номінальний за нагріванням режим роботи S₃). При цьому режимі короткочасні періоди незмінного навантаження (робочі періоди) чергуються з періодами відключень двигуна (паузами). Робочі періоди та паузи не настільки тривалі, щоб перевищення температури змогли досягти сталих значень. До цього режиму відносять випадки, коли тривалість циклу не перевищує 10 хвилин. Цей режим характеризується відносною тривалістю вмикання в %, ТВ=15, 20, 40 та 60 %, яка визначається як:

, (1.5)

де , – відповідно час роботи, паузи та усього циклу.

Крім основних номінальних за нагріванням режимів роботи є додаткові, які уточнюють режим роботи двигуна та умови його охолодження.

Різновидами режиму тривалого номінального режиму є такі режими:

S₆ – тривалий режим із перемежаючим навантаженням при швидкості, близькій до номінальної. Цей режим характерний для некерованого електропривода із циклічною зміною навантаження на валу.

S₈ – те ж, що і S₆, але при швидкості, яка не дорівнює номінальній, що характерно для керованого електроприводу.

Номінальні режими S₄, S₅, S₇ враховують специфіку електроприводів, які працюють переважно у динамічних режимах.

В основі розрахунку потужності двигуна будь-якого режиму роботи лежать методи еквівалентних величин. За цим методом розраховуються еквівалентні величини втрат, струму, моменту або потужності, за якими потім обираються відповідні номінальні величини двигуна, що дорівнюють або перевищують еквівалентні величини. Для визначення еквівалентних величин використовують відповідні діаграми навантаження електроприводу.

На практиці найбільшого поширення набули мето­ди еквівалентних величин струму, моменту та потужності.

Метод еквівалентного струму базується на заміні дійсного струму двигуна при різних навантаженнях, у відповідності до діаграми навантаження, незмінним за робочий цикл значенням струму , який створює за робочий цикл ті ж втрати у двигуні, що й дійсний струм .

Еквівалентний струм визначається як середньоквадратична величина за період циклу навантаження:

, (1.6)

де .

В основі методу еквівалентного моменту лежить припущення, що при незмінних напрузі на двигуні та магнітному потоці (що справедливо для двигунів постійного струму з паралельним та незалежним збудженням, асинхронних двигунів на робочій ділянці механічної характеристики ), момент двигуна є пропорційним струму.

Еквівалентний момент визначається так само, як і струм:

. (1.7)

Для електроприводів, швидкість яких не регулюється і в незначній мірі залежить від навантаження (двигуни постійного струму з паралельним та незалежним збудженням, асинхронні двигуни з короткозамкненим ротором, синхронні двигуни трьохфазного струму) застосовують метод еквівалентної потужності.

Еквівалентну потужність визначають як:

. (1.8)

Формули (1.6) – (1.8) виведені із умов, коли швидкість двигуна, а відтак і тепловіддача, близькі до номінальних, незалежно від способу його охолодження. Якщо розглядати керований електропривод, то при зниженні швидкості тепловіддача теж знижується і при однакових втратах потужності перегрів двигуна буде більшим. З урахуванням цього в формули еквівалентних величин вводиться так званий коефіцієнт погіршення охолодження , який дорівнює відношенню тепловіддачі двигуна на зниженій швидкості до тепловіддачі в номінальному режимі. У двигунів зі штучною примусовою вентиляцією при зниженні швидкості зниження тепловіддачі не відбувається і для них завжди . У двигунів із самовентиляцією для кожної швидкості можна розрахувати певне значення . Характеризуючим є коефіцієнт погіршення охолодження для нерухомого двигуна . Тоді для довільного значення швидкості коефіцієнт погіршення охолодження можна розрахувати за формулою:

. (1.9)

Для динамічних режимів пуску та гальмування використовують приблизне значення коефіцієнту погіршення охолодження за час пуску або гальмування:

. (1.10)

Із урахуванням умов охолодження при швидкостях двигуна, відмінних від номінальної, наприклад, для номінального за охолодженням режиму S₈, формули еквівалентних величин набувають вигляду:

; (1.11)

; (1.12)

. (1.13)

В останній формулі введений квадрат відношення швидкостей, що дає змогу приведення біжучої швидкості двигуна до його номінальної швидкості.

Розрахунок потужності і перевірка обраного двигуна для тривалого режиму роботи здійснюється у послідовності, що наведена нижче:

1. Відповідно до відомої діаграми навантаження електропривода визначають одну з еквівалентних величин: струму, моменту чи потужності за (1.6), (1.7) чи (1.8).

2. Визначені еквівалентні величини , , порівнюються з відповідними номінальними значеннями обраного двигуна.

3. Якщо номінальні величини обраного двигуна більші або дорівнюють відповідним значенням еквівалентних величин, тобто, , , , значить двигун обрано правильно за умов його нагрівання.

4. Обраний двигун перевіряється за умовами перевантаження. Якщо допустимі значення обраних величин двигуна перевищують або дорівнюють максимальним відповідним величинам за діаграмою навантаження, тобто, , , , значить двигун обрано правильно щодо умов його перевантаження.

Припустимі значення струму та моменту визначаються з урахуванням відповідних коефіцієнтів перевантаження двигунів.

Якщо умови відповідно до п.3, п.4 не виконуються, то слід обрати двигун більшої потужності і перевірити відповідність умов за нагріванням та перевантаженням.

Розрахунок потужності і перевірка обраного двигуна

для короткочасного режиму роботи

Для такого режиму роботи промисловість виготовляє спеціальні двигуни, розраховані для роботи в короткочасному режимі, у яких підвищена перевантажувальна здатність та більш повне використання їх за нагріванням.

Час роботи таких двигунів нормується й складає 10, 30, 60 та 90 хвилин.

У загальному випадку перевірка таких двигунів за нагріванням може здійснюватись двома шляхами:

- якщо час роботи електропривода співпадає з нормованим, то номінальні дані двигуна і його перевірка за перевантаженням виконується за формулами (1.6) – (1.8), де еквівалентні величини розраховуються за нормований час;

- якщо діаграма навантаження за часом суттєво відрізняється від нормованого часу, для якого наведені паспортні дані двигуна, то виконується додатковий розрахунок для перевірки двигуна за умовами нагрівання.

Розрахунок потужності і перевірка обраного двигуна для короткочасного режиму роботи здійснюється у послідовності, наведеній нижче.

1. Відповідно до діаграми навантаження визначають, наприклад, еквівалентну потужність за (1.8).

2. Визначають відношення а постійних втрат до змінних при номінальному навантаженні:

. (1.14)

3. Визначають припустиму потужність двигуна з реальним часом роботи :

, (1.15)

де – каталожний час роботи двигуна; – стала часу нагріву; – номінальна потужність двигуна.

Якщо визначена припустима потужність , то двигун обрано правильно за умов його нагрівання.

Подібні (1.15) розрахункові формули можна отримати і для та , порівняння яких з та надають змогу дійти висновку про нагрівання двигуна.

В разі, коли необхідно обрати для короткочасного режиму роботи двигун, виготовлений і призначений для тривалого режиму роботи, здійснюють наступні розрахунки:

- визначають, наприклад, еквівалентний момент за (1.7) з діаграми навантаження;

- визначають момент , який здатний розвивати даний двигун у короткочасному режимі згідно з рівнянням:

, (1.16)

де – номінальний момент двигуна в тривалому режимі роботи.

За умови , двигун обрано вірно за умовами нагріву. У випадку невиконання цих умов необхідно обрати двигун більшої потужності.

Обрані двигуни за умовою нагрівання перевіряють на відповідність щодо умов перевантаження.

Розрахунок потужності і перевірка обраного двигуна

для повторно-короткочасного режиму роботи

Для повторно-короткочасного режиму роботи промисловість виготовляє спеціальні двигуни. В каталогах на них вказується номінальна потужність за нормативної тривалості вмикання ТВ_Н – 15, 25, 40, 60 та 100%. Тривалість робочого циклу для них не повинна перевищувати 10 хвилин, – а якщо ні, то двигун вважається таким, що працює в тривалому режимі.

Якщо в повторно-короткочасному режимі роботи параметри діаграми навантаження (потужність та ТВ) дорівнюють чи близькі до номінальних, то перевірка двигуна щодо нагрівання не потрібна.

Вибір двигуна та перевірка його щодо умов нагрівання для випадків, коли ТВ не співпадає з нормованим ТВ_Н, здійснюється в порядку, наведеному нижче.

1. З діаграми навантаження визначають :

(1.17)

та з допомогою (1.6), (1.7) та (1.8) визначають , та .

В повторно-короткочасному режимі еквівалентні величини розраховуються тільки на інтервалі сумарного часу роботи. Тому в (1.6), (1.7) та (1.8) в знаменнику не враховуються інтервали нерухомого стану .

2. Якщо виконуються умови:

, (1.18)

– при незмінності магнітного потоку двигуна за цикл роботи:

, (1.19)

– при незмінності швидкості двигуна:

, (1.20)

то температура двигуна не буде перевищувати припустимого значення.

Перевірка двигуна щодо умов нагрівання, призначеного для тривалого режиму роботи, але використовуваного для повторно-короткочасного навантаження, визначається з наступних умов:

; (1.21)

; (1.22)

, (1.23)

де , , – відповідно номінальні значення струму, моменту та потужності для тривалого режиму роботи.

Перерахунки потужності на нормативну ТВ визначаються з рівняння:

. (1.24)

Приклади виконання самостійної роботи

Приклад 1. Для привода транспортера, що працює в тривалому режимі, попередньо обрано асинхронний двигун з номінальними даними , , , . 70% робочого часу двигун працює з навантаження , а 30 % робочого часу – з . Перевірити правильність вибору двигуна.