Электрический привод состоит из электрического двигателя, передаточного механизма (редуктора) и средств управления и автоматизации. Привод называют многодвигательным, если рабочий механизм обслуживается несколькими двигателями. В этом случае каждый электрический двигатель приводит в движение отдельные части рабочего механизма.

Работа системы электропривод-рабочий механизм связана с действием различных сил и их моментов. Моменты, которые приводят систему в движение, называются вращающими М_вр. Другие моменты тормозят систему и называются моментами сопротивления М_с.

Уравнение моментов на валу двигателя имеет вид:

М_вр = М_с + М_д,

где М_д=J — динамический момент, возникающий при изменении скорости инерционных масс, момент инерции которых равен J (ω – угловая скорость вала двигателя, рад/c, t – время, с).

В электроприводе двигатель может работать в двигательном и тормозном режимах, развивая на валу вращающий или тормозящий момент.

Момент М и механическая мощность Р, развиваемые двигателем, связаны соотношением:

Р = М·ω

Если выразить мощность двигателя в кВт, а вместо угловой скорости ω использовать частоту вращения n (об/мин.), то связь между мощностью двигателя Р (кВт) и моментом М (Н·м) выражается соотношением:

М = 9550

Рабочие механизмы создают моменты сопротивления Мс, которые обычно зависят от скорости. Момент сопротивления вентиляторов, центробежных насосов, компрессоров и других механизмов пропорционален квадрату частоты вращения. Такие механизмы называют механизмами с «вентиляторным моментом».

Существуют три основных режима работы электродвигателей: продолжительный (S₁ – символ режима), кратковременный (S₂) и повторно-кратковременный (S₃).

Продолжительным называют режим, в котором двигатель работает столько времени, что он успевает нагреться до установившейся температуры. Различают продолжительный режим с постоянной и изменяющейся нагрузкой. В режиме постоянной нагрузки (рис.1, а) работают двигатели центробежных насосов внутрипромысловой перекачки нефти, закачки воды в пласт, погружных центробежных насосов.

На практике нагрузка не всегда остается постоянной и изменяется по величине (продолжительный режим с изменяющейся нагрузкой, рис.1, б). В таком режиме работают двигатели станков-качалок, буровых насосов, привода долота. Для двигателей станков-качалок характерен резкопеременный, циклически изменяющийся график нагрузки. Нагрузка двигателя бурового насоса по мере углубления скважины в процессе бурения плавно нарастает. График нагрузки электропривода долота характеризуется изменением нагрузки, зависящей от твердости породы.

Рис.1, а

Рис.1, б

В кратковременном режиме рабочий режим работы двигателя t_p настолько мал, что за это время температура двигателя не достигает установившегося значения, а за время остановки она успевает уменьшиться до температуры окружающей среды. В кратковременном режиме работают двигатели задвижек на трубопроводах и других механизмов.

В повторно-кратковременном режиме (ПКР) регулярно чередуются кратковременные периоды работы (t_р) с кратковременными периодами пауз (t₀), причем в период нагрузки температура двигателя не достигает установившегося значения, а в период паузы температура не успевает опуститься до уровня температуры окружающей среды (рис.2).

Рис.2

Основной величиной, характеризующей повторно-кратковременный режим, является относительная продолжительность включения ПВ, под которой понимают отношение времени рабочего режима t_p к продолжительности цикла (t_ц = t_р + t₀ ):

ПВ% = .

Значения относительной продолжительности включения ПВ стандартизированы и составляют 15, 25,40 и 60%. Например, для двигателя с ПВ 40% следует, что этот двигатель может работать с номинальной нагрузкой 4 минуты, а последующие 6 минут должен быть выключен.

Примером работы в повторно-кратковременном режиме являются электродвигатели буровой лебедки, подъемных кранов и других механизмов. Для графика нагрузки электродвигателя буровой лебедки характерно снижение нагрузки от цикла к циклу.

Правильный выбор мощности двигателя имеет экономическое значение. При работе он должен быть полностью загружен. Полнота его загрузки оценивается соответствием мощности нагрузки на валу двигателя, определяемой рабочим механизмом, его номинальной расчетной мощности, при которой он может работать не перегреваясь.

При работе электродвигателя в продолжительном режиме с постоянной нагрузкой мощность двигателя Р_д подбирается по мощности Р рабочего механизма: Р_д ≥ Р.

При работе двигателя в продолжительном режиме с переменной нагрузкой мощность рассчитывается или по средним потерям или по среднеквадратичным значениям тока, момента или мощности.

При расчете мощности с использованием метода эквивалентного тока изменяющиеся по значению токи нагрузки заменяют эквивалентным неизменяющимся током I_экв, который выделяет в двигателе ту же теплоту, что и изменяющиеся токи.

Двигатель будет выбран правильно, если I_ном ≥ I_экв, где I_ном – номинальный ток двигателя.

При расчете мощности по эквивалентному моменту М_экв должно выполняться условие: М_ном ≥ М_экв,

где М_ном – номинальный момент двигателя.

При выборе мощности для повторно-кратковременного режима, характеризуемого относительной продолжительностью включения ПВ%, следует иметь в виду, что если ПВ% > 60%, тогда двигатель выбирается как для продолжительного режима, если ПВ% < 10% — как для кратковременного режима.

На практике возможны случаи, когда двигатель включают в работу, режим которой характеризуется большей относительной продолжительностью включения, например, вместо ПВ%=25% работают с ПВ%=60%. В этом случае двигатель должен развивать меньшую мощность для исключения перегрева.

Пересчет мощности с одного ПВ% на другое производится по формуле:

Р60 = Р25 .

Методы эквивалентных момента и мощности не применимы для двигателей постоянного тока последовательного возбуждения, где момент не пропорционален току.

Выбранный двигатель проверяют по перегрузочной способности и пусковому моменту (если пуск происходит под нагрузкой). В продолжительном режиме у асинхронного двигателя механическая перегрузка лимитируется критическим моментом М_кр. В каталогах приводятся данные о кратности перегрузки К_м:

К_м=

Механический перегрузки нет, если

М_мах ≤ 0,85К_мМ_ном,

где М_мах – максимально возможный момент нагрузки,

0,85 – коэффициент запаса.

В продолжительном режиме у двигателя постоянного тока нагрузка лимитируется допустимым током.

Если максимальный момент нагрузки двигателя больше, чем он может развить, то выбирают двигатель большей мощности.