Содержание
Предыдущий § Следующий
6.3. Выбор электродвигателей
Процедура выбора электродвигателей состоит в удовлетворении ряда требований потребителя; выбор состоит в переборе возможных вариантов, в том числе: по роду тока и напряжению, конструктивному исполнению, уровню вибрации и шума, мощности и режиму работы.
6.3.1. Выбор электродвигателей
по роду тока, конструктивному исполнению,
классу вибрации и уровню шума
Выбор по роду тока. В соответствии с рекомендациями двигатели постоянного тока выбираются (применяются) лишь в тех случаях, когда двигатели переменного тока не обеспечивают требуемых характеристик механизма либо не экономичны. При этом для механизмов с продолжительным режимом работы, с редкими включениями и малыми нагрузками при пуске наиболее целесообразен синхронный двигатель. Применение синхронного двигателя позволяет обеспечить высокие энергетические показатели в процессе эксплуатации.
Что касается напряжения, то двигатели постоянного тока единой серии 2П изготовляются на одно номинальное напряжение каждый, асинхронные двигатели единой серии 4А — на одно или два номинальных напряжения каждый, синхронные двигатели — на одно напряжение (подробнее см. вторую часть Справочника). При этом двигатели должны обеспечивать выдачу номинальной мощности при отклонении напряжения от номинального в некотором диапазоне. Знание этого диапазона (имеется в стандартах и ТУ на соответствующие типы двигателей) особенно необходимо при выборе двигателей, работающих в автономных сетях, где их нагрузка соизмерима с мощностью сети.
Выбор по конструктивному исполнению. При выборе конструктивного исполнения двигателя необходимо учитывать условия его эксплуатации, под которыми следует понимать в первую очередь воздействие климатических факторов окружающей среды, а также способ охлаждения и исполнение двигателей по способу монтажа.
Электрические машины обычно предназначаются для эксплуатации в одном или нескольких макроклиматических районах • и в соответстсвии с ГОСТ 15150-69 и 15543-70 изготовляются в следующих климатических исполнениях: У, УХЛ, Т, О, М, ОМ, В.
Электрические машины исполнения У, УХЛ, Т, О предназначены для эксплуатации на суше, реках и озерах, исполнения М, ОМ — на морских судах, В — на суше и на море для всех макроклиматических районов, в том числе: У — для макроклиматических районов с умеренным климатом, УХЛ — с холодным климатом, Т — с тропическим климатом, О — для всех макроклиматических районов на суше, М — с умеренно холодным морским климатом, ОМ — для неограниченного района плавания.
Значения климатических факторов для этих исполнений приведены в разд. 1.
При эксплуатации электрических машин на открытом воздухе (категория размещения 1) регламентируется также интенсивность дождя: для исполнений У, УХЛ — 3 мм/мин; Т, М и ОМ — 5 мм/мин. Электрические машины исполнений У, УХЛ, Т предназначаются, как правило, для эксплуатации в атмосфере типов I и II, а исполнений М, ОМ — в атмосфере типа III (табл. 6.2).
Таблица 6.2. Типы атмосферы, окружающей электрические машины
|
Обозначение |
Тип атмосферы |
Содержание корро-зионно-активных агентов, мг/(м'-сут) |
|
|
Наименование |
Сернистый газ |
Хлориды |
|
|
I II III IV |
Условно-чистая Промышленная Морская Приморско-про-мышленная |
До 20 20-110 До 20 200-110 |
Менее 0,3 Менее 0,3 30-300 0,3-30 |
Кроме климатических условий важное значение имеет категория размещения электрических машин. Различают пять категорий размещения, обозначаемых цифрами от 1 до 5, характеристика которых приведена в разд. 1.
Корпус машины вместе с подшипниковыми щитами образует защитную оболочку, обеспечивающую защиту электрической машины от попадания внутрь машины твердых предметов и воды. В соответствии с ГОСТ 17494-72 машины выпускаются с различными степенями защиты персонала от соприкосновения с находящимися под напряжением частями и с вращающимися частями, находящимися внутри корпуса, а также степенями защиты машины от попадания внутрь нее твердых посторонних тел и воды. Степени защиты электрических машин рассмотрены в § 2.3.
Электродвигатели, устанавливаемые в помещениях с нормальной средой, как правило, должны иметь исполнение IP00 или IP20. При установке электродвигателей на открытом воздухе они должны иметь исполнение не ниже IP44. При эксплуатации электродвигателей в помещениях, где могут иметь место химически активные пары или газы, возможно оседание на обмотках пыли и других веществ, нарушающих естественное охлаждение, исполнение должно быть не
менее IP44 или необходимо продуваемое исполнение с подводом чистого воздуха. Корпус продуваемого электродвигателя, воздуховоды, все сопряжения и стыки должны быть тщательно уплотнены для предотвращения присоса воздуха в систему вентиляции. При продуваемом исполнении электродвигателя рекомендуется предусматривать задвижки для предотвращения всасывания окружающего воздуха при остановке электропривода.
Электродвигатели, устанавливаемые в сырых или особо сырых местах, должны иметь исполнение не менее IP43 и изоляцию, рассчитанную на воздействие сырости и пыли (со специальной обмазкой, влагостойкую и т. д.).
Выбор двигателя в зависимости от способа его охлаждения в значительной мере зависит от категории размещения, условий окружающей среды и класса нагревостойко-сти его изоляции и, кроме того, определяется также экономическими факторами и режимом работы.
Особое внимание следует обращать на выбор исполнения двигателей для установок, размещаемых в пожароопасных и взрывоопасных зонах.
Пожароопасной зоной называется пространство внутри и вне помещений, в пределах которого постоянно или периодически обращаются горючие (сгораемые) вещества и в котором они могут находиться при нормальном технологическом процессе или при его нарушениях. Классификация пожароопасных зон приведена в табл. 6.3. В пожароопасных зонах любого класса могут при-
Таблица 6.3. Классификация пожароопасных зон
|
Класс зоны |
Условия, определяющие класс зоны |
|
П-1 П-И П-Иа П-Ш |
Зоны в помещениях, в которых обращаются горючие жидкости с температурой вспышки выше 61 °С Зоны в помещениях, в которых выделяются горючие пыли или волокна с нижним концентрационным пределом воспламенения более 65 г/м3 к объему воздуха Зоны в помещениях, в которых обращаются твердые горючие вещества Вне помещений зоны, в которых обращаются горючие жидкости с температурой вспышки выше 61 °С или твердые горючие вещества |
Таблица 6.4. Классификация взрывоопасных зон
меняться электрические машины с классами напряжения до 10 кВ при условии, что их оболочки имеют степень защиты не менее IP44. Лишь в зонах класса П-П при использовании искрящихся машин или с искрящими по условиям работы частями степень защиты оболочки должна быть IP54. В пожароопасных зонах любого класса могут применяться электрические машины, продуваемые чистым воздухом по замкнутому и разомкнутому циклам. В последнем случае выброс отработанного воздуха в пожароопасную зону не допускается.
Взрывоопасной зоной (табл. 6.4) является помещение или ограниченное пространство в помещении или наружной установке, в котором имеются или могут образоваться взрывоопасные смеси. Под последними понимаются смеси с воздухом горючих газов, паров легковоспламеняющихся жидкостей (ЛВЖ), горючих пыли или волокон с нижним концентрационным пределом воспламенения не более 65 г/м3 при переходе их во взвешенное состояние, которые при определенной концентрации способны взорваться при возникновении источника инициирования взрыва.
Для эксплуатации во взрывоопасных зонах следует использовать взрывозащищен-ные электрические машины (см. Справочник, т. 2, часть четвертая).
Выбор по способу монтажа. При выборе двигателя необходимо, чтобы его рабочее положение (горизонтальное, вертикальное, наклонное), способ крепления (к фундаменту, к производственному механизму, встраиваемые и т. д.), исполнение выходного конца вала и их количество соответствовали одному из конструктивных исполнений, приведенных в ГОСТ 2479-79 (см. §2.4).
Выбор по классу вибрации. В соответствии с рекомендациями ГОСТ 16921-83 для двигателей общего назначения, имеющих исполнения IM1001 — IM1081, установлены следующие классы вибрации: h ^ 80 мм — 1,1 мм/с, 80 < h < 132 мм - 1,8 мм/с, 132 < < h< 225 - 2,8 мм/с, h > 225 мм - 4,5 мм/с.
Для малошумных двигателей и двигателей, используемых в приводах станков повышенной точности и в приводах полиграфических машин, уровень вибрации должен быть на один класс меньше, чем для машин общего назначения. Для указанных высот оси вращения классы вибрации соответствуют 0,7; 1,1; 1,8; и 2,8 мм/с соответственно.
Для специальных и прецизионных приводов с особо жесткими требованиями по вибрации и надежности должны применяться электродвигатели, имеющие уровень вибрации на два класса ниже, чем у двигателей общего назначения. Эти электродвигатели
|
Класс зоны |
Условия, определяющие класс зоны |
|
B-I В-1а B-I6 В-1г В-Н В-На |
Зоны в помещениях, в которых выделяются горючие газы или пары ЛВЖ в таком количестве и с такими свойствами, что они могут образовать с воздухом взрывоопасные смеси при нормальных режимах работы Зоны в помещениях, в которых опасные состояния, характерные для класса B-I, не имеют места при нормальной эксплуатации, а возможны только в результате аварий или неисправностей То же, что и для В-1а, но отличающиеся одной из следующих особенностей: 1) горючие газы обладают высоким нижним концентрационным пределом воспламенения (1% и более) и резким запахом; 2) помещения производств, связанных с газообразным водородом, в которых исключается образование взрывоопасной смеси в объеме, превышающем 5% свободного объема помещения; 3) зоны лабораторных и других помещений, в которых горючие газы и ЛВЖ имеются в небольших количествах, недостаточных для создания взрывоопасной смеси в зоне, превышающей 5% свободного объема помещения, причем работа проводится без применения открытого пламени Пространства у наружных установок, содержащих горючие газы или ЛВЖ Зоны в помещениях, в которых выделяются переходящие во взвешенное состояние горючие пыли или волокна в таком количестве и с такими свойствами, что они способны образовать с воздухом взрывоопасные смеси при нормальных режимах работы Зоны в помещениях, в которых опасные состояния, характерны для зон класса В-П, не имеют места при нормальной эксплуатации, а возможны только в результате аварий или неисправностей |
должны иметь классы вибрации 0,45; 0,7; 1,1 и 1,8 мм/с для Л^80 мм, 80 ^ to < 132 мм, 132 ^ to < 225 мм и to > 225 мм соответственно.
Выбор по уровню шума. Электрические двигатели в соответствии с ГОСТ 16372-84Е разделены на пять классов: 0, 1, 2, 3, 4.
К классу 0 относятся двигатели, работающие в кратковременном и повторно-кратковременном режимах (S2 — S8 по ГОСТ 183-74), двигатели со способами охлаждения IC03, IC13 (по ГОСТ 20459-75), многоскоростные асинхронные двигатели, асинхронные двигатели с повышенным скольжением и повышенным пусковым моментом.
К классу 1 относятся двигатели постоянного и переменного тока общего назначения.
К классу 2 — двигатели с малошумными подшипниками, малошумными вентиляторами и т. п.
К классу 3 — двигатели с пониженным использованием активных материалов, закрытые, с глушителями вентиляционного шума.
К классу 4 — двигатели со звукоизолирующим кожухом.
Уровни шума, соответствующие каждому классу, приведены в § 1.7. При выборе двигателей по уровню шума следует учитывать нормы шума для производственных помещений, которые оговаривают интегральный допустимый уровень шума всего установленного оборудования. Определение допустимого класса шума электродвигателей представляет поэтому отдельную, сложную задачу.
6.3.2. Выбор электродвигателей по мощности
От правильного выбора электродвигателя по мощности зависят надежность его работы в электроприводе и 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 нагрузка превышает номинальную, это приводит к увеличению токов и потерь мощности выше соответствующих номинальных значений, вследствие чего температура (превышение температуры) обмоток и магнитопровода двигателя может превысить допустимое значение. Рост температуры выше заданных значений приводит к резкому ускорению старения изоляции вследствие из-
менения ее физико-химических свойств и соответственно уменьшению срока службы и надежности двигателя в целом, поэтому одним из основных критериев выбора двигателя по мощности является температура (превышение температуры) 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 температура двигателя. Если при этих условиях выбрать двигатель таким образом, чтобы его номинальная мощность была равна наибольшей мощности 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 двигателя во времени, т. е. зависимость от времени мощности, электромагнитного момента и потерь двигателя. С этой целью для машин, работающих в циклическом режиме, обычно 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 температуру его отдельных частей при известном характере процесса их нагрева.
Этот подход позволяет выбрать двигатель таким образом, чтобы максимальная температура изоляции обмоток не превышала допустимого значения. Это условие является одним из основных для обеспечения надежной работы электродвигателя 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 или аварийного снижения напряжения.
Таким образом, для правильного выбора двигателя необходимо знать точную зависимость нагрузки от времени, на базе которой можно рассчитать потери в его отдельных частях. Затем необходимо провести подробный тепловой расчет с учетом в большинстве случаев переходных процессов (пуска, реверса, торможения, перехода от одной нагрузки к другой), на основании которого
электропривода; kj — коэффициент инерции. Выбор двигателя для работы в режимах
S6 и S7. Для работы в режимах S6 и S7 обычно выбираются двигатели, работающие в режиме S1. Расчет эквивалентных величин в этом случае выполняется по (6.6) и (6.8). Для режима S6 по этим формулам может быть осуществлен выбор двигателя, тогда как для режима S7 они используются для проверки выбранного двигателя, так как для этого режима расчет и построение достаточно точной нагрузочной диаграммы до выбора двигателя невозможны. Для обоих указанных режимов обязательна проверка по условиям (6.12).
Выбор двигателя для работы в режиме S8. При работе электропривода в режиме S8, как правило, выбираются двигатели режима S1. В этом случае предварительно расчет мощности двигателя может быть выполнен по (6.6) или (6.8). При выборе его мощности следует ввести коэффициент запаса, учитывающий специфику регулирования скорости электропривода, ухудшение условий охлаждения при снижении скорости, динамические нагрузки при переходе от одной ступени скорости к другой. После выбора двигателя строится уточненная нагрузочная диаграмма, для которой по (6.4) или (6.6) находятся эквивалентные за цикл значения тока или момента.
Частным случаем режима S6 является режим ударной нагрузки, когда момент статической нагрузки резко увеличивается, а затем снижается до момента холостого хода. К механизмам указанного типа могут быть отнесены ковочные машины, прессы, некоторые прокатные станы, поршневые насосы, компрессоры и т. п.
Обычно в электроприводах, работающих с ударной нагрузкой, на валу двигателя устанавливается дополнительный маховик, который берет на себя часть нагрузки при резком ее возрастании. Происходит это вследствие снижения скорости электропривода во время пика нагрузки, благодаря чему часть кинетической энергии, запасенной маховиком, передается на вал электропривода.
В период снижения нагрузки, когда скорость электропривода возрастает, запас кинетической энергии маховика вновь возрастает; двигатель при этом несет нагрузку большую, чем момент сопротивления холостого хода Mcq.
Во всех случаях общий принцип совместного выбора двигателя и маховика для механизмов с ударным характером нагрузки заключается в том, что кинетическая энергия
Рис. 6.1. График ударной нагрузки двигателя с маховиком
маховика к началу нового цикла должна оставаться неизменной, а скорость двигателя — постоянной и равной шсо. В процессе прохождения пиков нагрузки во время цикла маховик отдает энергию на вал (на рис. 6.1 соответствует площади заштрихованных участков со знаком « — »), а в период холостого хода, т. е. с увеличением скорости, запасает ее (площадь заштрихованных участков со знаком «+»). Энергия, отданная маховиком за цикл, должна быть равна энергии, вновь накопленной маховиком. Если это условие не соблюдается, то в последующие периоды начальная скорость цикла не будет оставаться постоянной, двигатель при этом будет перегружен либо выбран завышенной мощности.
Один из наиболее простых методов совместного предварительного выбора двигателя и маховика заключается в том, что из всего рабочего цикла рассматривается лишь наиболее тяжелый период нагрузки двигателя. На рис. 6.1 он определяется временем tj;. Указанный период характеризуется максимальным статическим моментом Ма моментом, который развивает двигатель в конце периода, Мё и начальным моментом двигателя Мсо- Для упрощения предварительных расчетов обычно полагают Мсо « Мс0.
Для приведенного графика, считая, что при Мс двигатель должен работать с максимальной перегрузкой, можно записать с — lvlmax — lvicmax\1 e J^iwcOe >
где Mmax — максимальный электромагнитный момент двигателя; 7^, — электромеханическая постоянная времени, Тм = JE /р = = Ji;0)osHOM/MHOM. Найдем момент инерции электропривода:
доходит до 90%. Погрешности для отдельных составляющих потерь могут достигать 70 % даже при времени переключения, достигающем 1,2 с.
Максимальное число реверсов, которое выдерживает серийный асинхронный двигатель, как показали расчеты, не превышает 3600 в час, или 1 реверс в секунду. Если привод требует большего числа реверсов, то для него необходим специально спроектированный двигатель*.
Выбор асинхронного двигателя для режима стохастической нагрузки. Общие принципы и критерии выбора электродвигателей для режимов SI —S8 распространяются и на режим стохастической нагрузки. Различие заключается в том, что нагрузочная диаграмма электропривода в этом случае не может быть выражена в виде определенной детерминированной зависимости MH(t) и для оценки нагрева двигателя необходимо пользоваться методами теории случайных процессов.
Определяющими при выборе двигателя для работы при стохастической нагрузке являются вероятностные характеристики момента сопротивления, от которых зависят аналогичные характеристики токов двигателя и превышений температуры его частей. В этом случае оценка теплового состояния двигателя по среднему значению нагрузки приводит к занижению температуры обмоток и погрешность тем больше, чем больше рассеяние (дисперсия) момента сопротивления от его среднего значения.
Для большинства случайных процессов справедливо правило «трех сигм», заключающееся в том, что с большой степенью вероятности можно говорить, что все возможные значения функции x(t) лежат в интервале — Зстх + тх, Зах +^тх, где тх и ах — соответственно математическое ожидание и среднеквадратичное отклонение случайного процесса х. Используя это правило, можно определить наибольшее значение превышения температуры обмотки двигателя:
Д9=<ДЭ> + Зст3;
здесь <ДЭ> — математическое ожидание превышения температуры; аэ — среднеквадратичное отклонение температуры.
Условие (6.22) будет являться критерием правильности выбора электродвигателя при
стохастической нагрузке и неизвестной корреляционной функции случайного процесса. Если можно получить корреляционную функцию, то Д& = <ДЭ> + fca3. Здесь /с = 0-ь 3 — коэффициент, учитывающий тепловую инерционность двигателя, интервал корреляции т и внутреннюю структуру случайного процесса изменения Д9((), который вследствие большой постоянной времени нагрева двигателя имеет закон распределения, приближающийся к нормальному.
Проверку правильности выбора электродвигателя по условиям нагрева для значений эквивалентного момента или эквивалентной мощности можно произвести по (6.7) и (6.9) с учетом того, что Мж и Рж определяются следующим образом:
Мж=У«М})2 + о2м; Рж = ]/«Р»2 + о2р,
где <М>, <Р> — математические ожидания соответственно момента и мощности; ам и ар — их среднеквадратичные отклонения.
Можно также вычислять Мж и Рж соответственно по формулам (6.6) и (6.8), которые справедливы для эргодических процессов M2(t) и P2(t), имеющих место во многих случаях при продолжительной работе электродвигателя на случайную нагрузку. Для эргодических случайных процессов характерно то, что они определяются по одной реализации, т. е. для таких процессов при нахождении вероятностных характеристик усреднение по ансамблю реализаций заменяется усреднением во времени.
При больших размахах колебаний случайной составляющей процесса относительно среднего момента первостепенное значение приобретает перегрузочная способность двигателя. В этом случае важным критерием правильности его выбора является максимальный вращающий момент
Mmax>Msmax. (6.23)
Так как в режиме случайного нагруже-ния Мтах также представляет случайный процесс, то для того чтобы условие (6.23) выполнялось с большой долей вероятности, необходимо Мтах вычислять с учетом одностороннего доверительного интервала, причем в сторону уменьшения среднего значения Мтах:
Мтах = <Мтах> - кам^.
Аналогичными соотношениями оценивается и пусковой момент двигателя при анализе условий пуска.
• Электромеханические процессы в асинхронном двигателе в режиме частых реверсов/
B. Я. Беспалов и др.//Электричество. 1985. № 1.
C. 62-64.
 |
|
|
|