Номинальные режимы работы электроприводов

Выбор электродвигателя

Электродвигатель — главный элемент электропривода. Выбор его является наиболее ответственной задачей при проектирова­нии электрооборудования металлургических цехов и включает несколько независимых операций: выбор мощности электродви­гателя и его электрических параметров (род то^а, напряжение, частота переменного тока), выбор конструктивно-монтажного исполнения и конкретного исполнения и марки двигателя.

Параметры выбранного электродвигателя — номинальная мощность, частота вращения, номинальное напряжение, отно­сительная продолжительность рабочего периода, пусковой и максимальный моменты, пределы регулирования частоты вра-щениц, нид механических характеристик, конструктивные осо­бенности, исполнение должны соответствовать требованиям технологического процесс*'), параметрам и конструктивным особенностям рабочего механизма, параметрам электрической [сети, условиям работы и окружающей среды.

Мощность электродвигателя выбирают, исходя из необходи­мости обеспечить выполнение заданного графика нагрузки при соблюдении нормального теплового режима и допустимой ме-ханичекой перегрузки двигателя. Применение двигателей завышенной мощности влечет неоправданное увеличение капи-
тальных вложений, снижение к. п. д., а для асинхронных дви-
гателей — снижение коэффициента мощности. Применение
двигателей недостаточной мощности может привести к их пере­
греву, нарушению нормальной работы механизма, снижению
производительности машин, сокращению срока службы двига-
теля и даже возникновению аварийной ситуации. Даже при сравнительно небольшом превышении допустимой температуры происходит интенсивное старение изоляции и резкое сокраще­ние срока эксплуатации машины, а при перегреве изоляции на 20 % выше допустимой срок службы электродвигателя снижа­ется втрое.

Нагрев электродвигателей

Процесс электромеханического преобразования энергии всегда сопровождается потерей части ее в самой машине. Преобра­зуясь в тепловую энергию, эти потери вызывают нагрев элек­трической машины. Потери энергии в машине могут быть по­стоянными (потери в железе, на трение и т. п.) и переменными. Переменные потери являются функцией тока нагрузки

(75) i — сопротивле-

где / — ток в цепи якоря, ротора и статора; ние обмоток якоря, ротора, статора. Для номинального режима работы

(76)

где —номинальные значения соответственно мощно-

сти и к. п. д. двигателя.

Уравнение теплового баланса двигателя имеет вид

(77)

где dQ — тепловая энергия, выделившаяся в двигателе за врем* " '~ —часть тепловой энергии, выделяющаяся в окру­жающую среду; dQ₂ — часть тепловой энергии, аккумулируемая в двигателе и вызывающая его нагрев.

Если уравнение теплового баланса выразить через тепловые параметры двигателя, то получим

(78)

где Л — теплоотдача двигателя, " С — теплоемкость

двигателя, Дж/°С; т — превышение температуры двигателя над температурой окружающей среды £_Окр

Стандартное значение температуры окружающей среды при­нимается 40 °С.

Когда все выделяемое в двигателе тепло отдается в окру­жающую среду, наступает установившийся тепловой режим ра­боты, при котором температура двигателя остается неизменной

и В этом случае и уравнение (78) при-

мет вид

(79) Откуда установившееся превышение температуры двигателя

(80)

Для выявления закона изменения температуры двигателя во времени решают дифференциальное уравнение теплового ба­ланса (78). Разделив уравнение на с учетом (80), получим

(81)

где — постоянная времени нагрева двигателя, т. е.

время, в течение которого двигатель нагревается до установив­шейся температуры при отсутствии отдачи тепла в окружаю­щую среду.

Если в начальный момент при /=.0 превышение температуры двигателя равно т_Нач, то решение уравнения (81) имеет вид

(82)

Из уравнения (81) видно, что изменение превышения темпе­ратуры двигателя происходит по закону экспоненты

(83)

При нагреве двигателя т_Ует>т_н, а при охлаждении т_Уст<т_н.

Если при охлаждении температура двигателя достигает тем­пературы окружающей среды (т_уСт = 0), то

(84)

На рис. 74 представлены графики нагрева и охлаждения двигателя.

Согласно уравнениям (82) и (83) переходный процесс на-грепа двигателя длится бесконечно (/ = оо). Практически же принимают продолжительность нагрепа и охлаждения двигате­лей ршпюЛ И -!>)'/'„. Время, необходимое для достижения уста-ншшмшейеи температуры, у открытых двигателей малой мощ­ности составляет 2—4 ч (Г_н = 0,5-М ч); двигателей средней мощности 4—8 ч (Т_н= 1-7-2 ч); закрытых двигателей 7—12 ч (7\, 2-гЗч).

Наиболее чувствительным элементом к повышению темпе­ратуры является изоляция обмоток. Изоляционные материалы, • которые применяют в электрических машинах, разделяются по клпесу нагреностойкости в зависимости от предельной допусти­мой температуры. Правильно выбранный по мощности электро-днигптель нагревается при работе до номинальной темпера­туры, определяемой классом нагревостойкости изоляции (табл. 3).

Помимо температуры окружающей среды на процесс на­грева двигателя большое влияние оказывает интенсивность теп­лоотдачи его поверхности, которая зависит от способа охлаж­дения, в частности от скорости потока охлаждающего воздуха. Поэтому у двигателей с самовентиляцией при снижении скоро­сти теплоотдача ухудшается, что требует снижения его на­грузки. Например, при

Таблица 3 Классы нагревостойкости изоляции двигателей длительной работе такого двигателя со скоростью, равной 60% от номинальной, мощность должна быть снижена вдвое.

Номинальная мощность двигателя повышается с увеличе­нием интенсивности его охлаждения. В настоящее время для мощных приводов прокатных станов разрабатываются так на­зываемые криогенные двигатели, охлаждаемые сжиженными газами.

Номинальные режимы работы электроприводов

Режимы работы электроприводов отличаются многообразием по длительности, характеру изменения нагрузки, ее величине, условиям охлаждения и др. Характер нагрева двигателя позво­ляет выделить характерные режимы работы электроприводов. Действующим ГОСТом предусматриваются восемь номи­нальных режимов, которые в соответствии с международной классификацией имеют условные обозначения SI—S8. Ниже приведена краткая характеристика этих режимов:

S1— продолжительный номинальный режим работы элек­трической машины при неизменной нагрузке, продолжающейся до тех пор, пока превышения температуры всех частей элек­трической машины достигнут установившихся значений т_у(рис. 76,а). Длительность рабочего периода ^_Р>ЗГ_Н, длитель­ ность паузы роли не играет. В продолжительном режиме рабо­тают двигатели насосов, воздуходувок, компрессоров, конвейе­ров, непрерывных станов и т. п.;

51 — кратковременный номинальный режим работы, при ко­тором период неизменной номинальной нагрузки чередуется с периодом отключения машины; при этом периоды нагрузки
не настолько длительны, чтобы превышения температуры ма­шины могли достигнуть установившихся значений т_у (^_Р<ЗГ_Н), а периоды остановки настолько длительны (^_О>37¹_О), что все
части ее охлаждаются до температуры окружающей среды (рис. 76,6). Для кратковременного режима работы рекомендуется продолжительность рабочего периода 15, 30, 60, 90 мин.
В кратковременном режиме работают электродвигатели подъ­ема и поворота свода печи, приводов заслонок, задвижек, механизма наклона печей, поворота конвертера и т. п.;

S3 — повторно-кратковременный номинальный режим ра­боты (рис. 76,в), при котором кратковременные периоды неиз­менной номинальной нагрузки (рабочие периоды) чередуются с периодами отключения машины (паузами), причем как рабо­чие периоды, так и паузы не настолько длительны, чтобы пре­вышения температуры частей машины могли достигнуть уста­новившихся значений. При повторно-кратковременном режиме продолжительность цикла не превышает 10 мин. Повторно-кратковременный режим характеризуется относительной про­должительностью включения ПВ %

(85)

где f\u tut t_n — соотиететиенио иремя работы, паузы и цикла. Нормируемые* .'tiut'iennvi продолжительности включения состав­ляют 1В %, 2В, 40, (И) % или еоотнететиенио е = 0,15; 0,25; 0,4; ОД Понторно-крптконремепиый режим характеризуется усло­виями /|,<ЗГ„, т. е. за время одного цикла перегрев не дости­гнет /ус, а за время паузы не становится равным нулю. При ммогокрптном повторении циклов процесс нагрева устанавлива­ете и, т. е. температура перегрева в начале и в конце одинакова И ее колеЛишш происходят около среднего значения т_у. _ср. В по-яторно крпткомремешюм режиме работают электроприводы i pfumw, нод'ьеммикон, некоторых вспомогательных механизмов мрокдтных цехом и т. п.

Номинальные режимы SI, S2, 53 являются в настоящее премя основными, используемыми в отечественном электрома­шиностроении. О режимах (54—58) упомянем лишь кратко;