Глава 5
ВЫБОР ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ МЕХАНИЗМОВ
§ 5-1. Общие сведения
Роль электродвигателя в электрификации рабочей машины все время расширяется: из простого источника движущей силы и подсобного элемента он превращается в мощное средство усовершенствования самой рабочей машины и технологического процесса. Так, применение регулируемого электродвигателя позволяет упразднить коробку передач; встроенный электродвигатель упрощает конструкцию машины и т. п.
В настоящее время нельзя решать задачи по созданию рациональной конструкции машины, если одновременно не будет разрабатываться электрическая часть машины, т. е. ее электропривод.
Правильно выбранный электродвигатель должен иметь необходимую номинальную мощность и обеспечивать заданную производительность рабочей машины. Он должен быть также надежным, долговечным и экономичным.
Основной задачей при выборе приводного электродвигателя является определение его мощности. Всегда следует стремиться к тому, чтобы нагрузка на валу электродвигателя соответствовала его номинальной мощности.
Недостаточная мощность электродвигателя сковывает производительность рабочей машины и приводит к преждевременному выходу его из строя из-за возможных перегрузок. Излишняя мощность электродвигателя влечет за собой дополнительные капитальные вложения и увеличивает эксплуатационные расходы вследствие снижения к.п.д. и коэффициента мощности (у асинхронных электродвигателей) из-за его недогрузки.
Следующая существенная задача — выбор конструктивного типа электродвигателя. Выпускаемые промышленностью электродвигатели имеют различные конструктивные исполнения в зависимости от условий среды, в которой они должны работать, способа сопряжения с механизмом, способа вентиляции.
По способу защиты электрических машин от воздействия окружающей среды различают:
защищенные электродвигатели, у которых все вращающиеся и токоведущие части предохранены от случайных прикосновений, от попадания внутрь посторонних предметов, капель воды, падающих отвесно, или брызг;
закрытые электродвигатели, подразделяющиеся на обдуваемые, продуваемые и герметические. В обдуваемых электродвигателях охлаждающий воздух засасывается вентилятором, установленным на валу этой же машины, и прогоняется через ребристый корпус машины. У продуваемых машин охлаждающий воздух подводится через трубы от отдельного вентилятора;
взрывозащищенные электродвигатели, предназначенные для работы во взрывоопасных помещениях.
По способу сопряжения с механизмом (по роду монтажа) электродвигатели имеют исполнения: горизонтальное на лапах, вертикальное, фланцевое, встроенное.
По способам вентиляции различают машины с естественным охлаждением, с самовентиляцией (внутренняя и наружная) и с посторонней, или независимой, вентиляцией.
Выбор электродвигателей производится также по роду тока и напряжению. Для нерегулируемых приводов или регулируемых в небольших пределах широко применяются электродвигатели переменного тока. Для получения повышенных регулировочных свойств, а также специальных пусковых и тормозных характеристик применяют электродвигатели постоянного тока.
§ 5-2. Нагрев и охлаждение электродвигателей
Процесс преобразования энергии в электродвигателе сопровождается потерями, которые превращаются в тепло. При работе электродвигателя происходит нагревание его частей. Особенно чувствительна к повышению температуры изоляция обмоток машин. Срок службы изоляции в значительной мере определяет срок службы самой машины. Поэтому наибольшая допустимая температура электродвигателя определяется, главным образом, изоляционными материалами, применяемыми при изготовлении обмоток.
ГОСТ 8865—58 делит изоляционные материалы по степени нагревостойкости на семь классов. Наиболее распространенными из них для электродвигателей являются У, А, Е, В, где У — материалы из хлопчатобумажной пряжи и ткани, из бумаги и волокнистых веществ (целлюлозы и шелка), не пропитанные жидким диэлектриком; А — те же материалы, но пропитанные; Е — некоторые синтетические органические пленки; В — материалы из слюды, асбеста и стекловолокна, содержащие органические связующие вещества. Наибольшая допустимая температура нагрева для изоляции класса Y—90°; А—105°; Е—120°; В—130°. Срок службы изоляции при указанных предельных температурах составляет примерно 15—20 лет.
Мощность электродвигателя, указанная на щитке машины или в каталоге, согласно стандарту, относится к температуре окружающей среды +40°С. При меньшей температуре допустимая длительная нагрузка может быть несколько выше номинальной, а при температуре, большей 40°С, допустимая нагрузка должна быть меньше номинальной.
При изучении тепловых процессов в электродвигателе в целях упрощения задачи принимают следующее допущение: электродвигатель рассматривается как однородное твердое тело, все точки которого имеют одинаковую температуру и поверхность которого способна равномерно рассеивать тепло.
В начальный период работы электродвигателя с неизменной нагрузкой выделяемое в нем тепло идет на нагревание его частей. Температура электродвигателя при этом быстро повышается. Когда температура превысит температуру окружающей среды, начнется отдача тепла в окружающую среду; теплоотдача будет тем больше, чем больше разность температур поверхности электродвигателя и среды. По истечении определенного времени температура электродвигателя, постепенно повышаясь, достигнет такой величины, при которой все выделяющееся тепло будет отдаваться в окружающую среду. Тогда дальнейший рост температуры электродвигателя прекратится: наступит установившееся тепловое равновесие.
Уравнение теплового баланса электродвигателя при постоянной неизменной нагрузке выразится следующим равенством:
(5-1) где Q — количество тепла, выделяемое в электродвигателе в единицу времени, Дж/сек;
С — теплоемкость электродвигателя, т. е. количество тепла, необходимое для повышения температуры электродвигателя на один градус Дж/°С;
τ — Превышение температуры электродвигателя над температурой окружающей среды (температура перегрева), °C;
А — теплоотдача электродвигателя, т. е. количество тепла, отдаваемое электродвигателем в окружающую среду в единицу времени при разности температур в один градус, Дж/сек.°С.
Решение уравнения (5-1) позволяет получить зависимость τ=f(t)
(5-2)
| установившаяся величина перегрева электродвигателя, °C; |
Если перегрев электродвигателя в начальный момент охлаждения составлял то кривая охлаждения 2 на рис. 5-1 будет зеркальным изображением кривой нагрева 1.
Как было сказано выше, из-за принятых допущений приведенные на рис. 5-1 кривые 1 и 2 не дают точного представления о протекании в машинах тепловых процессов при изменении нагрузки. Однако они дают качественную картину, позволяющую делать практические выводы.
Из рассмотрения полученных уравнений следует, что процессы нагревания и охлаждения электродвигателя зависят практически от двух величин: τу и Т. Величина τу прямо пропорциональна количеству тепла, выделяемого в электродвигателе и определяемого в основном потерями в обмотках машины, и обратно пропорциональна коэффициенту теплоотдачи, который в значительной степени зависит от вентиляции машины: чем лучше вентиляция, тем меньше τу.
Величина Т зависит от размеров электродвигателя и его конструкции: чем больше размеры электродвигателя, тем больше его теплоемкость. Так как Т прямо пропорциональна теплоемкости С, то с увеличением габарита электродвигателя она увеличивается. Но Т обратно пропорциональна коэффициенту теплоотдачи. Поэтому при прочих равных условиях Т вентилируемых машин меньше, чем невентилируемых.
При рассмотрении законов нагревания и охлаждения электродвигателей имелось в виду, что нагрузка электродвигателя в течение продолжительного времени остается постоянной, а следовательно, остается неизменным и установившийся перегрев.
В действительности нагрузка электродвигателя в процессе его работы может меняться различным образом по величине. Кроме того, электродвигатель может периодически или эпизодически отключаться от сети на некоторое время. Поэтому нагрев электродвигателя в процессе его работы не остается постоянным, а претерпевает изменения во времени. В соответствии со стандартом установлены три основных номинальных режима работы электродвигателей в зависимости от характера и длительности его работы: длительный, кратковременный и повторно-кратковременный.
Под длительным понимается режим, при котором в течение периода нагрузки температура электродвигателя достигает установившегося значения. Различают длительный режим с малоизменяющейся (постоянной) и переменной нагрузками. Примерами механизмов, работающих в длительном режиме с мало изменяющейся нагрузкой, могут служить центробежные насосы, компрессоры, вентиляторы, некоторые конвейеры и транспортеры. В длительном режиме с переменной нагрузкой могут работать металлорежущие станки, прокатные станы и т. д. Соответствующие графики мощности и перегревов для длительного режима с постоянной (а) и переменной (б) нагрузкой приведены на рис. 5-2.
Кратковременным называется режим, при котором в период нагрузки температура электродвигателя не достигает установившегося значения, а за время паузы электродвигатель успевает охладиться до температуры окружающей среды. В режиме кратковременной нагрузки работают некоторые вспомогательные приводы станков (приводы суппортов, бабок, поперечин), механизмы раздвижных мостов, шлюзов и других гидротехнических сооружений. Графики мощности и перегрева для кратковременного режима работы приведены на рис. 5-2, в.
Повторно-кратковременный режим характеризуется периодами нагрузки и пауз (рис. 5-2,г), причем за период нагрузки температура электродвигателя не успевает достигнуть установившегося значения, а за время паузы электродвигатель не успевает полностью охладиться.
Характерным показателем для повторно-кратковременного режима работы является так называемая относительная продолжительность включения, под которой понимается отношение времени работы электродвигателя к общей продолжительности цикла (рис. 5-2,г).
Рис. 5-2. Графики мощности и перегрева.
Для крановых электродвигателей эта величина, обозначаемая ПВ, стандартизирована и составляет 15, 25, 40 и 60%. Она указывается на щитке электродвигателя.
Примерами механизмов, работающих в повторно-кратковременном режиме, могут служить крановые механизмы.
