Режимы работы и охлаждение электрических машин

Режим работы электрической машины – это установленный порядок чередования периодов, характеризуемых величиной и продолжительностью нагрузки, отключений, торможения, пуска и реверса во время ее работы. Режимы работы электродвигателей в электроприводах различных рабочих механизмов разнообразны. Они определяются технологическими процессами, реализуемыми рабочими механизмами. Для иллюстрации этих режимов используют нагрузочные диаграммы. Такая диаграмма представляет графически выраженную зависимость параметра, характеризующего нагрузку приводного двигателя (мощности , момента , силы потребляемого тока ) от продолжительности отдельных этапов, составляющих время работы электропривода [2].

Согласно действующему стандарту существует три основных режима работы двигателей, различающиеся характером изменения нагрузки: продолжительный, кратковременный и повторно-кратковременный [22].

Продолжительный режим работы S1 характеризуется такой длительностью работы двигателя, при которой температура перегрева всех его частей достигает установившихся значений . Различают продолжительный режим с неизменной нагрузкой, показанный на рис. 3.4,а (электроприводы насосов, вентиляторов, транспортеров), и продолжительный режим с изменяющейся нагрузкой, представленный на рис. 3.4,б (электроприводы прокатных станов, металлорежущих станков и т.п.) [2].

Кратковременный режим работы S2 характеризуется тем, что периоды неизменной номи­нальной нагрузки чередуются с периодами отключения двига­теля. При этом периоды работы (нагрузки) двигателя на­столько кратковременны, что температуры нагрева всех частей двигателя не достигают устано­вившихся значений, а периоды отключения двигателя настолько продолжительны, что все части двигателя успевают охладиться до температуры окружающей среды. По стандарту мин. В условном обозначении кратковременного режима указывается продолжительность периода нагрузки, например S2 – 30 мин. В крат­ковременном режиме работают электроприводы разного рода засло­нок, вентилей и других запорных устройств, регулирующих подачу рабочего вещества (газ, вода и др.) посредством трубопровода к объ­екту потребления. Нагрузочная диаграмма режима S2 отображена на рис. 3.5 [2].

Повторно-кратковременный режим S3 характеризуется тем, что кратковременные периоды работы двигателя чередуются с перио­дами его отключения (паузами) . Причем за период работы превы­шение температуры не успевает достигнуть установившихся значений, а за время паузы части двигателя не успевают охладиться до температуры окружающей среды. Общее время ра­боты двигателя в режиме S3 делится на периодиче­ски повторяющиеся циклы продолжительно­стью . Нагрузоч­ная диаграмма повторно-кратковременного режима представлена на рис. 3.6. На диаграмме – установившееся значение температуры перегрева при повторно-кратковременном режиме. В режиме S3 работают электроприводы лифтов, подъемных кранов, экскаваторов, для которых характерна цикличность [2]. Этот режим характеризуется относительной продолжительностью включе­ния ПВ, %:

. (3.3)

Действующим стандартом предусмотрены номинальные повторно-кратковременные режимы с ПВ 15, 25, 40 и 60% (для продолжительного режима ПВ=100%). В условном обозначении повторно-кратковременного режима указывают величину ПВ, например, S3 – 40%. Двигатель с номинальной мощностью с ПВ1 может быть использован при другой ПВ2. Мощность , на которую допускается при этом нагружать двигатель, определяется приближенным соотношением [23]:

. (3.4)

Например, при переводе двигателя из продолжительного режима (ПВ=100%) в повторно-кратковременный режим мощность двигателя, по сравнению с его мощностью в продолжительном режиме, может быть увеличена на 30% для ПВ=60%, на 60% для ПВ=40%, в 2 раза в случае ПВ=25%, а в 2,6 раза для ПВ=15% [2].

Режимы S1, S2, S3 считаются основными. В каталогах на двигатели, предназначенные для работы в каком-либо из этих режимов, указаны номинальные данные, соответствующие режиму. Стандартом предусмотрены еще и дополнительные режимы [6]:

- повторно-кратковременный режим S4 с частыми пусками, с числом включений в час 30, 60, 120 или 240;

- повторно-кратковременный режим S5 с частыми пусками и электрическим торможением в конце каждого цикла;

- перемежающийся режим S6 с частыми реверсами и электрическим торможением;

- перемежающийся режим S7 с частыми пусками, реверсами и электрическим торможением;

- перемежающийся режим S8 с двумя и более разными частотами вращения.

Работа электрических машин в любом из упомянутых режимах, особенно при пусках и торможениях, сопровождается потерями энергии с выделением теплоты в их частях. Охлаждение, особенно машин большой мощности, является сложной и ответственной задачей. При этом используются не только конструктивные, но и специальные меры, заключающиеся в применении систем охлаждения. Как правило, в электрических машинах применимо искусственное охлаждение (рис. 1.4), включающее в себя самовентиляцию и принудительную вентиляцию [2].

Самовентиляция состоит в создании направленного движения воздуха от вентилятора на валу машины, которые охлаждают ее нагретые части. При наружной самовентиляции воздухом обдувается внешняя поверхность корпуса статора. Машина как правило имеет закрытое исполнение с ребристой поверхностью, которая обеспечивает увеличение поверхности охлаждения. Для внутренней самовентиляции в корпусе и подшипниковых щитах машины выполняют специальные отверстия, через которые воздух из среды, окружающей машину, проникает внутрь благодаря центробежному вентилятору на валу, охлаждает машину, «омывая» ее нагретые части, а затем нагретым выбрасывается наружу через специальные отверстия (жалюзи) в левом подшипниковом щите со стороны, противоположной вентилятору. Принцип внутренней самовентиляции электрических машин отображен на рис. 3.7. Тепловые потоки от электрических и магнитных потерь соответственно показаны светлыми и темными стрелками. Тонкие линии показывают направления воздуха с температурой окружающей среды , проникающего внутрь машины, и выбрасывающегося наружу с температурой . Для более эффективного ох лаждения в магнитопроводе некоторых электрических машин делают вентиляционные каналы, через которые проходит охлаждающий воздух. Вентиляционные каналы называется соответственно аксиальными и радиальными. Аксиальные каналы расположены параллельно оси машины, радиальные каналы расположены перпендикулярно этой оси. Примеры аксиальной и радиальной систем вентиляции изображены на рис. 3.8. Радиальные вентиляционные каналы получаются делением общей длины сердечника на пакеты по 40 – 60 мм. Между пакетами оставляют промежутки по 10 мм, которые являются радиальными каналами. Иногда в машинах применяют радиально-аксиальную вентиляцию [2].

Независимая вентиляция необходима при работе электрических машин на низких частотах вращения, а также во взрывоопасной или химически активной среде. Для обеспечения этого вентилятору машины требуется собственный привод, частота вращения которого не зависит от режима работы машины, или применяются разомкнутые и замкнутые независимые системы вентиляции, схемы которых показаны на рис. 3.9. Воздух в машину 1 нагнетается с помощью вентилятора 2 через трубопровод 3. При разомкнутой системе независимой вентиляции (рис. 3.9, а) воздух выбрасывается наружу по трубе 4. В системе независимой вентиляции, работающей по замкнутому циклу (рис. 3.9, б), нагретый воздух проходит через радиатор охладителя 5, охлаждаясь посредством протекающей в радиаторе холодной воды.

Применяемые в электрических машинах способы охлаждения находятся во взаимосвязи с конструктивными формами исполнения машин [2].