Sw-motors.ru

Автомобильный журнал
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

ВЫБОР МОЩНОСТИ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ

ВЫБОР МОЩНОСТИ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ

Как было показано, для каждого двигателя установившееся значение температуры υу зависит от мощности нагрузки. Из всех материалов, применяемых в электродвигателях, изоляция обмоток имеет наименьшее значение допустимой температуры нагрева. Поэтому эта температура определяет то значение мощности нагрузки, которое можно приложить к валу данного двигателя. Это значение мощности определяется из условия, что температура нагрева различных частей двигателя должна быть меньше или равна допустимой температуре нагрева изоляции обмотки.

Для каждого класса изоляции допустимое превышение температуры нагрева изоляции зависит от температуры окружающей среды, которая стандартом принята равной 40°С. При температуре окружающей (охлаждающей) среды 40°С установлены следующие значения допустимого превышения температуры изоляции: для класса А (пропитанные жидкими электроизоляционными материалами хлопчатобумажные ткани и волокнистые материалы из целлюлозы и шелка) – 60 °С, для класса Е (некоторые синтетические органические пленки, эмалевая изоляция проводов, изоляция на основе поливинилацетатных и других смол) – 75 °С.

Поэтому в каталогах и паспорте двигателя указывают мощность, соответствующую температуре окружающей среды 40°С. Если температура окружающей среды меньше или больше этого значения, то допускается соответственно увеличение или уменьшение мощности нагрузки по сравнению с указанной в паспорте.

Для приведения во вращение производственного механизма, имеющего заданный график нагрузки (нагрузочную диаграмму), требуется электродвигатель определенной мощности, для которого допустимое превышение температуры υдоп>υу. Если будет взят двигатель повышенной мощности, то υу будет меньше υдоп, что приведет к недоиспользованию возможностей двигателя, к неоправданному увеличению капиталовложений, массы и габаритов установки. Если будет взят двигатель заниженной мощности, то υу будет больше υдоп. Это приведет к температурной перегрузке изоляции, срок службы которой резко сократится (при эксплуатации двигателя в нормальных условиях срок службы изоляции составляет 15-20 лет). Имеются данные, что перегрузка двигателя на 25% приводит к износу изоляции в течение 1,5 месяца. Поэтому правильный выбор мощности двигателя имеет большое технико-экономическое значение.

Таким образом, основным критерием выбора мощности является нагрев двигателя. Для выбора мощности двигателя по условиям нагрева необходимо знать график нагрузки производственного механизма. После этого производят проверку двигателя выбранной мощности на перегрузочную способность как в момент пуска, так и в периоды работы с повышенной мощностью.

В продолжительном режиме работы при неизменной нагрузке выбор номинальной мощности двигателя Рном не представляет затруднений. Если температура окружающей среды равна 40°С, то мощность двигателя должна удовлетворять условию РномР. Зная мощность нагрузки Р, выбирают такой двигатель, мощность которого является ближайшей большей или равной мощности нагрузки.

В продолжительном режиме работы при переменной нагрузке предварительно выбирают мощность двигателя по средней мощности нагрузки Рср из условия Рном>Рср, а затем проводят проверочный расчет. Все методы проверки выбора мощности двигателя основаны на условии, что средние потери мощности в двигателе при работе по переменному графику нагрузки за рабочий цикл не должны превышать номинальных потерь мощности при работе двигателя с постоянной номинальной нагрузкой: Рп.ср Рп.ном, то необходимо взять двигатель следующей, большей, мощности по каталогу и повторить проверочный расчет.

Этот метод проверки, хотя и является самым точным, для определения потерь мощности Рпi требует предварительного расчета тока, а затем расчета потерь мощности. Поэтому на практике чаще применяют другие методы, основанные на расчете эквивалентных величин (тока, момента и мощности).

Эквивалентными называют такие постоянные значения тока, момента и мощности, при которых в двигателе имеют место такие же потери мощности, как и при работе этого двигателя с переменной нагрузкой.

Потери мощности в двигателе состоят из постоянных потерь (потери в стали, на трение в подшипниках, вентиляционные), не зависящих от нагрузки, и переменных потерь, пропорциональных квадрату тока и, таким образом, зависящих от нагрузки. Принимая во внимание только переменные потери мощности, из предыдущего уравнения получим для эквивалентного тока

Если получают, что IэкIном, то двигатель выбран правильно (Iном — номинальный ток двигателя).

Когда график переменной нагрузки продолжительного режима не имеет периодов холостого хода, то для двигателей с мало меняющейся частотой вращения применяют метод эквивалентной мощности, определяемой по формуле, аналогичной предыдущей:

Расчет эквивалентной мощности производят непосредственно по графику нагрузки. Поэтому это наиболее простой метод. Он применим для двигателей постоянного тока с параллельным возбуждением, асинхронных двигателей, работающих на естественной характеристике, и синхронных двигателей.

Проверка двигателя на перегрузочную способность заключается в сравнении максимального момента нагрузки, определяемого графиком нагрузки, с максимальным моментом Мmах, развиваемым двигателем. Максимальный момент двигателя превышает номинальный момент в γ раз и величина называется коэффициентом перегрузочной способности двигателя. Для двигателей постоянного тока γ=2÷2,5 (определяется условиями коммутации), для асинхронных двигателей γ=1,7÷2,5. Зная номинальный момент для выбранного двигателя, определяют Мтах=γМном и сравнивают его с максимальным моментом нагрузки. Если Мтах двигателя меньше максимального момента нагрузки, то необходимо взять двигатель большей мощности. Чем более неравномерен график нагрузки, тем более вероятно, что мощность двигателя будет определяться максимальной мощностью нагрузки.

Читать еще:  Что такое прослушивание двигателя

При тяжелых условиях пуска двигателя производят его проверку по пусковому моменту. Для кратковременного режима работы мощность двигателя выбирают из условия, что его максимальный момент Мmax должен быть больше максимального момента нагрузки, а затем проверяют по пусковому моменту.

При повторно-кратковременном режиме работы можно выбрать специальный двигатель, предназначенный для работы в этом режиме, номинальная мощность которого определена для одного из значений ПВ (15, 25, 40 или 60%). Определив ПВ по графику нагрузки, выбирают двигатель из условия, что РномР. Если по графику нагрузки получается нестандартное значение ПВ, то мощность двигателя определяют из условия

где Р – мощность по графику нагрузки (см. рис. 15.6); ПВ – нестандартное значение продолжительности включения по графику нагрузки; ПВпасп – стандартное значение продолжительности включения, указанное в паспорте двигателя.

Мощность двигателя выбирают по соотношению

Так же производят расчет мощности двигателя при замене его двигателем с другим значением ПВ.

Если повторно-кратковременный режим характеризуется ступенчатым графиком нагрузки (рисунок),

Ступенчатый график нагрузки повторно-кратковременного режима

то предварительно определяют эквивалентную мощность за период работы:

и продолжительность включения

Затем мощность двигателя выбирают удовлетворяющей соотношению , подставляя вместо Р эквивалентную мощность Рэк.

Индикаторная и эффективная мощность двигателя

Мощность, соответствующая индикаторной работе цикла, называется индикаторной мощностью. Мощность двигателя равна сумме мощностей всех цилиндров. Если принять, что во всех цилиндрах — одинаковое среднее индикаторное давление, то индикаторная мощность двигателя простого действия, равная индикаторной работе в 1 сек., может быть найдена по формуле:

N i = P m i F S n 60 m i , к В т ,

  • Pmi — среднее индикаторное давление в цилиндре, kПА;
  • F = πD 2 /4 — площадь поршня, м 2 ;
  • S — ход поршня, м;
  • n — частота вращения коленчатого вала, об/мин;
  • i — число цилиндров;
  • m — коэффициент тактности ( m = 1 для 2-тактных ДВС и m = 2 для 4-тактных двигателей).

Если давление дано в мегапаскалях ( Pmi МПа), то формулу можно записать в виде:

N i = P m i · V s · n 0 , 06 m i , к В т ,

  • V s = FS – рабочий объем цилиндра, м³

В практике эксплуатации современного морского флота, в отчетной документации по сей день широко используется внесистемная единица измерения мощности – лошадиная сила (1 л. с. = 75 кгм).

Для перевода лошадиных сил в киловатты (в международную систему единиц) необходимо иметь в виду, что 1 л. с. = 0,736 кВт.

Если давление измеряется в кг /см 2 , то формула индикаторной мощности может быть записана в виде:

N i = P m i F S n · 10 4 60 · 75 m i , и л и N i = P m i · V s · n 0 . 45 m i , и л с

N i = P m i · V s · n 0 . 441 m i , и л с .

В практике часто используется другая разновидность этой формулы:

N i = C · p m i · n · i , и л с ,

  • С = Vs/(0,441m) — постоянная цилиндра.

В практике эксплуатации мощность определяется порознь для каждого цилиндра путем нахождения pmi по индикаторным диаграммам. Диаграммы снимаются с каждого цилиндра на установившемся режиме работы двигателя. Полная мощность двигателя рассчитывается суммирование

Эффективная мощность двигателя Ne соответствует эффективной работе в единицу времени на фланце отбора мощности. Это есть полезная мощность, отдаваемая потребителю. Эффективная мощность меньше индикаторной на величину мощности механических потерь двигателя Nм :

По аналогии с зависимостью (2) можно записать:

N i = p e · V s · n 0 . 441 m i , э л с ,

  • Ре — среднее эффективное давление, бар.

Среднее эффективное давление меньше среднего индикаторного давления на величину pм :

p e = p m i – p м .

Величина Pм — некоторое условное давление, постоянное на протяжении всего рабочего хода поршня, идущие на покрытие механических потерь двигателя.

Как следует из формулы (1), основными факторами, определяющими мощность двигателя, являются:

  • Площадь поршня F , равная F = πD 2 /4 ;
  • Ход поршня S ;
  • Частота вращения n ;
  • Коэффициент тактности m ;
  • Число цилиндров i ;
  • Величина среднего индикаторного давления Pmi .

Наиболее существенное влияние на Ni оказывает диаметр D , входящий в формулу 1 в квадрате. В судовых малооборотных дизелях этот параметр достиг величины D = 0,960+1,080 мм. Увеличение диаметра цилиндра вызывает увеличение веса двигателя, его габаритов, из-за чего растут силы инерции, давление на подшипники коленчатого вала, ухудшаются условия охлаждения цилиндров (из-за увеличения толщины материала поршня, втулки, крышки) и смазки цилиндропоршневой группы. Дальнейшее увеличение диаметра требует решения проблем прочности, теплоотвода и смазки.

Ход поршня и частота вращения связаны с выбранным для двигателя диаметром цилиндра. Так, у малооборотных двигателей долгие годы наблюдалось соотношение S = (1,7 ÷ 2,0)D , а n определялось при заданных размерах D и S допустимым уровнем центробежных сил и средними скоростями движения поршня, равными Cm = 6,5 ÷ 7,0 м/сек. В 80-е годы наметилась тенденция создания дизелей с S/D > 2 и с пониженной частотой вращения при повышенной до 8,0-8,5 м/сек средней скорости поршня. Примером могут служить длинноходовые модели фирмы Бурмейстер и Вайн: в одном из двигателей S70 МС при D = 400+650 мм, S = 2 800 мм, S/D = 1,0+1,2, n = 350+750 об /мин , средняя скорость движения поршня равна Cm = 8,5 м /сек .

У среднеоборотных дизелей диаметры цилиндров достигли значений D = 400 ÷ 650 мм, отношение S/D = 1,0+1,2, n = 350 ÷ 750 об /мин при Cm = 7+10 м /сек .

Читать еще:  Все характеристики двигателя 2jz

Индикаторная мощность увеличивается пропорционально числу цилиндров. Максимальное число цилиндров у рядных двигателей достигает i = 10÷12 , у V-образных — 20÷24 . Увеличение числа цилиндров ограничивается длиной двигателя и технологическими трудностями изготовления достаточно жесткого коленчатого вала.

При прочих равных условиях, мощность 2-тактного дизеля ( m = 1 ) в 2 раза больше, чем 4-тактного ( m = 2 ). В действительности при m = 1 часть хода поршня теряется на продувку цилиндра, за счет чего снижается коэффициент ηн , отнесенный ко всему ходу. При этих условиях Nim = 1 = (1,75÷1,85) Nim = 2 .

Постоянное возрастание индикаторной мощности у современных двигателей обеспечивается увеличением среднего индикаторного давления Pmi путем форсирования дизелей наддувом и сжиганием большего количества топлива в том же объеме цилиндра. Максимальная цилиндровая мощность у современных малооборотных дизелей достигает Neц = 5 000 ÷ 7 760 элс, у среднеоборотных — 1 500÷1 800 элс в цилиндре.

Нашли опечатку? Выделите и нажмите CTRL+Enter

Выбор мощности двигателя для длительного режима работы

Электродвигатель, выбранный для длительного режима работы, должен быть в состоянии работать сколько угодно долго без перегрева сверх допустимого предела.

Наиболее простым случаем является работа электродвигателя при постоянной или слабо меняющейся нагрузке на валу машины.

Примерами таких механизмов могут послужить центробежные насосы насосных станций, дымососы, вентиляторы, компрессоры, конвейерные ленты. Нагрузка перечисленных механизмов может быть неизменной в течении длительного времени. В таком режиме работы влияние пусковых режимов на процессы нагрева будет ничтожным.

В этих случаях по соответствующим технологическим зависимостям определяют необходимую статическую мощность, учитывающую потери в передачах между рабочей машиной и электрической машиной и по каталогу подбирается ближайший по мощности электродвигатель. Выбранный таким образом двигатель будет пригоден для работы, если температура окружающей среды не будет превышать стандартной в 35 0 С. В случаях, когда температура окружающей среды отличается от стандартной, необходимо производить выбор двигателя с учетом этого обстоятельства. Если температура окружающей среды ниже стандартной, то в отдельных случаях электрическая машина может быть загружена выше номинальной мощности. А в случае, когда температура окружающей среды выше стандартной, необходимо предусмотреть недогрузку машины для того, чтобы температура изоляции не превзошла допустимую.

Последнее имеет место в электроприводах дымососов крупных котельных, где температура окружающей среды может достигать 50 – 60 0 С, в дутьевых вентиляторах нагревательных печей и прочем подобном оборудовании. В связи с этим необходимо уметь определять требуемое изменение номинальной мощности машины.

В основу последующих расчетов положим допущение, что конечное превышение температуры машины над температурой окружающей среды пропорционально потерям электродвигателя.

Электрическая машина правильно выбранной мощности при номинальной нагрузке и стандартной температуре окружающей среды при длительном режиме работы должна иметь превышение температуры не выше допустимого для данного класса изоляции, то есть:

Где: А – теплоотдача тела; qпост – постоянные потери электродвигателя; qпер.ном. – переменные потери электродвигателя при номинальной нагрузке;

Обозначим отношение постоянных потерь двигателя к номинальному значению переменных потерь через γ, то есть:

Тогда выражение (1) примет вид:

Значение коэффициента γ для различных типов двигателей может меняться в пределах γ = 0,4 – 1,1 в зависимости от конструкции и быстроходности. В случае работы электрической машины при температуре окружающей среды отличной от стандартной (35 0 С) на ±Δτ, для сохранения той же предельно допустимой температуры нагрева изоляции допустимое превышение температуры изоляции должно быть уменьшено или увеличено на значение Δτ. При этом, соответствующим образом должен быть изменен и режим работы машины, то есть ток машины должен быть Iх = ξIном.

Установившийся перегрев будет равен:

Разделив (4) на (2) получим:

Из (5) найдем, что допустимая степень загрузки двигателя при отклонении температуры окружающей среды от стандартной будет равна:

Выражение (6) показывает, что с ростом постоянных потерь γ мощность электродвигателя при температуре среды, превышающей стандартную, уменьшается. При Δτ = τдоп./(γ+1) имеем ξ = 0, то есть двигатель будет нагреваться до предельно допустимой температуры за счет только потерь холостого хода.

Определение допустимой нагрузки электрической машины при отклонении температуры охлаждающей среды от стандартной (35 0 С) может быть сделано графически с помощью графика, указанного ниже:

Здесь в левом квадранте в осях координат υ и Q построена прямая, характеризующая величину потерь электродвигателя, рассеиваемых в окружающую среду при заданной температуре последней. В случае использования изоляции класса А эта прямая пройдет через точку υ = 35 0 и точку с координатами υ = 95 0 и Qном. В правом квадранте в осях Q и Р построена кривая потерь электрической машины в функции от полезной мощности.

При изменении температуры окружающей среды до υх прямая, характеризующая рассеиваемое тепло, пойдет параллельно предыдущей, из точки υх.

Пересечение этой прямой с вертикалью, проходящей через точку 95 0 , определит допустимые потери электродвигателя Qх. C помощью кривой Q = f(P) правого квадранта легко может быть определена допустимая нагрузка электродвигателя.

График показывает, что незначительное повышение температуры охлаждающей среды существенно снижает допустимую нагрузку электрической машины, вследствие чего при некоторой температуре машина не может работать, не перегреваясь, даже вхолостую.

Читать еще:  Что такое суфлирование авиационного двигателя

Что важнее — крутящий момент или лошадиные силы?

Обычно при оценке характеристик того или иного автомобиля в первую очередь мы обращаем внимание на мощность двигателя или количество лошадиных сил. Но не менее важной характеристикой является крутящий момент. Давайте разберемся, в чем разница между ними.

Появившаяся задолго до первого механического транспортного средства «лошадиная сила» условна, так как определяет относительный уровень производительности среднестатистической лошади путем определения работы, необходимой для поднятия 75–килограммового груза на один метр за одну секунду.

Шотландский инженер Джеймс Уатт ввел новую единицу измерения мощности в лошадиную силу, но в системе СИ единицу мощности назвали уже в его честь — ватт (Вт). 1 киловатт (кВт) равен 1,36 л. с. Но в обычной жизни лошадиные силы оказались как-то ближе к народу, поэтому мы получаем письма с налогом за количество лошадиных сил в наших автомобилях, а не за киловатт и хвастаемся друзьям именно количеством«лошадей». Лошадиная сила остается очень популярной внесистемной единицей измерения мощности для транспортных средств. Кстати, типичная лошадь имеет предельную мощность порядка 13–15 лошадиных сил, как это ни забавно. Во всяком случае, на диностенде в режиме 5–минутной нагрузки она может выдать примерно столько. А тягловые тяжеловесы способны выдать даже в даже за 25 сил на такой отрезок времени.

А сам автомобиль тянет вперед не сама мощность, а крутящий момент, выдаваемый силовым агрегатом. И именно с ним мы сталкиваемся каждый день в обычной жизни чаще. Например, открывая крышку пластиковой бутылки, вы используете именно крутящий момент, именуемый также моментом силы или вращательным моментом. Ведь вряд ли вы проверяете, как быстро открутили крышку?

Крутящий момент измеряется в ньютон-метрах (Н·м). И он тесно связан с мощностью, ведь для двигателя с вращающимся валом мощность на любых оборотах легко рассчитать, зная момент. И наоборот, зная мощность, можно подсчитать момент. Упрощенная формула его расчета выглядит так:

P = M x 9549 x N

где P — это мощность двигателя в киловаттах (кВт), а N — это количество оборотов коленчатого вала в минуту.

Мощность демонстрирует количество работы, которое выполняет двигатель за промежуток времени, а крутящий момент отражает способность силового агрегата эту работу совершить. Например, ускорение машины в каждый момент времени при постоянном передаточном отношении трансмиссии пропорционально крутящему моменту. А вот время разгона с одной скорости до другой, именно мощности двигателя в этом диапазоне оборотов, иначе говоря, проделанной работе. В общем-то, всем изучавшим физику в школе это покажется очевидным, но, к сожалению, не все помнят или не соотносят знания теоретического курса и примеры из реальной жизни.

Уверен, многие автолюбители даже не обращают внимание на значение крутящего момента в списке технических характеристик автомобиля и на обороты, при которых он достигается. А ведь чем выше крутящий момент и с чем более низких оборотов он достигается, тем приятнее и «эластичнее» ощущается двигатель, тем выше его реальная мощность на промежуточных режимах. Именно поэтому дизельные двигатели с турбонаддувом зачастую кажутся более приятными в обращении, чем более форсированные атмосферные бензиновые, которые необходимо «крутить» в отсечку ради достижения максимальной динамики разгона. И именно по этой причине тот, кто вкусил радости хорошего двигателя с турбонаддувом, уже не очень хочет пересаживаться на атмосферные, которые даже при схожей мощности «едут» ощутимо хуже.

Почему же такое внимание уделяется именно максимальной мощности? Дело в том, что владельца машины редко волнует максимальное ускорение автомобиля на скорости 20 или 30 километров в час, как физическая величина. Его, скорее всего, интересует динамика разгона в диапазоне 0–100, 80–120 или 100–200, а не абстрактное ускорение. А в этом случае речь идет о приращении кинетической энергии автомобиля, а значит, о проделанной двигателем работе. Которая зависит именно от мощности. В случае с идеальной трансмиссией проделанная работа будет прямо пропорциональна максимальной мощности мотора.

Вот только машин с идеальными трансмиссиями не бывает, если это не карьерные самосвалы с электропередачей, а значит, важна не только максимальная мощность, но и мощность во всем диапазоне оборотов, в котором вынужденно будет работать двигатель при таком разгоне. Оценить ее можно по графику внешней скоростной характеристики автомобиля, так называемой ВСХ, зная передаточное отношение трансмиссии на каждой передаче и предельные обороты мотора. А косвенно понять, насколько мощным будет мотор на промежуточных оборотах, позволяют именно данные по максимальному крутящему моменту и оборотам, при которых он достигается. Ведь чем выше момент на всех оборотах ниже максимальной мощности, тем ближе мощность на этих оборотах к максимально возможной и тем большую работу сможет проделать двигатель. Сложно? Тогда просто используйте эмпирическое правило, упомянутое выше.

Главное, помните, что мощность и крутящий момент — зависящие друг от друга величины, поэтому всегда важно и то, и другое.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector