Правильный выбор мощности электродвигателя имеет большое технико-экономическое значение. Если установленный электродвигатель имеет завышенную мощность, то он работает с пониженным к. п. д., а асинхронный двигатель переменного тока, кроме того, и с пониженным коэффициентом мощности. Неоправданно увеличивается и первоначальная стоимость электропривода.
Еще более нежелательны последствия для судна в том случае, если электродвигатель имеет заниженную мощность. При этом увеличивается вероятность аварии электропривода, которая иногда может привести к аварии судна. Преждевременный выход из строя электродвигателя в данном случае совершенно закономерен. Кроме того, нарушается нормальный режим работы приводного механизма и уменьшается его производительность.
Каковы же критерии, по которым следует выбирать мощность? Как известно, при работе в электродвигателе выделяются в виде тепла потери энергии. Мощность этих потерь можно найти по формуле
(95)
где Р — мощность двигателя, кВт; η — к. п. д. двигателя при мощности Р; k — постоянные потери в двигателе, практически не зависящие от нагрузки, кВт; vн — переменные потери при
Рис. 137. Кривая зависимости к.п.д. двигателя от развиваемой мощности
Для пояснения уравнений (95) — (97) следует напомнить, что переменные потери в двигателе (потери в меди его обмоток) пропорциональны квадрату тока нагрузки. Так как чаще всего двигатели работают при постоянном напряжении, то переменные потери пропорциональны квадранту развиваемой мощности. Тепло, выделяемое в двигателе, частично отдается в окружающую среду, а частично затрачивается на нагрев самого двигателя. Температура, до которой может нагреваться двигатель, зависит от качества изоляции его обмоток. В зависимости от допустимой температуры нагрева все изолирующие материалы разбиты на шесть классов. Если в процессе работы температура двигателя будет превышать допустимую температуру нагрева изоляции, то срок службы последней резко сокращается.
Итак, первый критерий, по которому можно выбирать мощность двигателя, — его нагрев. Очевидно, что температура нагрева зависит как от нагрузки на двигатель, так и от температуры окружающей среды. Поэтому номинальная мощность, которая указывается в паспорте двигателя, связана с определенной температурой окружающей среды.
В процессе работы в различных электроприводах могут возникать броски момента нагрузки, которые двигатель должен преодолевать, т. е. он должен обладать определенной механической перегрузочной способностью. Это второй критерий для выбора мощности двигателя. Уместно напомнить, что механическая перегрузочная способность асинхронных двигателей ограничивается максимальным моментом, а двигателей постоянного тока — условиями коммутации на коллекторе:
Мощность двигателей в подавляющем большинстве случаев выбирают с учетом условий нагрева с последующей проверкой выбранного двигателя по механической перегрузочной способности.
Рис. 136. Схема управления электроприводом с асинхронным двухскоростным двигателем
Нагрев и охлаждение электродвигателей.
Физическая картина нагрева и охлаждения двигателя достаточно сложна. В каждый данный момент температура различных его частей, направление потоков тепла в разных режимах работы не одинаковы. При нагрузке обмотки двигателя нагреты больше, чем железо, а на холостом ходу, наоборот, больше нагрето железо. Все это затрудняет анализ нагревания и охлаждения двигателя, поэтому приходится делать ряд допущений. Двигатель принимается за однородное тело, теплопроводность которого равна бесконечности. Благодаря этому можно считать, что. температура всех его точек в каждый данный момент одинакова. Количество тепла, отдаваемое в окружающую среду, пропорционально разности температур двигателя и среды.
Дифференциальное уравнение теплового баланса двигателя с учетом сделанных допущений записывается следующим образом:
Рис. 138. Диаграмма нагрева и охлаждения электродвигателя
Практически двигатель охлаждается до температуры окружающей среды за время, равное (3—4) Ttt. У самовентилируемых двигателей постоянная времени Тп при охлаждении (неподвижный двигатель) значительно больше, чем при нагреве (вращающийся двигатель).
Режимы работы электроприводов, существуют три режима работы электроприводов. Процесс нагрева электродвигателя в каждом режиме имеет свои особенности, которые непосредственно влияют на выбор мощности и типа двигателя.
Длительный режим отличается тем, что за время рабочего периода температура двигателя достигает установившейся величины, а за время последующей паузы двигатель охлаждается до температуры окружающей среды. На судне многие электроприводы работают в длительном режиме с постоянной нагрузкой: это большинство электроприводов насосов и вентиляторов. Выбор мощности электродвигателя в этом случае не представляет трудностей: ее выбирают по каталогу по заданной мощности механизма.
Значительно сложнее выбрать мощность двигателя, если в процессе работы нагрузка на него все время меняется.
В кратковременном режиме продолжительность работы электропривода такова, что двигатель не успевает нагреться до установившейся температуры.
Рис. 139. Диаграммы нагрева и охлаждения двигателя в кратковременном и повторно-кратковременном режимах работы
Затем следует пауза, в течение которой двигатель охлаждается до температуры окружающей среды. Нагрев двигателя происходит по кривой 3 (рис. 139, а). Каждый раз двигатель через время tp выключают, после чего он охлаждается по кривой 2; двигатель недоиспользуется по нагреву. В этом случае можно выбрать двигатель меньшей мощности с тем, чтобы его нагрев происходил по кривой 1.
Если двигатель, рассчитанный заводом-изготовителем для длительного режима, использовать полностью по нагреву в кратковременном режиме, то он будет перегружен по механическим свойствам. Другими словами, недостаточная механическая перегрузочная способность двигателей, рассчитанных для длительного режима работы, не позволяет полностью использовать их в кратковременных режимах. В связи с этим промышленность выпускает двигатели, специально рассчитанные для кратковременных режимов работы. У двигателей постоянного тока усилены коллектор, щеточный аппарат и последовательные обмотки возбуждения, у асинхронных двигателей увеличен максимальный момент. В каталогах эти двигатели приводятся для нормированных стандартных значений продолжительности работы: 15, 30 и 60 мин. Среди судовых электроприводов в кратковременном режиме работают брашпиль, шпиль, компрессоры пускового воздуха, валоповоротное устройство и т. д.
Повторно-кратковременный режим характеризуется тем, что за время работы двигатель не успевает нагреться до установившейся температуры, а за время паузы не успевает охладиться до температуры окружающей среды. Кривые нагрева и охлаждения двигателя показаны на рис. 139, б. Рабочий период и последующая пауза образуют цикл повторно-кратковременного режима. Вначале с каждым последующим циклом температура двигателя несколько увеличивается, но после многих циклов она начинает колебаться между двумя постоянными значениями. Если бы двигатель с такой нагрузкой работал длительно, то его нагрев проходил бы по пунктирной кривой (см. рис. 139, б) и установившаяся температура была бы равна допустимой температуре для данной изоляции. В повторно-кратковременном режиме он недоиспользуется по нагреву, значит, можно выбрать двигатель меньшей мощности.
По тем же соображениям, что и в кратковременном режиме,, для повторно-кратковременного режима промышленность выпускает специально рассчитанные двигатели, обладающие большей механической перегрузочной способностью, чем двигатели длительного режима.
Для характеристики повторно-кратковременных режимов работы принят коэффициент продолжительности включения ПВ (%), который определяется по формуле
(102).
Типичным примером электропривода, работающего в повторно-кратковременном режиме, является грузоподъемное устройство. Кроме того, так работают электропривод рулевого устройства, гидрофоры, компрессор холодильной установки и т. д.
Повторно-кратковременный режим характеризуется еще частыми пусками и торможением, а иногда и реверсами. Формула (102) показывает, что увеличение коэффициента ПВ означает повышение напряженности (интенсивности) повторно-кратковременного режима, что непосредственно отражается на повышении температуры двигателя.
На практике часто приходится сталкиваться с тем, что электродвигатели, например, грузовых лебедок или кранов, рассчитанные на одно значение ПВ, в действительности во время грузовых операций при обработке некоторых видов груза (выгрузке леса, угля и т. п.) работают со значительно большим коэффициентом. Естественно, в этом случае температура двигателя может превышать допустимое значение.
Методы выбора мощности электродвигателей.
Выбор мощности двигателя при любом режиме работы особого труда не составляет, если нагрузка на него во время работы остается постоянной. В этом случае нужно уметь определять мощность приводного механизма. Затем, учитывая род тока и напряжение судовой сети, режим работы электропривода и номинальную частоту вращения механизма, по соответствующим каталогам выбрать электродвигатель мощностью, равной мощности приводного механизма или ближайшей большей. Если между двигателем и механизмом есть передаточное устройство (редуктор), то нужно учесть потери в нем, разделив мощность механизма на к.п.д. передаточного устройства.
Выбор мощности двигателя существенно усложняется, если нагрузка на него в процессе работы меняется. В таких случаях должна быть построена нагрузочная диаграмма привода, которая показывает изменение мощности, вращающего момента или тока двигателя во времени, т. е. P=f1(t)·, Mc=f2(t); I =f3(t).
Рис. 140. Нагрузочная диаграмма электропривода
Следует отметить, что метод эквивалентного момента неприменим для двигателей последовательного и смешанного возбуждения и для асинхронных двигателей, работающих с частыми пусками и торможением, так как в этих случаях поток Ф не остается постоянным.
Метод эквивалентной мощности. Если в процессе работы электропривода частота вращения изменяется незначительно, то на основании соотношения (66) в уравнении (106) моменты можно заменить мощностью:
(107)
Ограничения в применении метода эквивалентного момента, естественно, распространяются и на метод эквивалентной мощности. Кроме того, последний неприменим для расчета электроприводов, работающих с переменной частотой вращения.
Ни один из рассмотренных методов не учитывает того обстоятельства, что если самовентилируемый двигатель работает относительно долго при пониженной частоте вращения, то условия охлаждения его значительно ухудшаются.
Все методы основаны на анализе потерь в двигателе, а это значит, что двигатель выбирается по условиям нагрева. Поэтому его всегда следует проверять по механической перегрузочной способности, выбрав из нагрузочной диаграммы наибольшую (пиковую) нагрузку.
При выборе двигателя для повторно-кратковременного режима работы одновременно с определением его мощности по одному из рассмотренных методов определяют и значение ПВ, с которым будет работать двигатель. Если окажется, что расчетное значение ПВ отличается от стандартного, то мощность двигателя следует пересчитать на ближайшее стандартное ПВ по формуле
(108) где Рст, Рр — мощность двигателя соответственно для стандартного ПВст и расчетного ПВр значений.
Далее двигатель выбирают по Рст и ПВст из соответствующих: каталогов.
Большое влияние на нагрев двигателей оказывают частые пуски, особенно асинхронных короткозамкнутых двигателей. Поэтому для двигателей повторно-кратковременного режима работы в каталогах указывается допустимое число включений в час (действительное число включений не должно превышать каталожных данных).
