Кузнецов - Выбор электродвигателей к производственным механизмам (1984)

ОБЩИЕ ЗАДАЧИ ВЫБОРА ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ

Основой электропривода является электрический  двигатель. Соответствие его конструктивных, механических и энергетических параметров условиям работы  производственного механизма обеспечивает заданную  производительность, качество продукции, надежность и  экономичность.

При выборе электродвигателя для рабочей машины приходится решать широкий круг вопросов, а именно рассчитать его мощность, выбрав род тока, напряжение, угловую скорость, конструктивное исполнение  электродвигателя. Для этого необходимо знать условия работы электрифицируемой машины, которые должны быть сформулированы в задании на проектирование. Кинематическая схема и даже конструкция  машинного устройства в значительной степени определяются типом примененного электропривода, который, с одной стороны, сам зависит от свойств рабочей машины, а с другой влияет на ее конструктивные особенности. В связи с этим проектирование электропривода  осуществляется параллельно с проектированием рабочей  машины в самой начальной стадии. В производственных условиях при эксплуатации  электроприводов необходимость выбора электродвигателя чаще всего возникает при замене слабозагруженных асинхронных электродвигателей, модернизации  оборудования, изменении технологического процесса. Здесь  приходится решать значительно меньше задач, чем при проектировании электропривода, однако требуются  знания и навыки по определению оптимальных нагрузок, пусковых свойств и перегрузочных способностей  электродвигателя.

НОМИНАЛЬНЫЕ ДАННЫЕ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ

Номинальными данными электродвигателя  называются величины, указанные на его заводском щитке и характеризующие номинальный режим его работы,  например мощность, напряжение, ток, частоту вращения. Номинальной мощностью электродвигателя  называется полезная механическая мощность на его валу,  выраженная в ваттах (Вт), киловаттах (кВт) или  мегаваттах (мВт). Номинальное напряжение (В, кВ) и номинальный ток (А, кА) электрической машины соответствуют  номинальному режиму ее работы. Номинальным напряжением трехфазной электрической машины называется  междуфазное (линейное) напряжение ее, а номинальным  напряжением ротора асинхронного электродвигателя с контактными кольцами — напряжение разомкнутой обмотки ротора между контактными кольцами в неподвижном его состоянии при включенной на номинальное  напряжение обмотке статора.

Нагрузкой электродвигателя называется мощность, которую он развивает в данный момент времени. Она выражается в ваттах, киловаттах или мегаваттах либо в процентах или долях номинальной мощности. Если  нагрузка равна номинальной мощности, то она называется номинальной. Нагрузка может быть задана током, потребляемым электродвигателем в данный момент, и тогда она  выражается в амперах, процентах или в долях номинального тока.

ОСНОВНЫЕ КОНСТРУКТИВНЫЕ ИСПОЛНЕНИЯ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ

Исполнение электродвигателей по способу монтажа. .В единых сериях электродвигателей общего назначения применяются различные формы их исполнения по  способу монтажа, что обусловлено размерами  электромашины, ее конструкцией, степенью защиты, высотой оси вращения и т. д. Формы исполнения электродвигателей по способу монтажа и их условное обозначение установлены  стандартом СЭВ (СТ СЭВ 246—76). В обозначение входят буквы IM и четыре цифры, первая из которых определяет группу (от 1 до 9), а остальные — способ монтажа и  форму конца вала. Наиболее распространенными являются следующие группы конструктивного исполнения: 1 — электродвигатели на лапах с подшипниковыми щитами; 2 — то же с фланцем на одном щите; 3 — без лап с  подшипниковыми щитами, с фланцем на одном щите. Обозначение конца вала, т. е. части его, выступающей за подшипник: 0 — без конца вала; 1 — с одним цилиндрическим концом; 2 — с двумя цилиндрическими  концами и т. д.

Например, условное обозначение машины IM1001  расшифровывается таким образом: машина на лапах с  двумя подшипниковыми щитами и горизонтальным «алом, конец вала — цилиндрический; IM101I — машина на  лапах с двумя подшипниковыми щитами и вертикальным валом, конец вала — цилиндрический, направлен вниз; IM3001 — машина без лап с подшипниковыми щитами, с фланцем на одном подшипниковом щите, доступным с обеих сторон, с горизонтальным расположением вала, конец вала — цилиндрический. Исполнение электродвигателей по степени защиты. Различают исполнение по степени защиты от попадания внутрь машины посторонних предметов и от возможного соприкосновения обслуживающего персонала с токоведущими и вращающимися частями, находящимися внутри машины. ГОСТ 14254—69 устанавливает обозначение исполнений, состоящее из двух букв IP и двух цифр,  первая из которых (от 0 до 6) характеризует степень защиты персонала от соприкосновения с токоведущими частями, находящимися внутри машины, а вторая, (от 0 до 8) — степень защиты самой машины от проникновения в нее влаги.

Наиболее распространенными исполнениями по  степени защиты являются машины IP22 и IP24. Они  соответствуют защите от соприкосновения с токоведущими и вращающимися частями машины пальцев человека и твердых предметов диаметром более 12,5 мм (первая цифра 2), а также защите от попадания в машину капель воды. Исполнение IP22 предусматривает защиту от  проникновения внутрь машины капель, падающих под углом не более 15° к вертикали, а исполнение IF23 — под углом не более 60° к вертикали. Машины исполнения IP22 и IP23 называются каплезащищенными (по старой  терминологии). Машины исполнения IP44 защищены от  соприкосновения инструментов, проволоки или других подобных предметов, толщина которых не превышает 1 мм, с  токоведущими частями, а также от попадания внутрь машины предметов диаметром более 1 мм (первая цифра).  Вторая цифра обозначает, что машина защищена от  попадания внутрь корпуса водяных брызг любого направления. Такие машины называются также закрытыми.Обозначение способов охлаждения электрических  машин (ГОСТ 2059—-75) состоит из латинских букв 1С,  характеризующих цепь охлаждения; прописной буквы, обозначающей вид хладагента (воздух — А,  водород— Н, вода — W и т. д.), и двух цифр. Первая цифра означает устройство цепи для циркуляции хладагента, вторая — способ его перемещения. Если хладагентом является воздух, то буква опускается. Если машина имеет две и более цепи охлаждения, то в обозначении указываются цифровые характеристики всех цепей,  начиная с цепи со вторичным хладагентом (с более низкой температурой). Поэтому в обозначении машин с  воздушным хладагентом могут быть четыре буквы, две из  которых (например, для закрытых машин)  характеризуют внешнюю цепь охлаждения и две — внутреннюю (табл. 1).

Для специальных целей выпускаются  электродвигатели с более высокой степенью защиты, например IP57. В этом исполнении машина защищена от попадания внутрь корпуса пыли л может работать даже при  погружении в воду. Исполнение электродвигателей по способу  вентиляции. Данный вид исполнения предусматривает ту или иную систему вентиляции, расположение вентилятора и систему забора охлаждающего воздуха. Например, два наиболее распространенных в настоящее время  исполнения по степени защиты IP23 (или IP22 для электродвигателей постоянного тока) и IP44 связаны определенным образом с системами вентиляции и способами  охлаждения. Исполнение по степени защиты IP23 (или IP22) включает машины с внутренней самовентиляцией и  продувом воздуха. При этом вентилятор располагается на валу машины, а воздух, проходя внутри корпуса,  охлаждает обмотки и сердечники. Исполнение по степени  защиты IP23 имеет радиальную систему вентиляции, а IP22—аксиальную (осевую).

Машины исполнения IP44 с самовентиляцией имеют наружный обдув. Охлаждающий воздух направляется вдоль наружной поверхности корпуса с помощью  вентилятора, установленного вне корпуса на выступающем конце вала. Выпускаются также машины этого  исполнения с независимой вентиляцией, "где охлаждающий  воздух поступает от отдельного пристроенного вентилятора. Исполнение электродвигателей по воздействию  климатических факторов. Исполнение электродвигателей для различных климатических районов, их категории,  условия эксплуатации, хранения и транспортирования при воздействии климатических факторов среды установлены ГОСТ 15150—69 и 15143—70. Например, исполнение электродвигателей, предназначенных для эксплуатации на суше, реках или озерах в макроклиматических  районах с умеренным климатом, обозначается буквой У, с  холодным климатом — буквами ХЛ, с влажным  тропическим климатом — буквами ТВ, во всех климатических районах на суше (общеклиматическое исполнение) — буквой О.

Категория размещения электродвигателей  обозначается цифрой (от 1 до 5), следующей за буквами. Исполнение электродвигателей, которые могут  эксплуатироваться на открытом воздухе, обозначается цифрой 1; в закрытом помещении, где температура и влажность несущественно отличаются от наружного воздуха,—  цифрой 2; в закрытом помещении, в котором температура и влажность, а также воздействие песка и пыли на  машину существенно меньше, чем на открытом воздухе,— цифрой 3; в помещениях с искусственно регулируемыми климатическими условиями, например в закрытых  отапливаемых помещениях,— цифрой 4; в помещениях с  повышенной влажностью, в которых возможно длительное наличие воды, например в неотапливаемых и невентилируемых подземных помещениях,— цифрой 5.

Электродвигатели общего назначения, к которым не предъявляются какие-либо дополнительные требования, имеют исполнение УЗ или У4, т. е. они могут работать в районах с умеренным климатом в закрытых  помещениях категории 3 или 4.

ОСНОВНЫЕ СЕРИИ И ТИПОРАЗМЕРЫ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ

Электродвигатели переменного и постоянного тока общепромышленного исполнения выпускаются в виде единых серий, объединенных общностью расчета,  конструкции и технологии производства. Каждая серия имеет свои шкалы мощностей и единую увязку с  установочными и присоединительными размерами. Это  позволяет изготавливать электродвигатели на основе широкой унификации деталей, способствует внедрению  прогрессивных технологических процессов, повышению  надежности и улучшению технико-экономических показателей двигателей.

Асинхронные электродвигатели. На долю этих  двигателей приходится свыше 40 % вырабатываемой в стране электроэнергии. На их изготовление расходуется  большое количество дефицитных материалов: обмоточной меди, изоляционных материалов, электротехнической стали и других. Поэтому создание серий  высокоэкономичных и надежных электродвигателей является важнейшей народнохозяйственной задачей, а правильный их выбор, эксплуатация и ремонт играют большую роль в  экономии материальных и трудовых ресурсов. До недавнего времени выпускались асинхронные электродвигатели серий А и АО мощностью от 0,6 до 100 кВт. Теперь они заменены более совершенными  сериями А2 и 0А2 с тем же диапазоном мощностей.

В настоящее время промышленность выпускает  трехфазные асинхронные электродвигатели серий 4А  (закрытые обдуваемые) и 4АН (защищенные). По сравнению с электродвигателями серии А2 при их производстве  экономится 24 % электротехнической стали, 25 %  обмоточной меди, 20 % чугунного литья, 10 % алюминия, 30 % стального проката. Масса электродвигателей  снижается на 22 %.

Электродвигатели этой серии на напряжение до 1000 В включают в себя основные исполнения и модификации: с повышенным пусковым моментом, с  повышенным скольжением, многоскоростные, с фазным ротором, со встроенным электромагнитным тормозом,  малошумные; специализированные исполнения исходя из условий окружающей среды: тропическое, химически стойкое, для холодного климата, для сельского хозяйства.

Серия 4А охватывает диапазон номинальных  мощностей от 0,06 до 400 кВт (при 1500 об/мин), имеет 17  высот оси вращения от 50 до 355 мм. Электродвигатели этой серии изготовляются на  следующие номинальные напряжения (основное  исполнение): напряжение, В 220, 380 220, 380, 660 220/380 380/660 мощность, кВт 0,06—0,37 0,55—13 15,0—110 380/660 132-400

Принята новая система обозначения типоразмеров электродвигателей серии 4А (ГОСТ 19523—74): 4 —  номер серии; А — тип (асинхронный); Н — защищенное исполнение; отсутствие буквы — закрытое, обдуваемое; К — ротор фазный; отсутствие буквы — ротор коротко- замкнутый; А — станина и щиты алюминиевые; X —  станина алюминиевая, щиты чугунные; отсутствие буквы — станина и щиты чугунные или стальные; две или три  цифры — высота оси вращения; S, M, L — установочный  размер по длине станины (меньший, средний, больший); А и В — меньшая и большая длина сердечника при  определенном установочном размере; отсутствие буквы — при данном установочном размере выполняются «сердечники только одной длины; одна или две цифры — число  полюсов; У — климатическое исполнение; 3 — категория  размещения по ГОСТ 15150—69.

Примеры обозначения электродвигателей: 4А180М4УЗ — трехфазный асинхронный, 4-й серии, закрытого  обдуваемого исполнения с короткозамкнутым ротором, с  чугунными станиной и щитами, высотой оси вращения 180 мм, средним (М) установочным размером по длине станины, четырехполюсный, климатическое  исполнение У (умеренный климат), категория размещения 3; 4АН315510УЗ — трехфазный асинхронный, 4-й серии,  защищенного исполнения с короткозамкнутым ротором, со стальными станиной и щитами, высотой оси вращения мм, меньшим (S) установочным размером, десятиполюсный, климатическое исполнение У, категория  размещения 3; 4АНК315510УЗ —то же, что и в предыдущем примере, но с фазным ротором. В обозначение  встраиваемых электродвигателей после серии добавляется  буква В, например 4АВ180А6УЗ.

Увязка номинальных мощностей с установочными размерами в зависимости от степени защиты и числа  полюсов для электродвигателей основного исполнения определена ГОСТ 19583—81 (табл. 2 и 3). Асинхронные электродвигатели выпускаются двух конструктивных типов: с короткозамкнутым и фазным ротором. Преимущественное применение имеют  электродвигатели с короткозамкнутым ротором, как более  дешевые в производстве и надежные в эксплуатации.  Основной их недостаток — отсутствие экономичного способа плавного регулирования частоты вращения.

Конструктивное оформление асинхронных машин  претерпевает в последние годы заметное изменение.  Наблюдается переход от круглых внешних очертаний к  прямоугольным. Прямоугольная форма более эстетична, так как она лучше вписывается в интерьер  производственных помещений, гармонируя с прямоугольными линиями колонн, перекрытий, мостовых кранов. Прямоугольные станины электродвигателей со степенью защиты 1Р23 позволяют улучшить условия охлаждения без  увеличения их габаритных размеров. Электродвигатели с повышенным пусковым моментом предназначены для привода механизмов с тяжелыми условиями пуска (компрессоры, поршневые насосы, транспортеры, дробилки и др.).' Они выпускаются в исполнении по степени защиты 1Р44, в диапазоне высот оси вращения 160—250 мм на синхронные частоты вращения 1500, 1000, 750 об/мин и соответствуют ГОСТ 20818—75. По шкале мощностей, шкале  установочных размеров и их взаимной увязке электродвигатели соответствуют основному исполнению. В их обозначение после серии добавляется буква Р, например 2АР180М8УЗ.

Эти электродвигатели выпускаются в исполнении по степени защиты 1Р44. В их обозначении приводятся все числа полюсов, на которые переключаются обмотки. Например, четырехскоростной электродвигатель с  числами полюсов 12/8/6/4 обозначается: 4А200М12/8/6/4УЗ.

Электродвигатели с фазным ротором предназначены для привода механизмов, требующих плавного  регулирования частоты вращения ниже номинальной (лебедки, волочильные станы), а также механизмов с особо  тяжелыми условиями пуска (центрифуги, сепараторы).  Выпускаются в исполнении по степени защиты 1Р44 DАК) и 1Р23 DАНК) соответственно в следующих диапазонах высот оси вращения: 160—250, 160—235.

Электродвигатели со встроенным тормозом  применяются для привода механизмов, требующих  фиксированного останова в регламентированное время  (металлообрабатывающие станки). Выпускаются в исполнении по степени защиты 1Р44, в диапазоне высот оси вращения 56—160 мм. В их обозначение после числа полюсов  добавляется буква Е, например 4А112М6ЕУЗ. Малошумные электродвигатели предназначены для работы в помещениях с пониженным уровнем шума (жилые здания, метрополитен). Выпускаются в  исполнении по степени защиты 1Р44, в диапазоне высот оси  вращения 56—160 мм с частотой вращения 1500, 1000 и 750 об/мин. В их обозначение после числа полюсов добавляется буква Н, например 4А160М6НУЗ.

К специализированным исполнениям для различных условий окружающей среды относятся электродвигатели: тропического исполнения Т; для районов с холодным климатом ХЛ; химически стойкого исполнения X;  сельскохозяйственного исполнения СХ. Эти буквы в  качестве дополнительных указываются после числа  полюсов, например 4A132S2T2, 4А90Ь2ХУ5, 4А13252ХЛ2, 4А160М4СХУ2.

Электродвигатели постоянного тока применяются не так широко, как асинхронные, из-за меньшей  надежности, сложности эксплуатации и большой стоимости, обусловленных наличием в их конструкции  механического преобразователя частоты — коллектора, а  также необходимостью специальных источников питания. Вместе с тем есть и преимущество, которое состоит в том, что при работе они допускают плавное регулирование частоты вращения в широком диапазоне, обладают высокими пусковыми и перегрузочными моментами. Это предопределило их применение в электроприводах,  требующих изменения частоты вращения: в станкостроении, на электротранспорте, в металлургической, текстильной и полиграфической промышленности.

Электродвигатели общего назначения серии П в  настоящее время заменяются новой серией 2П, имеющей следующие преимущества: повышенную перегрузочную способность, более широкий диапазон регулирования частоты вращения, повышенную мощность на единицу массы, надежность, малую вибрацию. Расшифровка обозначения типоразмеров  электродвигателей постоянного тока единой серии 2П следующая: 2 — порядковый номер; П — машина постоянного тока; исполнение: Н — защищенное с самовентиляцией, Ф — защищенное с независимой вентиляцией от постороннего вентилятора, Б — закрытое с естественным охлаждением, О — закрытое с обдувом от постороннего вентилятора; две или три цифры — высота оси вращения; М и L — условная первая или вторая длина сердечника якоря; Г — с тахогенератором; У—климатическое исполнение; 4— категория размещения по ГОСТ 15150—69 и 1543—70.

Машины серии П подразделяются на три группы: мощностью 0,3—200 кВт A—11-й габариты); мощностью 200—1400 кВт A2—17-й габариты); мощностью свыше 14D0 кВт A8—26-й габариты). Габарит машины  определяется диаметром якоря. Для каждого габарита имеются две длины сердечника. Исполнение электродвигателей от 1-го до 11-го габаритов по степени защиты 1Р22, по способу охлаждения — 1С01 или 1С05. Возбуждение  смешанное. Серия электродвигателей 2П охватывает диапазон высот оси вращения от 90 до 315 мм и мощностей от 0,37 до 200 кВт. Номинальные напряжения якорной цепи: ПО, 220, 440 и 600 В; номинальные частоты вращения: 500, 750, 1000, 1500, 2200, 3000 об/мин. Возбуждение  независимое, номинальное напряжение возбуждения 110 и 220 В. Электродвигатели этой серии предназначены для работы как от источников постоянного тока, так и от тиристорных преобразователей.

Электродвигатели серии 2П имеют следующие  степени защиты (по ГОСТ 17499—72): IP'22 —с  самовентиляцией (типа 2ПА) и с независимой вентиляцией от постороннего вентилятора (типа2ПН); 1Р44 — закрытое исполнение с естественным охлаждением (типа 2ПВ) и с наружным обдувом от постороннего вентилятора (типа 2П0).

Синхронные электродвигатели в промышленных  установках используются для приводов, не требующих  регулирования частоты вращения (компрессоры, насосы,  шаровые мельницы, вентиляторы, двигатель-генераторные установки).

Изготовляются они как с неявнополюсными, так и с явнополюсными роторами. В неявнополюсном  исполнении синхронные электродвигатели — турбодвигатели  выпускаются с частотой вращения 3000 об/мин на мощности от 630 до 12500 кВт. Более широко применяются явно- полюсные синхронные электродвигатели с диапазоном частот вращения от 1500 до 100 об/мин при мощности от нескольких сот до нескольких десятков тысяч киловатт. В настоящее время явнополюсные синхронные  электродвигатели общепромышленного применения  выпускаются сериями СД2, СДН2, СДНЗ-2 и др. Основное их исполнение — с горизонтальным расположением вала, защищенные или закрытые с самовентиляцией,  охлаждение — воздушное. У синхронных электродвигателей не существует  жесткой увязки мощностей с установочными размерами и  высотой оси вращения, как у асинхронных машин.