5.3. Выбор электродвигателя по мощности

5.3.1. Основные условия выбора электродвигателя по мощности

От правильного выбора электрического двигателя по мощности зависят надежность работы электропривода и его энергетические показатели в процессе эксплуатации. В тех случаях, когда нагрузка двигателя сущест­венно меньше номинальной, он недоисполь­зуется по мощности, что свидетельствует об излишних капитальных вложениях, его КПД и коэффициент мощности заметно снижаются.

Если же нагрузка на валу двигателя превышает номинальную, то это, естественно, приводит к росту токов в его обмотках, а значит, и потерь мощности выше соответствующих номинальных значений, вследствие чего температура двигателя может превысить допустимую величину. Рост температуры выше определенных значений прежде всего приводит к снижению электрической проч­ности электроизоляционных материалов вслед­ствие изменения их физико-химических свойств, что связано с опасностью пробоя изоляции обмоток и выходом двигателя из строя. В связи с этим одним из критериев выбора двигателя по мощности является температура его обмоток.

Задача выбора электродвигателя по мощ­ности осложняется тем обстоятельством, что нагрузка на его валу в процессе работы, как правило, изменяется во времени, вслед­ствие чего изменяются также потери мощ­ности и соответственно температуры двига­теля. Если при этих условиях выбрать двигатель таким образом, чтобы его номи­нальная мощность была равна наибольшей мощности нагрузки, то в периоды снижения нагрузки он будет недоиспользован по мощ­ности. Очевидно также, что недопустимо выбирать номинальную мощность двигателя равной минимальной мощности нагрузки.

Для обоснованного решения вопроса выбора электродвигателя по мощности необ­ходимо знать характер изменения нагрузки электропривода во времени, т. е. зависимость от времени, мощности или момента электро­привода. Для рабочих машин, работающих в циклическом режиме, строится нагрузочная диаграмма, представляющая собой зависи­мость нагрузки электропривода от времени в течение рабочего цикла.

Зависимость изменения нагрузки от вре­мени позволяет судить об изменениях потерь в электродвигателе, что в свою очередь дает возможность оценить его температуру при известном характере процесса его на­грева.

Такой подход позволяет выбрать дви­гатель таким образом, чтобы его максималь­ная температура, точнее, максимальная тем­пература изоляции обмоток не превышала допустимого значения. Это условие является одним из основных для обеспечения надеж­ной работы электропривода в течение всего срока его эксплуатации.

Второе условие выбора двигателя за­ключается в том, что его перегрузочная способность должна быть достаточной для устойчивой работы электропривода в периоды максимальной нагрузки.

5.3.2. Нагрев и охлаждение электродвигателей

Процесс нагрева и охлаждения электро­двигателя рассматривается при следующих допущениях: двигатель считается сплошным однородным телом, обладающим бесконечно большой теплопроводностью; теплота, отда­ваемая в охлаждающую среду, пропорцио­нальна первой степени разности температур двигателя и охлаждающей среды — превы­шению температуры; температура охлаждаю­щей среды постоянна; тепловые потери, теплоемкость двигателя и коэффициент теп­лоотдачи не зависят от температуры двига­теля.

При указанных условиях процесс на­грева и охлаждения двигателя описывается следующим дифференциальным уравнением:

Аτ+Cdτ/dt=∆Pт (5.1)

где τ —превышение температуры — разность между температурой двигателя или его части и температурой охлаждающей среды, °С; ∆Р_Т — мощность тепловых потерь, Вт; А — теплоотдача — количество теплоты, переда­ваемой охлаждающей среде за 1 с при пре­вышении температуры на 1 °С, Дж/ (°С∙с) или Вт/°С; С — теплоемкость двигателя — количество теплоты, необходимой для повы­шения температуры двигателя на 1 °С, Дж/°С.

Превышение температуры двигателя при его нагреве (охлаждении) в случае ∆Р_Т=const происходит по экспоненциальному закону с постоянной времени нагрева

Т_н = С/А. (5.2)

При этом установившееся превышение температуры

τ_уст = ∆Р_т/Л. (5.3)

На рис. 5.3 показаны диаграммы на­грузки, мощности тепловых потерь и изме­нения превышения температуры для двух

Рис. 5.3. Диаграммы момента М, мощности теп­ловых потерь ∆Р_т и превышения температуры τ при неизменной (а) и меняющейся (б) нагрузках.

случаев: рис. 5.3, а — нагрузка и мощ­ность потерь постоянны, причем длитель­ность действия нагрузки значительно пре­вышает (3—4)Г_Н; рис. 5.3, б — нагрузка при­вода изменяется ступенчато, причем время действия каждой из нагрузок t_pi « T_H. В первом случае кривая τ(t) представляет собой экспоненту, практически достигающую установившегося значения, во втором слу­чае — ломаную линию, на каждом из участ­ков которой кривая τ(t) не достигает уста­новившегося значения.

Выбор двигателя необходимо осуще­ствить таким образом, чтобы в процессе его эксплуатации соблюдалось условие τ_max ≤ τ_доп ,где τ_mдоп — допустимое превышение температуры для изоляции двигателя, кото-

Таблица 5.14. Классы нагревостойкости изоляции электродвигателей

рое определяется классом нагревостойкости последней. В табл. 5.14 приведены в соот­ветствии с ГОСТ 8865-70 (СТ СЭВ 782-77) значения Q_доп — предельно допускаемой тем­пературы электроизоляционных материалов, применяемых при изготовлении электриче­ских машин. При указанных температурах изоляции обеспечиваются технико-экономически целесообразные сроки службы элек­трооборудования в случае работы последнего в нормальных для данного вида оборудова­ния эксплуатационных условиях. Для элек­тродвигателей имеется в виду работа в воз­душной среде при температуре не более 40 °С и высоте над уровнем моря не более 1000 м. Очевидно,

В случае постоянной нагрузки при ее длительности t_p > (3÷4) Т_н

Федеральное агентство образования и науки Российской Федерации

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

ИЖЕВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ