Электропривод вентиляционной установки

    Критериями  выбора типоразмера вентилятора  являются, во-первых, наличие свободного  места под его установку, во-вторых, разница в диаметрах у выходного патрубка вентилятора и воздуховодов должна быть минимальна т.к. в противном случае сам вентилятор становится значительным местным сопротивлением и, в-третьих, как правило, больший размер вентилятора соответствует большему уровню шума.

    В данном случае в наличии свободного пространства проблем нет, к уровню шума повышенных требований на предъявляется, воздуховоды имеют довольно большое  сечение (S_общ = 0,196 м², D = 0,48 м), целесообразно остановиться на полноразмерном для данных подач типоразмере в 400 мм.

    Масса

    Ни  как не нормируется. Однако следует  учесть что при весе до 50 кг монтаж допускается производить вручную, свыше 50 кг ― с применением специальных средств.

    Скорость  вращения

    Определяется  аэродинамическими характеристиками конкретного вентилятора. Однако, следует учесть что потребная для вращения крыльчатки мощность N_ТР ~ n³, где n ― скорость вращения, поэтому при подборе электродвигателя с несколько большей частотой вращения от него потребуется значительно большая мощность.

    КПД вентилятора

    Очень важно правильно выбрать тот  или иной вентилятор по так называемой зоне рационального использования. Т.е. для любого вентилятора существуют такие значения давления и подачи при которых его КПД максимален. А если за рациональный (приемлемый) КПД принять некоторый диапазон, скажем от 55% до максимального значения то совокупность значений давлений и подач как раз и образуют зону рационального использования.

    Теперь, когда мы определились с вышеперечисленными характеристиками по известным параметрам Р_ТР и L с помощью графиков аэродинамических характеристик [Приложение №7] подберем вентилятор. Для этого сравним все имеющиеся варианты и выберем тот, который удовлетворял бы нас по своим габаритным размерам, частоте вращения и обладающий максимальным КПД из всех существующих вариантов.

    Выбираем  вентилятор типа ВО марки СВМ – 4М со следующими характеристиками:

• Внутренний диаметр выходного патрубка ― 400 мм;
• Объемный расход воздуха ― 6300 м³/ч;
• Давление, не мение ― 850 Па;
• КПД, не менее ― 57 %;
• Максимальная мощность устанавливаемого двигателя ―2,2 кВт;
• Масса ― 46 кг.

    Исходя  из аэродинамических характеристик, вентилятор СВМ – 4М обеспечивает требуемые характеристики ― давление 529 Па при подаче ~ 2750 м³/ч при частоте вращения крыльчатки ω_н = 2500 об/мин.

    Мощность  требуемая для привода вентилятора, кВт:

    N_В = 

,

    где  = 0,57 ― КПД вентилятора.

    Тогда    N_В =   = 657 Вт. 

Выбор электродвигателя

    Потребная мощность электродвигателя:

    N_Э = 

,

    где  ― коэффициент запаса, зависящий от мощности ( ) и типа вентилятора [Приложение №8];  ― КПД привода;  ― КПД подшипников вентилятора [5].

    Т.к. планируем вентилятор соединять  с осью электродвигателя через муфту  то  = 0,98 %; КПД пары подшипников качения 2×0,98 % = 0,96 %; для осевого вентилятора  = 1,1. Тогда

    N_Э = 

 =   = 768 Вт.

    Тип электродвигателя ― асинхронный  с короткозамкнутым ротором, как  наиболее дешевый из своего класса. На сегодняшний день наиболее рационально  использовать электродвигатели второй единой серии А2 и АО2. По способу  механической защиты ― закрытый обдуваемого исполнения (АО2).

    Для обеспечения условия регулирование  частоты вращения двигателей с диапазоном 1 : 5 необходимо применять электродвигатели с повышенным скольжением [марки ― АОС2 (чугун) и АОЛС2 (алюминий)].

    Учтя  N_Э = 768 Вт и n = 2500 об/мин выберем электродвигатель [Приложение №9] АОЛС2-11-2 мощностью 800 Вт, синхронной частотой вращения 3000 об/мин, асинхронной ― 2815 об/мин, Cosφ = 0,86, КПД = 78%, кратность пусковых силы тока k_i = 7, момента ― m_n = 1,9, маховый момент ротора 0,005 кг·м².

    Уменьшить скорость вращения представляется возможным  за счет семы автоматики, которая и  будет производить автоматическое регулирование.

Кинематическая  характеристика

    Вал электродвигателя жестко соединен с  осью вентилятора, т.е. соединение не упругое с отсутствием всевозможных зазоров. Поэтому всю конструкцию можно представить как одно-массовое тело массой m, вращающееся с угловой скоростью w. В каждый момент времени разность тягового момента двигателя и момента сопративления приводит в движение машину. При М_м > М_с происходит пуск, разгон и переход сменьшей на большую скорость движения машины; при М_м < М_с происходит торможение, остановка и переход с большей на меньшую скорость движения машины; при М_м = М_с ¾ установившийся режим работы и покой машины. 

    

 

    Рис. №2. Кинематическая характеристика  

    М_с ¾ момент сопративления машины (~n³), М_м ¾ тяговый момент электродвигателя, w_м и w_д ¾  угловая скорость машины и двигателя соотвецтвенно (w_м = w_д).

Механическая  характеристика

    Механическая  характеристика определяется уравнением:

    М_св = М_о + (М_сн - М_о)·(n/n_н)²,

    Где М_св ¾ момент сопротивления вентилятора при частоте вращения n; М_сн ¾ момент сопротивления вентилятора при номинальной частоте вращения n_н; М_о ¾ момент сопротивления трения в подшипниках вентилятора.

    Угловая скорость вращения вентилятора:

    ω_н = 

 =   = 262 рад/с.

    Номинальный момент сопротивления вентилятора  определяется:

    М_сн = N_В/ω_н = 657/262 = 2,51 н·м.

    Момент  сопротивления трения в подшипниках  определим исходя из того что КПД пары подшипников качения составляет 0,96 %, тогда мощность затрачиваемая на преодоления этого трения составит 652·0,0096 = 6,3 Вт. Этой мощности соответствует момент:

    М_о = 6,3/ω_н = 6,3/262 = 0,024 н·м.

    Тогда уравнение механической характеристики примет вид:

    М_св = 0,024 + (2,51 - 0,024)·(n/2500)²,

    М_св = 0,024 + 2,486·(n/2500)².  (1)

    Для построения механической характеристики составим таблицу значений моментов сопротивлений для диапазона  возможных скоростей ¾ 0 ~ 3000 об/мин: 

    Полученные  значения наглядно отражает график механической характеристики рис. №3.

 

Рис. №3. Механическая характеристика

    Из  диаграммы видно что значительные моменты сопротивления возникают  лишь при максимальных частотах вращения. Поэтому на пуск двигателя какого-либо значительного влияния статические  моменты не оказывают.

    Для оценки сложности момента пуска необходимо также учесть действие динамических тормозящих моментов ¾ моментов инерции.

Инерционная характеристика

    Момент  трогания (пуска) вентилятора незначительно превышает момент трения, поэтому нет необходимости проверки электродвигателя по условиям трогания. Однако необходимо убедиться в том что время пуска не превышает критического значения. Для электродвигателей серии АО2 при средней скорости нарастания температуры обмотки 7ºС/с, находящейся под пусковым током ¾ 15с.

    Расчет  проведем в упрощенной форме.

    Момент  инерции всей конструкции в целом  определим как сумму махового момента ротора электродвигателя и  осевого момента инерции крыльчатки вентилятора. Осевой момент инерции  крыльчатки вентилятора приближенно  может быть определен следующим  образом:

    J = 

,

    где m ¾ масса крыльчатки вентилятора (~ 20% от веса вентилятора, т.е. 46 · 20% = 9,2 кг), R ¾ (внутренний радиус выходного патрубка за вычетом радиального зазора, т.е. 200 – 10 = 190 мм). Тогда

    J_к = 

 = 0,027 кг·м².

    И суммарный момент J = J_к + J_эл.дв =0,027 + 0,005 = 0,032 кг·м².

    Кинетическая  энергия которой обладает весь механизм на номинальной частоте вращения (2500 об/мин = 262 рад/с):

    Wк = J·

 = 0,032·  = 1098 Дж.

    Мощность  которую развивает выбранный  нами электродвигатель ¾ 800 Вт. Однако часть этой мощности будет расходоваться на преодоление тормозящего момента сопротивления М_св. Определим эту часть. Т.к. момент сопротивления вентилятора плавно изменяется от 0 до 2,51 Н·м (при n = 2500 об/мин), что наглядно видно из графика механической характеристики, то необходимо найти его приведенное (усредненное) значение. Для этого проинтегрируем уравнение механической характеристики (1):

    M_пр = 

 =  =   = =  |₂₅₀₀ =   = 0,85 Н·м.