Различных режимах их работы

Работа дви­гателей по характеру изменения нагруз­ки на их валу, а тем самым по виду их нагрева и охлаждения подразделяется на восемь режимов с условными обо­значениями от S1 до S8.

Рис.124. График, характеризующий продолжительный (S1) режим работы двигателя

Продолжительный номинальный ре­жим работы (S1) двигателя характери­зуется неизменной нагрузкой в течение времени, за которое пере­грев всех его частей достигает установившегося значения. Графики изменения мощности на валу Р, момента М, потерь мощности ΔР и перегрева τ для этого режима приведены на рис. 124. Признаком режима S1 является выполнение условия t_р > 3Т_н, где t_р - время ра­боты (включения) двигателя. Работа двигателя в режиме S1 может происходить с постоянной или переменной циклической нагрузкой.

График работы двигателя с постоянной нагрузкой соответствует рис. 124. Так как двигатель выбирается по условию Р ≤Р_ном, то выполняются и ус­ловие

ΔР ≤ ΔР_ном; и τ_mах = τ_уст ≤ τ_доп.

Таким образом, при постоянной продолжительной нагрузке не требуется дополнительных расчетов по определению нагрева дви­гателя.

При переменной циклической нагрузке двигателя (см. рис. 123) также будут изменяться его ток, момент и потери. Проверка двига­теля по нагреву в этом случае выполняется методами средних по­терь или эквивалентных величин.

Рис.125. Графики, характеризующий кратковременный (S2) режим работы двигателя

Кратковременный номинальный режим (S2) характеризуется чере­дованием периодов неизменной нагрузки с периодами отключения двигателя; при этом за время его работы t_p превышение температу­ры не достигает установившегося уровня, а за время отключения (паузы) t₀ все части двигателя охлаждаются до температуры окру­жающей среды. Стандартные значения продолжительности рабо­чего периода составляют 10, 30, 60 и 90 минут. Графики, характери­зующие кратковременный режим работы двигателя, показаны на рис. 125. Режим S2 соответствует условиям t_p < 3Т_н, t₀ >3Т₀.

Если двигатель рассчитан на продол­жительный режим работы, то при крат­ковременном режиме превышение темпе­ратуры к концу рабочего периода t_р не достигнет установившегося значения, т.е. в этом случае двигатель будет недо­использован по нагреву, а значит и по своей мощности.

Для полного использования в крат­ковременном режиме работы двигателя, предназначенного для работы в продол­жительном режиме, его следует перегру­жать по мощности на валу. В этом слу­чае к концу рабочего периода его пере­грев достигнет допустимого (норматив­ного) уровня.

Для количественной оценки пере­грузки и нагрева двигателя используют­ся коэффициенты термической и меха­нической перегрузок.

Коэффициентом термической пере­грузки р_т называется отношение потерь мощности при кратковременном режи­ме ΔР_к к номинальным потерям мощ­ности

ΔP_ном:

р_т = ΔР_к / ΔP_ном =1/(1-е^{- tр /Тн}). (276)

Зависимость коэффициента термической перегрузки р_т при крат­ковременном режиме работы двигателя от относительной длитель­ности его рабочего периода

t_p/Т_н показана на рис. 126 (кривая 1).

Рис.126.Определение коэффициентов термической и механической перегрузки

Коэффициентом механической перегрузки р_м называется отноше­ние мощности нагрузки двигателя в кратковременном режиме ра­боты Р_к, к номинальной мощности Р_ном в продолжительном режиме:

р_м=Р_к/Р_ном.

Коэффициент механической перегрузки р_м можно выразить с по­мощью коэффициента термической перегрузки р_т:

р_т =(α+ р_м)/(α + 1), (277)

где α = Р_пост/ Р_пер - коэффициент потерь;

Р_пост - постоянные потери двигателя (не зависят от нагрузки); Р_пер - переменные потери двигателя (зависят от нагрузки).

Из (277) следует, что

(278)

При отношениях t_p/Т_н = 0,3...0,4 допустимый по условиям нагрева коэффи­циент механической перегрузки р_м примерно равен 2,5 (см. рис. 126, кривая 2), что в среднем соответствует перегрузочной способности двигателей общепромышленных серий.

Вследствие этого при мень­ших значениях t_p/Т_н полное использование таких двигателей по на­греву ограничивается их перегрузочной способностью. Другими словами, при малых значениях отношения t_p/Т_н двигатели недоис­пользуются по нагреву и поэтому в этих случаях можно вообще не производить их проверку по нагреву, а следует ограничиться толь­ко проверкой по условиям перегрузки.

Промышленность выпускает специальные электродвигатели, рассчитанные для кратковременного режима работы, основная осо­бенность которых заключается в повышенной перегрузочной спо­собности, что позволяет полнее использовать их по нагреву. Время работы этих двигателей нормируется и составляет 10, 30, 60 и 90 мин. Это значит, что двигатель, имеющий, например, номиналь­ную мощность Р_ном = 10 кВт при t_p = 30 мин, может развивать в тече­ние 30 мин мощность 10 кВт не перегружаясь. Затем он должен быть отключен от сети до тех пор, пока полностью не охладится до тем­пературы окружающей среды. Необходимо отметить, что двигатели, предназначенные для крат­ковременного режима работы, нецелесообразно использовать в про­должительном режиме из-за присущих им повышенных постоянных потерь мощности.

Иногда такие двигатели не могут работать в про­должительном режиме даже вхолостую, перегреваясь при этом выше допустимого уровня.

Повторно-кратковременный номинальный режим работы (S3) ха­рактеризуется чередованием периодов нагрузки t_р (рабочие перио­дов) с периодами отключения двигателя t₀ (паузами), причем как рабочие периоды, так и паузы не настолько длительны, чтобы пре­вышения температуры могли достигнуть установившихся значений. Этому режиму соответствуют условия t_р < 3Т_н, t₀ < 3Т₀ (рис. 127).

Относительная продолжительность включения (ПВ) двигателя в этом режиме (%):

ПВ = [t_р /(t_р + t₀)]100% = (t_р/Т_ц)100%. (279)

К показанному на рис. 127 стандартному для режима S3 графи­ку нагрузки можно свести более сложные зависимости путем рас­чета эквивалентных мощности, момента и тока на рабочих участ­ках цикла.

Для повторно-кратковременного режима работы выпускаются специальные серии двигателей. В каталогах на них указывается но­минальная мощность Р_ном при нормативной продолжительности включения ПВ_нор= 15, 25, 40, 60 и 100%. Длительность рабочего цикла Т_ц для них не должна превышать 10 мин, в противном случае двигатель считается работающим в продолжительном режиме.

Если при повторно-кратковременном режиме ПВ и мощность нагрузки равны (или близки) номинальным данным двигате­ля, то проверка его по нагреву не требуется, поскольку рабо­та при таких параметрах нагру­зочной диаграммы гарантиру­ется заводом-изготовителем.

Рис.127. Графики повторно-кратковременного режима работы двигателя

Рассмотрим проверку двига­теля по нагреву в случае, когда относительная продолжитель­ность его включения в реальном цикле ПВ₁ заметно отличается от нормативной ПВ_нор. Допус­тим, что ПВ₁ соответствует нагрузке Р₁, а стандартной ПВ_нор номинальная мощность Р_ном (см. рис. 128).

На основании метода средних по­терь можно утверждать, что среднее превышение температуры двигателя при его работе с мощностью Р₁≠ Р_ном при ПВ₁≠ ПВ_нор не будет превышать допустимой температуры, если средние потери мощности за цикл при Р₁ и ПВ₁ не будут превышать потери за тот же цикл при Р_ном и ПВ_нор, т. е. если

ΔР₁ПВ₁ ≤ ΔР_номПВ_нор. (280)

Отсюда следует, что, для того чтобы при работе с мощностью Р₁ и ПВ₁ средняя температура двигателя не превышала допустимую, между потерями мощности должно существовать соотношение

ΔР₁ПВ₁/ПВ_нор ≤ΔР_ном. (281)

Порядок проверки двигателя по нагреву состоит в следующем. Сначала определяются потери в двигателе за время его работы ΔР₁ и реальная продолжительность включения ПВ₁. Затем по паспорт­ным данным двигателя для ближайшей нормативной ПВ_нор нахо­дятся номинальные потери двигателя ΔР_ном и проверяется выполне­ние условия (281). Если оно выполняется, нагрев двигателя не бу­дет превосходить нормативного.

Рис.128. Расчетные графики момента при повторно-кратковременном режиме

Проверка двигателя по нагреву может быть произведена также сопоставлением номинальных и эквивалентных тока, момента и мощ­ности двигателя, определяемых по нагрузочным диаграммам. Заме­няя в (281) потери мощности через постоянные Р_пост и переменные Р_пер потери, после преобразований получим следующее соотношение:

(282)

При условии постоянства магнитного потока за цикл работы из (282) следует, что

(283)

а из (9.32) при условии неизменности скорости двигателя

(284)

Если условия (282) - (284) выполняются, то температура дви­гателя не будет превосходить допустимого значения.

В случаях, когда реальная продолжительность включения ПВ₁ ненам­ного отличается от нормативной ПВ_нор, в (282)-(284) произведением α(ПВ₁ - ПВ_нор) можно пренебречь.

Проверку по нагреву двигателей, предназначенных для продол­жительного режима работы, но используемых для повторно-кратковременной нагрузки, можно выполнять с помощью формул (282)-(284), если считать в них ПВ_нор = 100%. Для двигателей продолжительного режима работы, у которых теплоотдача в пе­риод пауз ухудшается, целесообразно учитывать этот фактор при оценке нагрева. Расчетные формулы для этого случая рассмотре­ны в [4, 12, 14, 19].

Рассмотренные режимы SI, S2, S3 являются основными и наи­более характерными для электродвигателей. Кроме того, класси­фикация предусматривает еще пять режимов S4-S8, которые яв­ляются разновидностями первых трех и встречаются реже. Про­верка двигателей по нагреву в этих режимах производится метода­ми средних потерь или эквивалентных величин.

Задача 37. ДПТ типа 2ПФ 200 имеет следующие паспортные данные: Р_ном=30 кВт; n = 2200 об/мин; I_ном = 74 A; U_ном = 440 В; η = 90%.

Оценить тепловой режим двигателя при его работе по следующему циклу: время первого участка t₁ = 12 мин, момент нагрузки М_с1 = 120 Нм; время второго участка t₂= 25 мин, момент нагрузки М_с2 = 145 Нм; время третьего участка t₃ = 18 мин, момент нагрузки М_с3 = 100 Нм. Ток возбуждения и сопротивление якорной цепи не изменяются. Заданный цикл относится к про­должительному режиму работы с переменной нагрузкой.

Так как ток возбуждения и сопротивление цепи якоря не изменяются, то для проверки двигателя по нагреву можно воспользоваться методом эквивалентно­го момента.

Определим номинальные угловую скорость и момент двигателя:

Ω_ном = 2πn_ном/60= 2•3,14 • 2200/60 = 230 рад /с;

М_ном =Р_ном/ Ω_ном =30000/230 = 130,3 Нм.

Рассчитаем по (274) эквивалентный среднеквадратичный момент нагрузки двигателя:

Сопоставим рассчитанный эквивалентный момент М_экв с номинальным. Так как М_экв = 126,4 < 130,3= М_ном Нм, то двигатель не будет перегреваться выше допустимого уровня.

Задача 38. АД краново-металлургической серии типа МТКВ 511-8 имеет номинальные мощность Р_ном = 28 кВт при ПВ_нор = 25% и скорость n_ном = 700 об/мин. Оценить нагрев двигателя, если он будет периодически вклю­чаться на 3 мин и преодолевать при этом момент нагрузки М_с=350 Нм, после чего будет отключаться на 5 мин. Данный цикл работы относится к повторно- кратковременному режиму.

Определим номинальную угловую скорость и номинальный момент при ПВ_ном двигателя:

Ω_ном= 2πn_ном/60= 2•3,14 • 700/60 = 73,3 рад /с;

М_ном =Р_ном/ Ω_ном =28 000/73,3 = 382 Нм.

Найдем продолжительность включения двигателя в цикле ПВ₁:

ПВ₁ = t_р/( t_р + t₀)100% = 3/(3 + 5)100% = 37,5%.

Вычислим момент нагрузки при стандартной ПВ_нор = 25%:

Сопоставим приведенные к одной стандартной ПВ_нор = 25% М_экв и М_ном. Так как М_экв = 429 Нм > 382 Нм=М_ном, двигатель при работе в таком цикле будет перегреваться сверх допустимого уровня.

Задача 39. Для условий задачи 37 выполнить проверку двигателя по нагре­ву методами средних потерь и эквивалентного тока.

Задача 40. Для условий задачи 38 при тех же паузе и моменте нагрузки определить время работы двигателя, при котором перегрев двигателя не будет превосходить допустимого уровня.

Вопросы для самоконтроля

1.Поясните для каких целей строят нагрузочную диаграмму и диаграмму изменения скорости вращения ЭП.

2. Приведите формулу, по которой выполняется расчет требуемой мощности двигателя.

3. Поясните методику выбора электродвигателя.

4. Перечислите методы проверки двигателя на нагрев.

5.Дайте характеристику продолжительного номинального ре­жима работы двигателя (S1).

6. Дайте характеристику кратковременного номинального ре­жима работы двигателя (S2).

7.Дайте характеристику повторно-кратковременного номинального режима работы двигателя (S3).