Основы проектирования автоматизированных электроприводов производственных механизмов

11.4. Расчет мощности и выбор типа электродвигателя
При выборе приводного электродвигателя решается комплекс вопросов:

• 
  расчет мощности электродвигателя;
  
• 
  расчет номинальной скорости вращения (вместе с определением передаточного отношения механической передачи);
  
• 
  выбор двигателя в соответствии с режимом его работы по условиям нагрузки;
  
• 
  выбор двигателя по условиям пуска;
  
• 
  определение необходимой степени защиты оболочки двигателя;
  
• 
  выбор конструктивного исполнения на соответствие условиям окружающей среды;
  
• 
  выбор системы охлаждения двигателя.
  

По условиям окружающей среды двигатели изготавливают в следующих климатических исполнениях У, УХЛ, Т, М, ОМ (ГОСТ 15543-70) (для умеренного, умеренного и холодного, тропического и морского климата).

По степени защиты персонала от соприкосновения с токоведущими и движущимися частями и попадания посторонних тел внутрь машины, а также степени защиты от проникновения воды внутрь машины, они выпускаются в следующих исполнениях:

1Р00 - открытая электрическая машина, специальная защита отсутствует;

1Р10, 1Р20 - машина, защищенная от прикосновения и попадания посторонних предметов;

1Р11...1Р43 - машина, защищенная от капель воды, от прикосновения и попадания посторонних предметов;

1Р44-1Р54 - закрытая машина, защищенная от брызг, прикосновения и попадания посторонних предметов;

1Р55...1Р58 - закрытые машины, защищенные от водяных струй (1Р55) и от проникновения воды внутрь при неограниченно длительном погружении в воду (1Р58).

Кроме того, выпускаются машины для работы во взрывоопасной среде и в особых условиях окружающей среды.

По способу охлаждения двигатели подразделяют на машины с естественным охлаждением, с самовентиляцией, имеющие вентилятор на валу двигателя (защищенные или закрытые) и с независимой вентиляцией.

Для электроприводов, предназначенных для работы в динамических режимах (механизмы циклического действия, следящие электроприводы и другие) стремятся выбирать двигатель с пониженным моментом инерции ротора (якоря). Для таких условий изготавливаются малоинерционные двигатели. Для машин с кривошипно-шатунной кинематикой применяют двигатели с повышенным моментом инерции. Для электроприводов, работающих в повторно-кратковременном режиме и в неблагоприятных условиях эксплуатации, связанных с механическими нагрузками, воздействием повышенной влажности, температуры и прочее, изготавливаются двигатели специального конструктивного исполнения – двигатели краново-металлургических серий.

При выборе номинальных параметров электропривода возникает задача выбора величины передаточного коэффициента редуктора (или другой передачи), соединяющего вал электродвигателя с рабочим органом машины. Синхронные и асинхронные двигатели выпускаются с высокими скоростями вращения (синхронная скорость обычно 3000, 1500, 1000, 750, 600 об/мин), в то время как скорость рабочего органа, как правило, требуется значительно ниже. Для снижения скорости и соответствующего повышения момента на валу рабочего органа необходимо использование понижающей передачи (редуктора).

Следует иметь в виду, что масса, габаритные размеры электродвигателя (а, следовательно, его стоимость) определяются не его номинальной мощностью, а номинальным моментом.

, (11.1)

где: Р_н – номинальная мощность двигателя, Вт;

М_н – номинальный момент двигателя, Н.м;

- номинальная угловая скорость двигателя, 1/с;

n_н – номинальная скорость вращении, об/мин.

Номинальный момент двигателя пропорционален объему активных частей электрической машины и принятыми для этой машины величин электрических и электромагнитных нагрузок: допустимой плотности тока в обмотках А (А/мм²) и индукции в магнитопроводе В (Тл), т.е.

где: D и L – диаметр и длина активной части ротора двигателя.

Приближенно можно считать, что габариты и вес активных частей двигателя пропорциональны номинальному моменту. Например, двигатель с номинальной скоростью вращения (асинхронной) – 750 об/мин будет примерно в 4 раза больше (по активным частям) и дороже, чем двигатель той же мощности, но с номинальной (синхронной) скоростью 3000 об/мин.

Исходя из этого, конструктору при выборе кинематической схемы привода следует выбирать, чему отдать предпочтение: электродвигателю меньшего веса и меньших габаритов, но с редуктором, имеющим большое передаточное отношение, или большему по габаритам и весу электродвигателю в сочетании с более простым редуктором с меньшим передаточным отношением или вообще обойтись без механической передачи. Выбор производится, исходя из технико-экономических соображений и удобства компоновки конструкций рабочей машины в целом.

Для электроприводов малой и средней мощности (до 200 кВт), как правило, применяются редукторные электроприводы. Современным конструкторским решением является использование мотор-редукторов, в которых электродвигатель и редуктор объединены в один конструктивный узел.

Мощность приводного электродвигателя рассчитывается, исходя, главным образом, из трех условий:

1. 
   Нагрев двигателя во время работы не должен превосходить допустимый для данного класса изоляции.
   
2. 
   Перегрузочная способность двигателя должна быть достаточной, чтобы обеспечивать кратковременно максимальные значения момента, определяемые, как правило, динамическими режимами пуска или торможения.
   
3. 
   В случае привода механизмов с большим моментом инерции или для механизмов, имеющих большое число включений в час пусковые потери в двигателе не должны приводить к перегреву ротора.
   

Нагрев двигателя сверх допустимого значения приводит к ускорению старения изоляции и выходу двигателя из строя. Величина допустимого нагрева в зависимости от класса применяемой изоляции дана в табл.11.1.

Таблица 11.1

Допустимые температура нагрева и превышение температуры электродвигателя для различных классов изоляции

Параметры	Класс изоляции
	Е	В	F	H
Допустимая температура нагрева изоляционного материала (СТ-СЭВ 782-77), ^0С	120	135	155	180
Допустимая температура нагрева обмоток электродвигателя (ГОСТ 183-74), ^0С	-	120	140	165
Допустимое превышение температуры (ГОСТ 183-74), ^0С	75	80	100	125

Расчеты температуры перегрева двигателя в соответствии с известной нагрузочной диаграммой являются весьма трудоемкими. Наиболее точным методом является метод средних потерь энергии в двигателе ΔР_ср. Для каждой величины нагрузки определяют значение потерь в двигателе и далее находят среднее значение потерь за цикл работы. Такой метод редко применяется из-за сложности расчета потерь. Поэтому на практике пользуются косвенными методами оценки нагрева двигателя. Наиболее часто применяются методы эквивалентных величин: тока, момента или мощности.