Глава II. Судовые электроприводы

Раздел I. Режимы работы электродвигателей

Лекция 13

тема занятий: Условия нагрева и режимы работы электродвигателей

Вопросы:

13.1. Условия нагрева и режимы работы эл. двигателей.

13.2. Выбор типа и мощности эл. двигателей.

Условия нагрева и режимы работы эл. двигателей

Преобразование электрической энергии в механическую в электродвигателе сопровождается потерями, энергия которых превращается в тепло. Часть тепла расходуется на нагревание электродвигателя, а часть отдается в окружающую среду. В начальный период работы температура двигателя практически не отличается от температуры окружающей среды Q_ок и все выделенное в двигателе тепло почти полностью идет на его нагрев. В результате температура двигателя быстро повышается, появляется температурный перепад τ (превышение температуры двигателя над температурой окружающей среды): . С увеличением τ возрастает количество теплоты, отдаваемой двигателем в окружающую среду, а его нагрев замедляется. Через некоторое время вся теплота, выделяемая в двигателе, будет отдаваться в окружающую среду и нагрев двигателя прекратится, т. е. наступит тепловое равновесие. Температура, при которой наступает тепловое равновесие, называется установившейся. На рис. 13.1 показана кривая нагрева двигателя при продолжительной неизменной нагрузке.

Рис.13.1. Кривая нагрева двигателя

Установившаяся температура работающего двигателя не должна превышать предельно допустимую для него температуру, обусловленную теплостойкостью его изоляционных материалов. Режимы работы различных судовых электроприводов чрезвычайно разнообразны. Это определяет и различные тепловые процессы, происходящие в электродвигателях. В зависимости от продолжительности работы двигателя различают три основных рабочих режима: продолжительный, кратковременный и повторно-кратковременный.

Продолжительный режим характеризуется тем, что электродвигатель работает в этом режиме продолжительное время, достаточное для его нагрева от температуры окружающей среды до установившейся температуры (рис.13.2,а). В этом режиме работают электроприводы судовых насосов, вентиляторов и некоторых других механизмов. Различают продолжительный режим при постоянной нагрузке Р и переменной (цикличной) нагрузке.

В кратковременном режиме (рис.13.2,б) электродвигатель, работая под нагрузкой в течение времени t_pa6, не успевает нагреться до установившейся температуры, а за время паузы t₀ успевает охладиться до температуры окружающей среды. В кратковременном режиме работают электроприводы якорно-швартовных механизмов, шлюпочных лебедок, компрессоров пускового воздуха и т. д.

Отечественной промышленностью выпускаются двигатели, специально рассчитанные для кратковременного режима работы. Стандартные продолжительности рабочего периода установлены равными 15, 30, 60 и 90 мин.

Рис. 13.2. Нагрузочные диаграммы и кривые нагрева двигателя

Повторно-кратковременный режим (рис.13.2,в) характеризуется чередованием кратковременных рабочих периодов t_pa6 и пауз t₀. При этом температура нагрева двигателя в рабочий период не достигает установившегося значения, а за время паузы не успевает остывать до температуры окружающей среды. Этот режим оценивается относительной продолжительностью включения (ПВ), которая выражается в процентах и определяется по формуле

где — суммарное время работы двигателя в течение цикла, с; — суммарное время пауз между рабочими периодами в течение цикла, с;

= + — общая продолжительность цикла, с.

Продолжительность цикла при повторно-кратковременном режиме не должна превышать 10 мин.

Отечественная промышленность выпускает электродвигатели со стандартными значениями относительной продолжительности включения ПВ равными 10, 25, 40 и 60%. В повторно-кратковременном режиме работают электроприводы грузоподъемных механизмов.

Выбор типа и расчет мощности электродвигателя

Мощность электродвигателя, работающего в продолжительном режиме при неизменной (постоянной) нагрузке, определяется по формуле

где — мощность, потребляемая исполнительным механизмом;

— к.п.д. передачи от двигателя к исполнительному механизму.

При выборе по каталогу номинальной мощности электродвигателя Р_ном необходимо соблюдать условие . При циклично изменяющейся (переменной) нагрузке предварительно определяют среднюю мощность, потребляемую исполнительным механизмом, на основании заданной нагрузочной диаграммы (рис.4.3,а):

Расчетная мощность электродвигателя определяется по формуле

.

где = 1,1—1,3 — коэффициент, учитывающий преодоление динамических моментов при изменении нагрузки.

По каталогу выбирают двигатель с номинальной мощностью . Выбранный электродвигатель проверяется на нагрев одним из методов эквивалентных или среднеквадратичных значений тока, мощности и момента. Сущность этих методов заключается в том, что действительную переменную нагрузку заменяют эквивалентной или среднеквадратичной постоянной нагрузкой, которая вызывает такой же нагрев двигателя, как и действительная переменная нагрузка.

Эквивалентная мощность для нагрузочной диаграммы (см. рис.13.3,а) определяется по формуле

Предварительно выбранный электродвигатель при работе в заданном режиме не будет перегреваться, если . Метод эквивалентной мощности применяется при условии, если угловая скорость двигателя, к.п.д., а для двигателей переменного тока и коэффициент мощности сохраняются неизменными. Это условие выполняется только при нагрузках, близких к номинальным. Если нагрузочная диаграмма задана зависимостью I=ƒ(t), то значение эквивалентного тока определяется по формуле

Электродвигатель по нагреву будет выбран правильно, если

.

Если нагрузочная диаграмма задана зависимостью M= , то значение эквивалентного момента определяется по формуле

Предварительно выбранный электродвигатель при работе в заданном режиме не будет перегреваться, если . Метод эквивалентного момента применяется при условии, если магнитный поток двигателя и его угловая скорость вращения сохраняются неизменными.

Наиболее точным из рассмотренных методов является метод эквивалентного тока.

Выбор мощности электродвигателя, работающего в кратковременном режиме, производится по заданной мощности Р_Кр, которую он должен развивать в этом режиме, и его продолжительности работы . Эти величины определяются из нагрузочной диаграммы электропривода, заданной зависимостью .

Рис.13.3. Нагрузочные диаграммы двигателя.

Зная Р_КР и t_КР, по каталогу выбирают электродвигатель кратковременного режима, у которого при мощность (где и — номинальные параметры электро- двигателя, указанного в каталоге). Если электродвигатель в кратковременном режиме работает с переменной нагрузкой, то его кратковременная номинальная мощность должна быть равна или больше кратковременной эквивалентной мощности, т. е. .

При выборе двигателя для повторно-кратковременного режима одновременно с определением его мощности определяется и значение ПВ, с которым он будет работать в этом режиме.

Мощность электродвигателя, работающего в повторно-кратковременном режиме (рис.13.3,6), может быть определена по формуле эквивалентной мощности с учетом или без учета продолжительности пауз t_o. В связи с тем что мощность электродвигателей специальной серии, предназначенной для повторно-кратковременного режима работы, указывается в каталогах относительно определенного стандартного значения ПВ, то при расчете эквивалентной мощности можно ограничиться ее значением, определенным без учета пауз,

Относительная расчетная продолжительность включения ПВ, %, для заданного графика нагрузки определится

В случае различия между фактическим (расчетным) и стандартным значениями ПВ% производят пересчет мощности двигателя Р_ном применительно к ближайшей стандартной ПВ_ст

По каталогу электродвигателей, предназначенных для повторно-кратковременного режима работы, выбирают соответствующий двигатель. Если при определении относительной продолжительности включения получилось ПВ>60%, то электродвигатель рассчитывается для продолжительной нагрузки.

При ПВ<10% мощность электродвигателя определяется для кратковременной нагрузки.