Выбор двигателей по роду тока и принципу действия, конструктивному исполнению и внешним воздействиям
Род тока для электропитания двигателя (постоянный ток, переменный ток трех- или однофазный промышленной или повышенной частоты) определяется выбором типа двигателя: двигатель постоянного или переменного тока (синхронный либо асинхронный). Выбранный двигатель должен в наибольшей степени удовлетворять требованиям, предъявляемым к электроприводу, и одновременно быть максимально экономичным и надежным.
«Правила устройства электроустановок» регламентируют основные положения выбора двигателей для электроприводов.
1. Электрические и механические параметры двигателей (номинальные значения мощности, напряжения, частоты вращения, относительная продолжительность включения, перегрузочная способность, начальный пусковой момент, диапазон регулирования частоты вращения и т.п.) должны соответствовать параметрам приводимых в действие механизмов.
Для привода механизмов, не требующих регулирования частоты вращения, независимо от мощности следует применять двигатели синхронные или асинхронные с короткозамкнутым ротором.
Для привода механизмов с тяжелыми условиями пуска или работы либо требующих изменения частоты вращения следует применять двигатели с наиболее простыми и экономичными методами пуска и регулирования частоты вращения, возможными в данной электроустановке.
Двигатели постоянного тока допускается применять только в случаях, когда двигатели переменного тока не обеспечивают требуемых характеристик механизма либо неэкономичны.
Двигатели, устанавливаемые на открытом воздухе, должны иметь исполнение по степени защиты не менее ΙΡ44 или специальное исполнение, соответствующее условиям работы конкретного электропривода (например, для химических установок, взрыво- или пожароопасных сред эксплуатации для особо низких температур окружающей среды и т.п.).
Двигатели, устанавливаемые в помещениях, где возможно оседание на обмотках пыли, волокон или других веществ, нарушающих охлаждение, должны иметь закрытое исполнение по степени защиты не менее IP44 или защищенное исполнение, при условии продувания внутренней полости двигателя чистым воздухом, поступающим извне по воздуховодам. При этом корпус продуваемого двигателя, воздуховоды, все сопряжения и стыки должны иметь уплотнение, исключающее присос воздуха из помещения, где установлен собственно двигатель.
При установке двигателей в помещениях с температурой окружающей среды более 40 °С должны быть выполнены мероприятия, исключающие возможность недопустимого перегрева двигателя. Например, применить двигатели, рассчитанные на температуру внешней среды, превышающую 40 °С (двигатели металлургических серий), или же применить принудительную вентиляцию с подводом охлажденного воздуха и т.п.
8 Двигатели, устанавливаемые в сырых и особо сырых местах, должны иметь закрытое исполнение и влагостойкую изоляцию обмоток.
Вибрационные и ударные воздействия на двигатель не должны превышать значений, допустимых для данного двигателя.
Двигатели, устанавливаемые во взрывоопасных или пожароопасных зонах, должны выбираться в соответствии с рекомендациями.
Для электропривода с глубоким регулированием частоты вращения приходится делать выбор между двигателем постоянного тока и асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором при его питании от регулируемого преобразователя частоты, т.е. с использованием частотного регулирования. Применение преобразователей частоты в современном электроприводе хотя и является прогрессивным, но в ряде случаев сдерживается их повышенной стоимостью. При решении вопроса об использовании преобразователя частоты не следует забывать о его энергосберегающем эффекте, снижающем эксплуатационные расходы электропривода, и о возможности «мягкого» пуска двигателя, что повышает надежность электропривода.
Окончательное решение о применении в электроприводе двигателя постоянного тока или асинхронного двигателя в комплекте с преобразователем частоты должно основываться на экономических расчетах рассматриваемых вариантов с учетом не только капитальных затрат, но и расходов, связанных с эксплуатацией электропривода.
Исходя из характера работы электропривода, требуемых механических характеристик, номинальной частоты вращения и диапазона ее регулирования, определяют тип двигателя: асинхронный, синхронный, коллекторный или вентильный постоянного тока.
В электроприводе большой мощности (более 400 кВт) оправдано применение трехфазных синхронных двигателей, имеющих наиболее высокие энергетические показатели (КПД и коэффициент мощности).
Основные недостатки двигателей постоянного тока необходимость в преобразователе переменного тока в постоянный, повышенная стоимость, необходимость в уходе за щеточно-коллекторным узлом (периодическая чистка коллектора и щеток, замена щеток, регулировка их прижатия к коллектору и т.д.), недопустимость применения во взрыво- и пожароопасных помещениях, повышенная стоимость. Двигатели постоянного тока в 2 — 3 раза дороже асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором. Для электроприводов подъемных устройств с тяжелыми условиями пуска, реверсом и перегрузками возможно применение двигателей постоянного тока с последовательным возбуждением.
Параметры питающей сети определяют выбор номинального напряжения и предельную токовую нагрузку, которая не вызывала бы в этой сети падения напряжения, превышающего допустимые значения.
Способ монтажа и условия эксплуатации определяют форму конструктивного исполнения двигателя: степень защиты, способ охлаждения и способ монтажа (двигатель на лапах или фланцевого крепления, закрытого или защищенного исполнения) и его климатическое исполнение (для умеренного, холодного, тропического климата и т.п.). Например, в электроприводе с широким диапазоном регулирования частоты вращения «вниз» от номинальной целесообразно применение двигателей с независимой вентиляцией, например IC06, так как с уменьшением частоты вращения эффективность самовентиляции значительно снижается. Если эксплуатация двигателя предполагается во взрыво- или пожароопасной средах, то обязательно применение двигателя взрывозащищенного исполнения.
Режим работы электропривода определяет требования к статическим и динамическим свойствам двигателя. Статические свойства определяются величиной статического момента сопротивления рабочей машины, требуемой частотой вращения, необходимостью регулирования частоты вращения и его диапазоном, возможностью кратковременных перегрузок и т. п. Динамические свойства определяются показателями переходных режимов: частотой пуска, реверса и торможения. Например, при частых пусках, торможении или реверсе требуется двигатель с малым моментом инерции ротора (якоря).
Большое значение при выборе двигателя имеют экономические требования: стоимость двигателя, его КПД и коэффициент мощности, масса и габариты, расходы по эксплуатации и ремонту. При оценке экономических показателей принимаемого варианта необходимо учитывать экономические показатели не только самого двигателя, но и используемых для его управления пускорегулирующих устройств (статических выпрямителей, регулируемых преобразователей, устройств «мягкого» пуска, защиты и т.п.).
Расчет мощности двигателя для продолжительного режима
Выбор конкретного типоразмера двигателя ведется на основании технических требований к электродвигателю: расчетной мощности, требуемой частоты вращения, режима работы, допустимых значений воздействия внешней температуры и влажности, вибрационных и ударных воздействий, климатических факторов, места размещения двигателя при эксплуатации и других возможных факторов. Выбор двигателя выполняют по таблицам основных технических данных выбранной серии, приведенным либо в данном справочнике (см. разделы, посвященные свойствам асинхронных, синхронных и двигателей постоянного тока), либо в каталогах на двигатели выбранных серий.
По указанным таблицам из ряда типоразмеров двигателей принятой серии выбирают типоразмер двигателя ближайшей большей номинальной мощности по отношению к рассчитанному значению, учитывающему режим работы электропривода.
Завышение требуемой мощности двигателя ведет к ухудшению его энергетических показателей (КПД и коэффициента мощности) и, как следствие, к увеличению непроизводительных потерь энергии и удорожанию эксплуатации двигателя. При этом также возрастают капитальные затраты.
Если же допустить занижение требуемой мощности двигателя, то его работа будет сопровождаться чрезмерным перегревом, что приведет к его преждевременному выходу из строя, непредвиденной остановке рабочего механизма, дополнительным расходам на ремонт или замену двигателя. Для обеспечения надежной работы двигателя необходимо также, чтобы перегрузочная способность и начальная величина пускового момента выбранного типоразмера двигателя соответствовали предъявляемым требованиям.
Значительный опыт расчета требуемой мощности двигателя позволил создать общепринятую методику подобных расчетов для различных номинальных режимов работы двигателей.
1. Нагрузка продолжительная неизменная. Расчетная мощность двигателя определяется по нормам. Затем по каталогу на предварительно выбранную серию двигателей определяют типоразмер двигателя с большим ближайшим значением номинальной мощности Рном требуемой частоты вращения ином.
При тяжелых условиях пуска и возможных перегрузках выбранный двигатель следует проверить на достаточность начального пускового момента и перегрузочную способность. Проверка двигателя на нагрев не требуется, поскольку нагрузка двигателя не превышает номинального значения, на которое проектировался двигатель, а следовательно, и нагрев двигателя не должен превышать допустимые значения.
Основные понятия и определения
После того как электрическую машину изготовили и испытали по соответствующей программе, она передается заказчику. С этого времени начинается эксплуатация электрической машины, которая заканчивается обычно спустя несколько лет ее утилизацией. Таким образом, процесс эксплуатации электрической машины состоит из нескольких этапов: транспортировка с завода-изготовителя на склад предприятия-заказчика, хранение на складе предприятия заказчика, монтаж на месте ее эксплуатации, пробный пуск и сдача для работы в электроприводе, техническое обслуживание в течение всего времени эксплуатации, ремонты (текущие, средние, капитальные).
