Выбор электродвигателей по мощности

Общие положения

Выбор мощности электродвигателя должен производиться в соответствии с характером нагрузок рабочей машины. Этот характер оценивают по двум признакам:

а) по номинальному режиму работы;

б) по изменениям величины потребляемой мощности.

ГОСТ 183-55 различает следующие режимы работы:

а) продолжительный (длительный), когда рабочий период настолько велик, что нагрев электродвигателя достигает своего установившегося значения (например у насосов, ленточных транспортеров, вентиляторов и т. п.);

б) кратковременный, когда длительность рабочего периода недостаточна для достижения электродвигателем температуры- нагрева, соответствующей данной нагрузке, а периоды остановки, наоборот, достаточны для охлаждения электродвигателя до температуры окружающей среды; в этом режиме могут работать электродвигатели самых разнообразных механизмов;

в) повторно-кратковременный — с относительной продолжительностью включения 15, 25, 40 и 60t при продолжительности одного цикла не более 10 мин (например у подъемных кранов, некоторых станков, однопостовых сварочных двигателей-генераторов и т. п.).

Относительная продолжительность включения определяется из выражения:


При этом нормальная продолжительность цикла tv -f- tn принимается равной 10 мин.

По изменениям величины потребляемой мощности различаются следующие случаи:

а) постоянная нагрузка, когда величина потребляемой мощности в течение работы постоянна или имеет незначительные отклонения от среднего значения, как, например, у центробежных насосов, вентиляторов, компрессоров с постоянным расходом воздуха и т. п.;

б) переменная нагрузка, когда величина потребляемой мощности периодически меняется, как, например, у экскаваторов, кранов, некоторых станков и т. п.;

в) пульсирующая нагрузка, когда величина потребляемой мощности меняется непрерывно, как, например, у поршневых насосов, щековых дробилок, грохотов и т. п.

Мощность электродвигателя должна удовлетворять трем условиям:

а) нормального нагрева при работе;

б) достаточной перегрузочной способности;

в) достаточного пускового момента.

Все электродвигатели подразделяются на две основные группы:

а) для длительного режима работы (без ограничения продолжительности включения);

б) для повторно-кратковременного режима с продолжительностями включения 15, 25, 40 и 60%.

Для первой группы в каталогах и паспортах указывается длительная мощность, которую электродвигатель может развивать неограниченно долго, для второй группы — мощность, которую электродвигатель может развивать, работая с перерывами сколь угодно долгое время при определенной продолжительности включения.

Правильно выбранным во всех случаях считается такой электродвигатель, который, работая с нагрузкой но графику, заданному рабочей машиной, достигает полного допустимого нагрева всех своих частей. Выбор электродвигателей с так называемым «запасом по мощности», исходя из наибольшей возможной по графику нагрузки, ведет к недоиспользованию электродвигателя, а следовательно, к увеличению капитальных затрат и эксплуатационных расходов за счет снижения коэффициентов мощности и полезного действия.

Чрезмерное увеличение мощности электродвигателя может привести также к рывкам во время разгона.


Если электродвигатель должен работать длительно с постоянной или мало меняющейся нагрузкой, то определение мощности его не представляет затруднений и производится по формулам, обычно включающим эмпирические коэффициенты.

Значительно сложнее выбор мощности электродвигателей иных режимов работы.

Кратковременная нагрузка характеризуется тем, что периоды включения коротки (обычно существенно короче величины 3Т, где Т — постоянная времени нагрева выбранного электродвигателя), а паузы достаточны для полного охлаждения электродвигателя. При этом принимается, что нагрузка электродвигателя в периоды включения сохраняется постоянной или почти постоянной. Для того чтобы в этом режиме электродвигатель был правильно использован по нагреву, необходимо выбрать его так, чтобы его длительная мощность (указываемая в каталогах) была меньше мощности, отвечающей кратковременной нагрузке, т. е. чтобы электродвигатель в периоды своей кратковременной работы имел тепловую перегрузку. Вопрос о допустимой величине последней должен решаться на основании известного из курсов электропривода соотношения:


На рис. 3-1 представлена кривая для определения К, построенная по этому уравнению.


Следует иметь в виду, что пренебрежение постоянными потерями не всегда допустимо и в некоторых случаях может повести к ошибкам. Поэтому вышеуказанные формулы применимы только для небольших электродвигателей.

Если у проектировщика имеются более подробные данные в отношении потерь в электродвигателе, то аналогичная задача может быть решена более точно с помощью указаний, излагаемых в курсах теории электропривода.

Если периоды работы электродвигателя значительно меньше времени, необходимого для его полного нагрева, но паузы между периодами включения существенно короче времени полного охлаждения, то имеет место повторно-кратковременная нагрузка.

Практически следует различать два вида такой работы:

а) нагрузка в период работы по величине постоянна и, следовательно, график ее изображается прямоугольниками, чередующимися с паузами;

б) нагрузка в период работы изменяется по более или менее сложному закону.

В обоих случаях задача выбора электродвигателя по мощности может быть решена как аналитически, так и графически. Оба эти способа являются достаточно сложными, поэтому практически рекомендуется упрощенный метод эквивалентных величии, включающий в себя три способа:

а) среднего квадратичного тока:

б) средней квадратичной мощности;

в) среднего квадратичного момента.

Способ среднего квадратичного тока

Способ основан на учете нагрева, пропорционального квадрату тока, и, следовательно, не учитывает нагрева, вызываемого постоянными потерями.

Задача сводится к определению такого эквивалентного тока неизменной величины, который произвел бы такой же нагрев электродвигателя, как и действительный ток, меняющийся согласно графику нагрузки.

Если в период работы нагрузка постоянна, то средний квадратичный ток можно определить по формуле:


При вычислении по второй из формул результаты будут тем точнее, чем на большее число участков мы разобьем переменный график нагрузки за время одного цикла, т. е. чем меньше будут отрезки времени tt.

Если полученная величина среднего квадратичного тока окажется близкой к величине номинального тока электродвигателя (но не будет выше ее), то электродвигатель не перегреется и, стало быть, будет выбран правильно.

Следует иметь в виду, что этот способ, учитывающий лишь средний нагрев от эквивалентного тока, без мгновенных температурных максимумов, неприменим в случаях, когда внутреннее сопротивление электродвигателя меняется в течение цикла. Это имеет место у короткозамкнутых электродвигателей с глубоким пазом или с двойной беличьей клеткой, у которых вторичное сопротивление сильно меняется в пусковом и тормозном режимах, а также при реверсе.

Способ средней квадратичной мощности

Этот способ является производным из изложенного выше и применяется в тех случаях, когда удобнее пользоваться графиком мощности, а не тока. По аналогии со средним квадратичным током, средняя квадратичная мощность в общем случае определяется по формуле:


Если электродвигатель в период холостой работы отключается от сети, останавливается и вновь пускается, как это изображено диаграммой на рис. 3-3, то это иногда ухудшает температурный режим электродвигателя, так как ослабляется и как раз в наиболее тяжелые периоды, когда нагрузка является усиленной. Для того чтобы учесть это обстоятельство, рекомендуется в знаменатель выражения для Лф.кв вводить время /, и 1Л замедленного вращения (рис. 3-3) с коэффициентом 0,75, а время паузы (» с коэффициентом 0,5. Как вариант, иногда вводится коэффициент 0,33 только на время паузы /ci-

Тогда средние квадратичные мощности определяются по формулам:


Мощность в период пуски принимается обычно постоянной и равной максимальному значению.

Способы среднего квадратичного тока и средней квадратичной мощности неприменимы в случае выбора электродвигателей постоянного тока, работающих с переменным нряжением на зажимах якоря (система с собственным генератором и подобные ей). В этих случаях следует применять способы, основанные ка непосредственном определении потерь.

Способ среднего квадратичного момента

Аналогично средним квадратичным значениям тока или мощности средний квадратичный момент определяется по формуле:


Этот способ находит применение в тех случаях, когда рабочая диаграмма представляет зависимость М — f(t).

Применение этого способа исключается для короткозамкнутых асинхронных электродвигателей, когда в рабочие циклы входят и переходные процессы пуска, торможения или реверса, а также для электродвигателей постоянного тока при работе с переменным потоком (электродвигатели с последовательным и смешанным возбуждением).

Пересчет мощности с одной продолжительности включения на другую

Для пересчета служит формула:


После выбора мощности электродвигателя по условиям нагрева необходимо произвести проверку механической перегрузочной способности электродвигателя, т. е. убедиться, что максимальный момент нагрузки по графику при работе и момент при пуске не будут превышать значения максимального момент по каталогу.

У асинхронных и синхронных электродвигателей величина допустимой механической перегрузки обуславливается их опрокидывающим электромагнитным моментом, по достижении которого эти электродвигатели останавливаются.

Кратность максимальных моментов по отношению к номинальным должна по ГОСТ составлять 1,8 у трехфазных асинхронных электродвигателей с контактными кольцами и не менее 1,65 у таких же короткозамкнутых электродвигателей; кратность максимального момента синхронного электродвигателя должна быть также не ниже 1,65 при номинальных напряжениях, частоте и токе возбуждения, с коэффициентом мощности 0,9 (при опережающем токе).

Практически асинхронные и синхронные электродвигатели имеют механическую перегрузочную способность до 2—2,5, а у некоторых специальных электродвигателей эта величина повышается до 3—3,5.

Допустимая перегрузка электродвигателей постоянного тока определяется условиями работы и по ГОСТ составляет по моменту от 2 до 4, причем нижний предел относится к электродвигателям с параллельным, а верхний — к электродвигателям с последовательным возбуждением.

Если питающая и распределительная сети чувствительны к нагрузке, то проверка механической перегрузочной способности должна производиться с учетом потерь напряжения в сетях.

Для асинхронных короткозамкнутых и синхронных электродвигателей кратность начального момента должна быть не менее 0,9 (по отношению к номинальному).

В действительности кратность начального момента у электродвигателей с двойной беличьей клеткой и с глубоким пазом значительно выше и достигает 2—2,4. Моменты, необходимые для различных механизмов, см. в табл. 3-7.

При выборе мощности электродвигателя следует иметь в виду, что на нагрев электродвигателей оказывает влияние частота включений. Допустимая частота включений зависит от нормального скольжения, махового момента ротора и кратности пускового тока.

Асинхронные электродвигатели нормальных типов допускают без нагрузки от 400 до 1000, а электродвигатели с повышенным скольжением — от 1100 до 2700 включений в час. При пуске под нагрузкой допустимое число включений значительно сокращается. Пусковой ток электродвигателей с короткозамкнутым ротором имеет большую величину, и это обстоятельство в условиях частых пусков, и особенно при повышенном времени разгона, имеет важное значение.

В противоположность электродвигателям с фазовым ротором, в которых часть тепла, образующегося при пуске, выделяется в реостате, т. е. вне машины, в короткозамкнутых электродвигателях все тепло выделяется в самой машине, что обуславливает ее повышенный нагрев. Поэтому выбор мощности этих электродвигателей нужно производить с учетом нагревания во время многочисленных пусков. В курсах электропривода приводятся выражения, определяющие Z — допустимое число включений в час короткозамкнутого электродвигателя. Одним из наиболее простых выражений этого рода является следующее:



Инж. А. Г. Меклер [Л. 1] предложил для подъемников следующую простую формулу для определения допустимого числа включений в час:


Определение мощности электродвигателей для привода некоторых механизмов продолжительного режима работы при постоянной нагрузке

Для некоторых частных, но распространенных случаев потребная мощность электродвигателей может быть непосредственно вычислена в функции технологических показателей механизма. Ниже для справок приведен ряд подобных формул.

1. Металлорежущие станки


3. Вентиляторы


4. Грузоподъемные машины А. Для механизмов подъема:



Полученную по приведенной формуле мощность электродвигателя необходимо также проверить по режиму пуска, аналогично указанному для механизма подъема.

5. Механизмы непрерывного транспорта А. Для ленточных транспортеров:



Значения коэффициентов А, В и С в зависимости от ширины ленты приведены в табл. 3-4.


Коэффициенты приведены для подшипников скольжения; для подшипников качения коэффициенты следует уменьшать вдвое. При сбрасывателе, имеющем форму волнореза, коэффициент С также уменьшается вдвое.

Приближенные расчеты горизонтальных транспортеров можно производить по формуле:


Значения коэффициента Wc для скребковых транспортеров при малоабразивном материале (кусковом угле, поваренной соли) приведены в табл. 3-5.