Определение мощности электродвигателей привода

Силовое электрооборудование – комплекс электротехнических устройств, состоящих из потребителей (кроме освещения), распределительных сетей и аппаратуры управления, защиты и документирования технологических процессов.

В зависимости от длительности нагрузки электроприемники делят на три характерные группы:

1) работающие в режиме продолжительной неизменной или мало
меняющейся нагрузкой; в этом режиме электрооборудование может
работать продолжительное время без превышения температуры от­
дельных частей оборудования выше допустимой (например, электро­двигатели компрессоров, насосов, вентиляторов);

2) работающие в режиме повторно-кратковременной нагрузки;
в этом режиме кратковременные рабочие периоды электрооборудова­ния чередуются с кратковременными периодами отключения; кроме
того, в этом режиме электрооборудование может работать с допустимой
для него относительной продолжительностью включения неограничен­ное время (например, электродвигатели кранов, сварочные аппараты);

3) работающие в режиме кратковременной нагрузки; в этом режиме
электрооборудование может работать длительно, так как период оста­нова электрооборудования настолько длителен, что оно практически
успевает охладиться до температуры окружающей среды (например,
электродвигатели электроприводов вспомогательных механизмов ме­таллорежущих станков, гидравлических затворов).

При проектировании силового электроснабжения выбираются потребители электрической энергии и решаются вопросы их снабжения электрической энергией от источников питания. Первичные электроприемники получают питание непосредственно от силовой сети. К ним относятся электродвигатели, преобразователи, трансформаторы, высокочастотные индукционные печи и печи сопротивления, выпрямители.

Вторичные электроприемники получают питание от первичных источников электрической энергии. К числу вторичных потребителей электрической энергии относятся сварочные агрегаты, гальванические производства, аккумуляторные батареи, установки анодно – механической и электроискровой обработки, установки ультразвуковой обработки, магнитные столы и сепараторы, установки двигатель - генератор.

При проектировании электропривода необходимо знать:

мощность привода и режим его загрузки, число оборотов вала ротора и пусковой момент, пределы регулирования числа оборотов машины, число пусков в час, исполнение машины в зависимости от окружающей среды, и типа сочленения с исполнительным механизмом.

Абсолютное большинство применяемых электродвигателей - асинхронные с короткозамкнутым ротором. При соответствующем обосновании могут применяться более дорогие электрические машины с фазным ротором или коллекторные на постоянном или переменном токе. Чаще всего применяется напряжение 380 / 220 В. Для мощных асинхронных машин возможно применение напряжения 6 кВ. Электродвигатели постоянного тока обычно выпускаются на напряжения 110, 220, 440 В. При одинаковой мощности электродвигатели с более высоким числом оборотов ротора имеют меньший вес, габариты, стоимость и у них выше КПД и коэффициент мощности.

Среднее значение приведенных крутящих моментов электродвигателей М^*_ПУСК и М^*_МАХ (относительно М_НОМ), требуемое при пуске различных механизмов приведено в таблице 9.1.

В каталогах на электродвигатели обычно приводят кратности пусковых токов I ^*_ПУСК и пусковых моментов М ^*_ПУСК по отношению к их номинальным значениям:

; . (9.1)

Так как крутящий момент на валу асинхронной машины пропорционален квадрату питающего напряжения, пусковой момент, при потере напряжения на величину DU определяют из соотношения:

. (9.2)

Для вычисления потери напряжения при пуске машины необходимо знание коэффициента мощности Cos j _ПУСК в момент пуска и кратность пускового тока: I ^*_ПУСК , соответствующую фактическому напряжению на зажимах машины при пуске. Cos j _ПУСК с необходимой точностью определяют по

формуле инженера Е.И. Глобуса:

, (9.3)

где n = (0,25 ¸ 0,4) - коэффициент потерь электродвигателя, который в среднем можно принять равным: n @ 0,33.

Таблица 9.1 - Приведенные (относительно М_НОМ) моменты (М^*_ПУСК, М^*_МАХ) электродвигателей привода механизмов

Механизм	Момент в долях единицы от МНОМ
М*ПУСК	М*МАХ
Мельницы дисковые (пуск без нагрузки)	1,0	1,75
Шаровые мельницы (угли, нерудные исопаемые)	1,5	1,5
Шаровые рудные мельницы	1,75	1,75
Мельницы Жордана	0,5	1,5
Мукомольные мельницы	1,5	1,5
Стержневые рудные мельницы	1.75	1,75
Пилорамы, ленточные пилы	0,8	2,5
Круглопильные станки	0,4	2,5
Дефирберы древесины	1,25	1,5
Дефирберы магазинные (холостой пуск)	0,5	1,5
Дефирберы трех – четырех прессовые (холостой пуск)	0,4	1,5
Воздуходувки, вентиляторы центробежные, ротационные, пропеллерные	0,4	1,5
Вентиляторы агломерационных фабрик	0,6	1,5
Ножницы гильотинные бумажного производства, холостой пуск	0,6	2,5
Дробилки конусные и щековые (пуск без нагрузки)	1,0	2,5
Дробилки молотковые (холостой пуск)	1,2	2,5
Двигатель – генераторы	0,4	1,5
Пульперы гидравлические	1,25	1,5
Вальцы роликовые	1,25	2,25
Пластификаторы роликовые	1,25	2,5
Насосы центробежные горизонтальные	0,4	1,5
Насосы центробежные вертикальоные	0,5	1,5
Компрессоры поршневые	0,4	1,5
Насосы поршневые (пуск без залива), то же с байпасом	0,4	1.5
Насосы поршневые трехцилиндровые, без байпаса	1.5	1,5
Прокатный стан толстолистовой. Черновая линия рельсового стана Мелкосортовые заготовочные и штрипсовые станы	0,4	3.0
Прокатные станы. Чистовая линия рельсового стана	0,4	2,5
Прокатные станы проволочные непрерывные	1,0	2,5
Трубопрокатные, прошивные и автоматические станы	0,6	3,0
Трубопрокатные станы бесшовных труб, раскаточные станы	0,6	2,5
Станы прокатки листа и жести	2,0	2,5
Латунно – меднопрокатные станы, обжимные клети	0,5	2,5
Латунно – меднопрокатные станы, отделочные клети	1.5	2,5

Коэффициент мощности Cos j _ПУСК в момент пуска машины можно определить из выражения:

. (9.4)

Влияние потери напряжения на пусковой ток учитывают лишь тогда, когда мощность пускаемого асинхронного электродвигателя павна или превышает 30 % мощности источника питания или в случае запитки машины от протяженной и маломощной линии электропередачи. Перерасчет номинальной кратности пускового тока на фактическое его значение с учетом влияния реактивного сопротивления источника питания и линии (особенно воздушной) производится по формуле:

, (9.5)

где Х_{ТР НОМ} % = 5,5 % - реактивность трансформатора в %;

m = (S_{ЭДВ НОМ} / S_{ТР НОМ}) - отношение номинальной полной мощности электродвигателя S_{ЭДВ НОМ} [кВА] к номинальной полной мощности трансформатора S_{ТР НОМ} [кВА].

Пересчет номинальной кратности пускового тока на фактическое его значение с учетом влиянии электрической сети производится о формуле:

, (9.6)

где Х_ЭДВ - реактивное сопротивление электродвигателя [ Ом ];

Z_Л-ЭДВ - полное сопротивление цепи: сеть – обмотка машины [ Ом ], пренебрегая активным сопротивлением электродвигателя из–за его малости.

Для определения фактической кратности пускового тока с учетом влияния всех факторов используют выражение:

. (9.7)

Реактивное сопротивление электродвигателя определяют из соотношения:

, (9.8)

где S_ЭДВ - полная мощность электродвигателя [ ВА ].

Полное сопротивление цепи электрическая сеть – обмотка электродвигателя определяют из выражения:

. (9.10)

Реактивное сопротивление сети учитывают только для воздушных линий в зависимости от их длины L_СЕТИ,

Х _СЕТИ = Х^КМ_СЕТИ × L_СЕТИ, (9.11)

Значение Х^КМ_СЕТИ принимают по таблицам в зависимости от выбранных проводов или ориентировочно принимают равным: Х^КМ_СЕТИ = 0,5 [ Ом / км ].

По ПУЭ допускаемое снижение напряжения в сети DU_СЕТИ %, считая от шин источника питания, не должно превышать при нормальной работе электродвигателя в установившемся режиме 5 % (и до 6 – 7 %) и до 12 % в аварийном режиме. При пуске электродвигателя допускается снижение напряжения в сети до 10 % (частые пуски) и не более 15 % при редких пусках.

Потерю напряжения в обмотках трансформатора DU_ТР %, во время пуска электродвигателя с учетом обеспечения работы других потребителей определяют из соотношения (9.12):

,

где S_ЭДВ - полная мощность (короткого замыкания) на шинах низкого напряжения трансформатора [ кВА ] при пуске в работу самого мощного эдектродвигателя;

S_ПР - суммарная полная мощность прочих электродвигателей, подключенных к шинам низкого напряжения трансформатора [ кВА ];

Cosj_ПР - средневзвешенный коэффициент мощности прочих электропотребителей.

При определении мощности короткого замыкания S_КЗ на стороне низкого напряжения трансформатора (номинальной мощностью S_{ТР НОМ}) реактивностью системы обычно пренебрегают, тогда:

, (9.13)

где Х_{ТР НОМ} % = 5,5 % - реактивность трансформатора в % .

Допускаемая полная пусковая мощность электродвигателя:

. (9.14)

Предварительная оценка возможности прямого пуска электродвигателя с короткозамкнутым ротором осуществляется по таблице 9.2.

Таблица 9.2 – Предельная допускаемая мощность электродвигателя с короткозамкнутым ротором для прямого пуска

Источник питания	Предельная номинальная мощность электродвигателя с короткозамкнутым ротором для прямого пуска
Передвижные электростанции	0,1 ¸ 0,12 кВт на 1 кВт мощности генератора
Трансформаторная подстанция	До 30 % мощности трансформатора (редкие пуски). До 20 % мощности трансформатора (частые пуски)
Блок трансформатор – двигатель	До 80 % мощности трансформатора
Высоковольтная сеть	Не более 3 5 мощности трехфазного КЗ в точке подключения к электродвигателю

Влияние температуры окружающей среды на допускаемую мощность электродвигателя приведено в таблице 9.3.

Таблица 9.3 - Влияние температуры окружающей среды на мощность машины

t ° C	Изменение мощности в % от Р НОМ
	+ 8 + 5 ±0
	-5 - 12,5 - 25

Пересчет зависимости мощности машины Р_t2 от температуры t₂ °C окружающей среды, отличной от 35 °С по приближенной формуле:

, (9.15)

где t_ПРЕД °С - предельная допустимая температура двигателя (зависящая от класса изоляции) .

На мощность машины влияет и число оборотов ротора n, снижение которых ухудшает условия обдува (и охлаждения) (таблица 9.4):

Таблица 9.4 - Зависимость крутящего момента М % и мощности Р % на валу (в % от номинальных значений М_НОМ, Р_НОМ) машины в зависимости от числа оборотов ротора n

	n в % от n НОМ
М
Р

При работе машины на высоте более 1000 м над уровнем моря (в условиях пониженного давления), в целях сохранения температуры машины в допустимых пределах, снижается мощность на валу машины (таблица 9.5).

Таблица 9.5 - Снижение мощности Р машины (в % от Р_НОМ) в зависимости от высоты установки ее над уровнем моря

Высота Н над уровнем моря [ м ]	Давление атмосферы [ мм Нg ]	Снижение мощности Р машины (в % от РНОМ)

Серьезное влияние на коэффициент полезного действия h и коэффициент мощности Cos j машины оказывает ее загрузка b. Коэффициент полезного действия h при недогрузке машины определяется из выражения:

; (9.16)

где ; ;

а = (0,5 ¸ 1,0) - машины постоянного тока последовательного возбуждения и асинхронные машины;

а = (1,0 ¸ 2,0) - машины постоянного тока параллельного возбуждения, крановые асинхронные машины.

Вместо коэффициента мощности (Cos j) асинхронных машин их «реактивность» часто оценивают тангенсом угла потерь (tg j):

. (9.17)

Потерю мощности DР электрических машин определяет выражение:

. (9.18)

Потери мощности в ящиках сопротивлений принимают в среднем 1 [ кВт ] на ящик, а в магнитных станциях (потери в катушках контакторов и реле) - 0,2 [кВт] на ящик (панель).

Возможное время кратковременной работы машины t_КРАТК [час], предназначенной для длительного режима работы, определяется выражением:

(9.19)

где Т – постоянная времени машины [час];

к = (Q _КРАТК / Q _ДЛИТ) - термический коэффициент перегрузки, определяемый по графику (рисунок 9.1) ;

Q _КРАТК; Q _ДЛИТ - тепловые потери при кратковременной перегрузке и при длительном режиме работы.

Пренебрегая при приближенных расчетах постоянными потерями для определения механического коэффициента перегрузки по мощности К_{Р МЕХ} можно воспользоваться выражением:

, (9.20)

где Р_ДЛИТ, Р _КРАТК - длительная и кратковременная мощность машины.

К

6 Рисунок 9.1 – Значение термического коэффициента

перегрузки к

0,4 0,8 1,2 1,6 1,82,0 t_КР /Т