книги / Электрооборудование нефтяной и газовой промышленности
..pdfрегрева двигателя при наличии теплоотдачи в окружающую среду достигнет 0,632 туст-
Постоянная времени нагрева двигателя существенно зави сит от формы исполнения и мощности. Так как теплоемкость двигателя растет пропорционально его массе или объему, т. е. третьей степени геометрических размеров, а теплоотдача про ходит через поверхность, возрастающую пропорционально второй степени геометрических размеров, двигатель большей мощности имеет большую постоянную времени Тн. Двигатели закрытого типа имеют большую величину Тп по сравнению с двигателями открытого типа, поскольку геометрические раз меры закрытых двигателей больше.
Для асинхронных двигателей малых мощностей открытого
типа Гн=15—30 мин; для двигателей закрытого |
типа Ти= |
= 2—5 ч в зависимости от мощности. В двигателях |
с принуди |
тельной вентиляцией (продуваемых) вследствие большой теп лоотдачи постоянная времени составляет 0,6—1,6 ч.
Из уравнения (4.3) следует, что двигатель достигает уста
новившейся температуры через бесконечно большое время. Од
нако уже при/ = 47н т = 0,987Туст, а при t = 5Tn т= 0,993тустПо
этому можно считать, что нагревание двигателя практически заканчивается при t= (4—5)Тп.
Если нагретый двигатель отключить от сети, выделение тепла в нем прекратится и начнется охлаждение, причем в этом случае туст= 0. Постоянная времени охлаждения Гохл в общем случае будет отличаться от постоянной времени нагревания Тп. Уравнение (4.3) для случая охлаждения примет вид
(4.5)
У продуваемых двигателей постоянная времени охлаждения равна постоянной времени нагрева, поскольку после отключе ния двигателя от сети вентиляция двигателя не прекращается. У двигателей с самовентиляцией Тохл=(1,5—3)Гп, поскольку после отключения двигателя от сети прекращается его вентиля ция и, следовательно, уменьшается теплоотдача А.
Если двигатель работал с некоторой нагрузкой Pi и потерей энергии ДРх и он достиг установившейся температуры пере грева Тнач, а затем нагрузка его и потери уменьшились до зна
чений Р г< Л |
и ДР2<ДРь двигатель начнет охлаждаться до |
температуры |
туст< т уст по уравнению |
|
(4.6) |
На рис. 4.2 показаны кривые нагревания и охлаждения дви гателя. Кривая 1 построена по уравнению (4.3), кривая 2 — по уравнению (4.4). Кривые 3 и 4 являются кривыми охлаждения двигателя, когда он отключен от сети; построены они по урав
181
нению (4.5), причем в скобках указано значение тнач, - соответ ствующее уравнению (4.5). Кривая 3 построена при 7’0Хл>7’н. а кривая 4 — при Тохп= Тп. Кривая 5 построена по уравнению
(4.6), причем значения (туст) |
и (тнач), входящие в уравнение, |
на рис. 4.2 указаны в скобках. |
нагрузка двигателя определя |
Таким образом, допустимая |
ется его температурой нагревания, поскольку с увеличением
нагрузки двигателя возрастают потери |
в нем и значение туст. |
|||||
У правильно выбранного двигателя |
установившаяся |
темпера |
||||
|
тура перегрева не должна пре |
|||||
|
вышать допустимой температуры |
|||||
|
перегрева изоляции (табл. 4.1). |
|||||
|
Наиболее |
распространенны |
||||
|
ми классами изоляции для нор |
|||||
|
мальных |
промышленных |
двига |
|||
|
телей являются А, Е, В и Н. |
|||||
|
Срок службы изоляции при нор |
|||||
Рис. 4.2. Кривые нагревания и ох |
мальной |
эксплуатации |
|
состав |
||
ляет 15—20 лет. |
|
|
||||
лаждения двигателей |
Работа |
двигателя при |
темпе |
|||
|
ратуре |
более |
высокой, |
чем это |
указано в табл. 4.1, сокращает срок службы изоляции; работа с более низким перегревом удлиняет его. Ориентировочно счи тают, что срок службы изоляции уменьшается вдвое при уве
личении рабочей температуры |
сверх допустимой на 8—10° С. |
||
|
|
Таблица 4.1 |
|
Нагревостойкость изоляционных материалов по ГОСТ 8865—70 |
|||
|
Предельно |
|
|
|
допустимая |
|
|
Класс |
температура |
|
|
перегрева |
|
||
нагрево- |
|
||
(в СС) при |
Характеристика материала |
||
стойко- |
|||
стн |
температуре |
|
|
окружающей |
|
среды 40° С
Y50 Непропитанные хлопчатобумажные ткани, пряжа, бумага и волокнистые материалы из целлюлозы и шелка
А65 Те же материалы, но пропитанные-
Е80 Некоторые синтетические органические пленки
В90 Материалы из слюды, асбеста и стекловолокна, содержащие органические связывающие вещества
F115 Те же материалы в сочетании с синтетическими связующими и пропитывающими составами
Н140 Те же материалы в сочетании с кремнннорганическими связующими и пропитывающими веществами
С |
Более 140 Слюда, |
керамические |
материалы, стекло, кварц, |
|
асбест, |
применяемые |
без связующих составов или |
|
с неорганическими связующими составами |
§ 22. Н агрузочны е диаграм м ы и реж им ы работы электродвигателей
При рассмотрении законов нагревания и охлаждения дви гателей предполагалось, что нагрузка двигателя в течение про должительного времени остается постоянной, а следовательно, остается неизменным и туСт- В действительности нагрузка дви гателя в процессе его работы может изменяться. Кроме того, двигатель может эпизодически или периодически отключаться на некоторое время. ГОСТ 183—74 устанавливает восемь номи нальных режимов работы двигателей в зависимости от харак-
Рис. 4.3. Упрощенные графики |
работы электроприводов и соответствующие |
кривые нагрева двигателя при |
продолжительном (а), кратковременном (б) |
и повторно-кратковременном (в) |
режимах работы |
тера и длительности его работы. Рассмотрим наиболее часто встречающиеся режимы.
Продолжительным режимом (S1) работы двигателя счита ется такой режим, при котором период работы настолько ве лик, что температура двигателя при неизменной температуре окружающей среды достигает своего установившегося значе ния, определяемого нагрузкой (рис. 4.3, а). В продолжитель ном режиме работают приводные двигатели центробежных на сосов и нагнетателей, буровых насосов, станков-качалок и пр. При продолжительном режиме работы нагрузка двигателя мо жет быть либо неизменной, либо переменной. В последнем слу чае время работы двигателя на отдельных участках нагрузоч ной диаграммы должно быть значительно меньше постоянной времени нагревания двигателя.
Кратковременный режим (S2) характеризуется тем, что двигатель работает под нагрузкой ограниченное время tK, в те чение которого его температура не успевает достигнуть уста новившегося значения. Затем двигатель отключают и он оста-
183
навливается, причем за время отключения он успевает полно стью охладиться (рис. 4.3, б). В таком режиме работают при воды превентеров и задвижек. Мощность, которую двигатель может развить в течение определенного времени, не нагреваясь выше допустимых пределов, называется номинальной кратко временной. На щитке двигателя, предназначенного для кратко временной работы, указывается номинальная мощность Рв (кВт) в течение времени tK (мин). Стандартное время рабочих периодов 10, 30, 60 и 90 мин.
При повторно-кратковременном режиме (S3) время работы двигателя под нагрузкой tv чередуется с паузами tn, когда дви
гатель отключается от сети |
(рис. 4.3, в). Общая продолжитель |
|
ность одного цикла работы |
двигателя (/Р-Ип) не должна пре |
|
вышать 10 мин. При этом |
режиме |
температура двигателя ни |
в одном из периодов не достигает |
установившегося значения, |
а во время пауз двигатель не успевает охладиться до темпера туры окружающей среды, что приводит к постепенному повы шению температуры до наступления баланса между количест вом выделенного тепла и количеством тепла, отдаваемого в ок ружающую среду, когда наибольшие температуры нагрева в конце каждого рабочего периода перестают расти. При пра вильном выборе двигателя он может работать неограниченное число циклов, не нагреваясь до температуры выше допустимой. В таком режиме работают приводы буровых лебедок, строи тельных кранов и некоторых металлорежущих станков.
Повторно-кратковременный режим работы характеризуется относительной продолжительностью включения, под которой понимается отношение времени рабочего периода к времени од ного цикла:
ПВ = — р— 100%. |
(4.7) |
“Ь |
|
Двигатели, предназначенные для работы в повторно-крат ковременном режиме, изготовляются для ПВ, равном 15, 25, 40 и 60%. Если время цикла превышает 10 мин, режим работы
двигателя обычно считается |
продолжительным. |
|
||
Перемежающийся режим |
(S6) |
работы двигателя подобен |
||
повторно-кратковременному, |
однако |
во |
время пауз |
двигатель |
не отключается от сети, а продолжает |
вращаться |
вхолостую. |
В таком режиме работают синхронные двигатели привода бу ровых лебедок с электромагнитными муфтами.
Перемежающийся режим работы характеризуется относи тельной продолжительностью нагрузки (ПН), которую вычис ляют так же, как и относительную продолжительность включе ния. Номинальные значения ПН составляют 15, 25, 40 и 60%. Время цикла 10 мин.
184
§ 23. Выбор мощности двигателя
Если двигатель должен работать в продолжительном ре жиме с неизменной или мало меняющейся нагрузкой, его выби рают по каталогу двигателей общепромышленных серий, пред назначенных для продолжительного режима. Номинальная мощность двигателя должна быть равна или несколько больше мощности, требуемой для производственного механизма, кото рую можно определить по расчетным формулам или на основа нии опытных данных, полу ченных для аналогичных ме ханизмов.
Если двигатель должен ра ботать в продолжительном ре жиме с переменной нагрузкой (рис. 4.4), то за периоды боль ших нагрузок он будет нагре ваться, а за периоды малых нагрузок — охлаждаться. Таким образом, при работе с пе ременной нагрузкой темпера тура двигателя будет непре рывно изменяться. В этом случае двигатель можно вы брать по методу средних по терь. Этот метод основан на том предположении, что при равенстве номинальных АРн и
средних ДРСр потерь, определенных по фактической нагрузоч ной диаграмме, температура двигателя будет равна допусти мой, т. е.
АРн __ А РСр |
(4.8) |
тдоп |
|
При этом возможные кратковременные пики температуры, превышающие тДОш не изменяют существенно срока службы
изоляции двигателя.
Двигатель предварительно выбирают в соответствии с реко мендациями § 20 и строят его фактическую нагрузочную диа грамму. Затем заменяют ее ступенчатым графиком, полагая на каждой ступени нагрузку двигателя неизменной. Тогда номи нальные потери
ЛРН= я. |
1 — Лн |
(4.9) |
|
Ли |
|
где Ри и Лн— номинальные мощность и КПД двигателя.
185
Средние потери двигателя, работающего по графику (см. рис. 4.4), определяют по формуле
АРср |
APlfr+ |
2^2 ~Ь |
+ АP ntП |
(4.10) |
|
h + h + |
+ tn |
|
|
где АРь АР2, ..., |
АРп — потери на соответствующих |
участках |
||
нагрузочной диаграммы. |
|
|
||
Полученные средние потери сравнивают с номинальными |
||||
потерями |
двигателя, и если |
ДРСр ^А Р н, то двигатель выбран |
правильно. При значительном расхождении в величинах потерь выбирают другой двигатель (большей или меньшей мощности) и повторяют расчеты.
Метод средних потерь, хотя и является довольно точным, связан с необходимостью кропотливых расчетов потерь для каждого участка графика нагрузки, причем не всегда под ру кой имеются достаточно надежные исходные данные для этих расчетов. Поэтому на практике пользуются более простыми и удобными методами среднеквадратичных или эквивалентных величин: тока, момента и мощности. Метод эквивалентного тока основан на замене действительно протекающего в двига теле и изменяющегося по силе тока эквивалентным током /э, который за рабочий цикл вызывал бы в двигателе те же по тери, что и действительный ток.
Полагая |
переменные |
потери в двигателе пропорциональ |
|||
ными квадрату силы тока, можно написать |
|
||||
АР = АРпост + С/2. |
|
|
(4.11) |
||
Подставляя формулу |
(4.11) |
в формулу |
(4.10), получим |
||
А Р пост + |
С /э = |
|
|
|
|
(ДРлост+С/1)^ + (йРпост + |
С/1)(2 + , , , |
+ ( А Рпост+С/2)<„ |
|||
|
|
|
|
|
(4.12) |
где / ь /2, ..., 1п — токи, |
соответствующие |
различным участкам |
|||
графика нагрузки. |
|
|
|
|
|
После преобразований получим |
|
||||
/ . = 1 f |
^ i + |
+ |
+1 PJn |
(4.13) |
|
V |
h + |
t2+ |
+ in |
|
Предварительно двигатель выбирают так же, как и при рас чете по методу средних потерь. Затем для каждого участка гра фика нагрузки по имеющимся рабочим характеристикам дви гателя находят токи; по формуле (4.13) вычисляют эквивалент ный ток двигателя и сопоставляют его с номинальным током
186
двигателя. Двигатель выбран правильно, если соблюдается ус ловие /э< / н. Метод эквивалентного тока может быть применен для любого электродвигателя.
В тех случаях, когда магнитный поток двигателя постоянен, как для большинства режимов работы двигателя постоянного тока параллельного и независимого возбуждения, ток двига теля оказывается пропорциональным моменту и формула экви валентного тока может быть заменена формулой эквивалент ного момента
(4.14)
Для асинхронных двигателей формула эквивалентного мо мента вносит некоторую погрешность, поскольку момент двига теля зависит не только от потока и тока, но и от коэффициента мощности. Однако с достаточной для практики точностью эта формула применима в том случае, когда асинхронный двига тель работает в зоне малых скольжений на естественной ха рактеристике или на прямолинейной части реостатных харак
теристик. |
постоянной частотой |
вращения Р = саМ = |
Для приводов с |
||
= СХМ. Подстановка |
этого выражения в |
формулу (4.14) дает |
|
|
(4.15) |
Область применения формулы эквивалентной мощности, как это следует из ее определения, весьма ограничена. Этой фор мулой можно пользоваться только в тех случаях, когда график нагрузки не содержит периодов пуска и торможения, а колеба ния момента статического сопротивления на валу двигателя не приводят к заметным изменениям частоты вращения (двига тели постоянного тока параллельного и независимого возбуж дения, а также асинхронные двигатели при работе на естест венной характеристике).
Когда выбирают двигатель с самовентиляцией, при умень шении его частоты вращения ухудшается отдача тепла во внешнюю среду. Это учитывается соответствующими коэффи циентами, которые ставятся перед периодами паузы, пуска и торможения в выражениях для определения эквивалентных ве личин. Во время паузы частота вращения двигателя равна нулю, и коэффициент, учитывающий ухудшение теплоотдачи, принимают приближенно равным 0,5. При пуске и торможении частота вращения двигателя изменяется. Соответственно коэф фициент, учитывающий ухудшение теплоотдачи, чаще всего
187
принимают равным 0,75. |
Так, если принять, что t\, |
h |
и tn— |
соответственно периоды |
пуска, работы, торможения |
и |
паузы |
двигателя, то формула эквивалентного тока примет вид
+ l2f2+ Фз |
(4.16) |
|
0,75 ti + /а + 0,75/з -f- 0,5/п |
||
|
Для кратковременного режима работы двигатель выбирают так, чтобы его максимальный момент Мтах превышал макси мальный момент статического сопротивления Мс, поскольку при кратковременном режиме обычно ограничения накладыва ются не нагреванием, а перегрузочной способностью двигателя.
Предварительно выбранный таким образом двигатель мо жет быть проверен на нагревание по формуле
(4.17)
где /п — номинальный ток предварительно выбранного двига теля; /к— ток кратковременного режима, определяемый по на грузочной диаграмме; tK— время работы двигателя в кратко временном режиме (берется по нагрузочной диаграмме); Ти — постоянная времени нагревания двигателя.
Значения постоянной времени нагревания двигателей ориен тировочно указаны в § 21.
Время tK— это время, в течение которого двигатель может работать с током /к, не перегреваясь сверх допустимого пре дела:
(4.18)
Идеализированный график нагрузки двигателя повторно кратковременного режима показан на рис. 4.3, в. Фактически график может быть многоступенчатым, поэтому его нужно при вести к эквивалентному одноступенчатому графику.
Если для указанного режима выбирают двигатель, рассчш тайный на повторно-кратковременный режим работы, то мно гоступенчатый график приводят к графику эквивалентного тока по формулам (4.13), (4.14) или (4.15) (моменту, мощности), соответствующему одноступенчатому графику, причем время паузы в расчете не учитывают.
Приведя нагрузку к одноступенчатому графику, подсчиты вают фактическую относительную продолжительность включе
ния ПВф= -^- -100%. Если фактическая относительная продол-
Н
188
жительность включения отличается от стандартной, двигатель выбирают с ближайшей стандартной ПВН, причем ток (момент, мощность), определенный при ПВф, пересчитывают на стан дартную величину ПВН таким образом, чтобы эквивалентный ток фактического режима Iф был равен расчетному эквивалент ному току /э. н при номинальной величине ПВп
(4.19)
Номинальный ток /н выбранного двигателя данной ПВНдол жен быть равен или несколько больше тока /э. н-
Если производственный механизм должен приводиться дви гателем, рассчитанным для продолжительного режима работы, то при определении эквивалентного тока надо учитывать также и время паузы, т. е. найти эквивалентный продолжительный ток
по формуле (4.16) с учетом ухудшения |
условий охлаждения |
при пуске, торможении и паузе. |
работы выбирают так |
Двигатель перемежающегося режима |
же-, как и двигатель повторно-кратковременного режима. Если же для перемежающегося режима работы предполагается при менить двигатель, предназначенный для продолжительного ре жима работы, следует определить эквивалентный продолжи тельный ток по формуле (4.13). Условия охлаждения во время паузы не ухудшаются, поскольку двигатель продолжает вра щаться.
Для успешного пуска двигателя необходимо, чтобы его пус ковой момент превышал момент статического сопротивления на величину, позволяющую обеспечить заданное время пуска. Особенно важное значение это имеет для механизмов с боль шими моментами инерции и в тех случаях, когда момент ста тического сопротивления при пуске выше момента статического сопротивления установившегося режима.
Двигатель обычного исполнения, выбранный по условиям пускового режима, в установившемся режиме окажется недо груженным. Поэтому при выборе двигателя по условиям пуска применяют двигатели с повышенным пусковым моментом Мп
по отношению к номинальному |
1,8). |
Иногда для улучшения условий пуска применяют асинхрон ный двигатель с фазным ротором, в цепь ротора которого включают пусковой реостат. Это позволяет искусственно повы сить пусковой момент двигателя. При тяжелых условиях пуска применяют также пуск двигателя вхолостую с последующим соединением его с механизмом специальной муфтой.
Глава 5
Аппаратура и схемыуправления электродвигателями
§ 24ч Аппаратура управления н защиты
Главными функциями аппаратуры управления и защиты яв ляются: включение и отключение электроприемников и элек трических цепей; электрическая защита их от перегрузки, ко ротких замыканий, от понижения напряжения или самопуска. При помощи аппаратов управления осуществляют регулирова ние частоты вращения, реверсирование и электрическое тормо жениедвигателей. ____ ’
В зависимости от того, какие из указанных функций выпол няет аппарат, определяются его название, конструкция и схема соединений. Аппарат может срабатывать при воздействии опе ратора или независимо от пего, Иод влиянием физических шронеесов в электрической цепи. Аппараты первого типа называ ются ручными, аппараты второго типа— автоматическими.
Как правило, аппаратура устанавливается в панелях управ ления, распределительных устройствах и пультах управления, заключенныхв шкафы.
Рубильники обычно применяются только в качестве ввод ных аппаратов, предназначенных для снятия напряжения с ус тановки в случае длительного перерыва в ее работе. Работай ток обычно выключают каким-либо другим аппаратом (кон тактором шш кошрошером). Рубильники могут иметь различ ное число полюсов (1, 2 шш IS), их изготовляют на напряжение до В и токда А. Рубильникустанавливают на отдель ном основании шш непосредственно на щите, для переднего шш заднего присоединения проводов. Рубильники могут билль с нейтральной рукштжой шпй рычажным приводом; в послед нем случае рубильник монтируют на задней стороне щита. Щт0т уменьшить вероятность прикосновения к токоведущим частям, рубильники обычно закрывают кожухом ш шоляшщвшншонагревостойкого материала..
Недостатком рубильников являются их большие пабаршты.. Шнасгояшда время для экономии места и уменьшения опасно сти! щряййшйэзойш к токоведушпдам частям применяют пакетные ж автоматически® ((автоматы) выключатели.. Пакетные шышшочшеши и Щ]5екшючатедщ служат для включения и опшпюченшя неяйй вдетоявдшго и переменного тока от Ш да НОША в сенях с нащряженнйм да Шй В.. Пакетные выключатели ((рис. &!))
1130)