Электрооборудование нефтяной промышленности

3.9. Конструктивные исполнения и эксплуатационные свойства электродвигателей

Большое разнообразие рабочих машин и разные условия ок­ ружающей среды, в которых они работают, привели к необходи­ мости создания многочисленных конструктивных форм электро­ двигателей. Поэтому различное конструктивное исполнение электродвигателя и, следовательно, его универсальная приспо­ собляемость к рабочей машине и к месту установки — одно из существенных преимуществ электродвигателя по сравнению с двигателями других типов.

Для большей части рабочих машин применяют двигатели с

горизонтальным расположением вала. Их устанавливают рядом с производственным механизмом. Однако в зависимости от по­ ложения вала и его свободного конца, числа и вида подшипни­ ков, способа его установки и крепления существует 55 форм: исполнения двигателей. Поэтому во многих случаях для упро­ щения кинематической схемы применяют, например, двигатели с вертикальным валом и фланцевым креплением корпуса дви­ гателя непосредственно на корпус рабочей машины. Среди конструктивных исполнений особое место занимают встраивае­

двигателей монтируют внутри соответствующих полостей меха­ низма, а валом для них служит вал рабочего органа механизма.

Условное обозначение двигателя по форме исполнения и способу монтажа в соответствии с ГОСТ 2479—79 состоит из. латинских букв IM и четырехзначного числового индекса, пер­

двигатель на лапах с двумя подшипниковыми щитами и одним, цилиндрическим концом вала.

Часто среда, в которой работает двигатель, содержит пыль,, влагу, газы, пары кислот, взрывоопасные смеси. Наличие в. воздухе большого количества пыли приводит к быстрому загряз­ нению обмоток и ухудшению условий теплоотдачи в окружаю­ щую среду. Влага, газы, пары кислот разрушают электроизоля­ ционные материалы. Появление искры в двигателе может выз­ вать взрыв в производственном помещении. Поэтому в. двигателях предусматриваются меры защиты от влияния окру­ жающей среды, а также меры для защиты персонала от прикос­ новения к токоведущим и движущимся частям.

100

Степени защиты персонала от прикосновения к токоведущим и движущимся частям электрооборудования, заключенного в оболочку, а также от воздействия окружающей среды согласно ГОСТ 14254—80 обозначаются латинскими буквами IP и двумя цифрами. Первая цифра (от 0 до 6) указывает на степень за­ щиты персонала от соприкосновения с токоведущими и движу­ щимися частями электрооборудования, находящимися внутри оболочки, а также степень защиты встроенного в оболочку обо­ рудования от попадания посторонних твердых тел. Вторая циф- ра (от 0 до 8) характеризует степень защиты электрооборудова­ ния, расположенного внутри оболочки, от попадания воды.

Так, открытые двигатели имеют степень защиты IP00, защи­ щенные— от IP 10 до IP44, водозащищенные — от 1Р55до1Р66. Чем больше соответствующая цифра, тем выше степень защиты.

В нефтяной промышленности широко распространены двига­ тели, закрытые герметично и предназначенные для длительной

имеют искусственное охлаждение, в них с помощью отдельных приспособлений достигается увеличение скорости движения воздуха. Такие электродвигатели называются вентилируемыми. Вентилируемые электродвигатели, у которых охлаждающий воздух проходит через внутреннее пространство, называют продуваемыми; при обдуве наружной поверхности — обдувае­ мыми.

Обозначение способов охлаждения состоит из букв 1C и двух цифр: первая (от 0 до 6) условно обозначает устройство цепи для циркуляции хладагента, вторая (от 0 до 7 ) — способ его применения.

Электродвигатели малой и средней мощности обычно выпол­ няют с самовентиляцией. В этом случае охлаждение осуществ­ ляется вентилятором, насаженным на вал ротора. В асинхрон­ ных короткозамкнутых двигателях вентиляторами служат вен­ тиляционные лопасти, которые получают при отливке короткозамкнутой обмотки ротора.

Электродвигатели закрытого исполнения обычно выполняют обдуваемыми. При этом вентилятор обдувает внешнюю поверх­ ность корпуса, способствуя более интенсивному отводу от нее теплоты (ICO1). Для увеличения поверхности охлаждения ста­ нины закрытых машин снабжаются охлаждающими ребрами. Иногда на валу ротора устанавливают также внутренний венти­

101

лятор, обеспечивающий дополнительную циркуляцию воздуха внутри машины и усиление интенсивности теплообмена между

еезакрытыми частями и станиной.

Взакрытых электродвигателях большой мощности часто применяют независимую вентиляцию, при которой охлаждаю­

щий воздух продувается через машину вспомогательным венти­ лятором, приводимым во вращение отдельным электродвигате­

лем (IC17).

Электрические машины обычно предназначаются для эк­ сплуатации в одном или нескольких макроклиматических райо­ нах и в соответствии с ГОСТ 15150—69 и 15543—70 изготав­

Электрические машины исполнений У, УХЛ, Т, О предназна­ чены для эксплуатации на суше, реках и озерах, исполнения М, ОМ — на морских судах, плавучих буровых установках, морских стационарных платформах, исполнение В — на суше и на море для всех макроклиматических районов, в том числе двигатели исполнения У применяются для районов с умеренным климатом,

Кроме климатических условий важное значение имеет кате­ гория размещения электрических машин. Различают пять кате­ горий размещения, обозначаемых цифрами от 1 до 5:

Буквы и цифры, обозначающие климатическое исполнение и категорию изделия, вводятся в условное обозначение типа из­ делия, например 4АН200М6УЗ — двигатель асинхронный ( А ) четвертой серии (4) со степенью защиты IP23, станина и щиты чугунные, высота оси вращения (Н) 200 мм, длина станины средняя (М), число полюсов 6, климатическое исполнение У, категория размещения 3.

Эксплуатационные свойства двигателей определяются их энергетическими показателями, расходами на эксплуатацию и надежностью. Активную мощность Р ь потребляемую двигателем из сети, определяют по к. п. д. при данной нагрузке Р2

102

К. п. д. зависит от типа двигателей, их номинальной мощ­ ности, частоты вращения и нагрузки. Номинальный к. п. д. двигателей т)н составляет 82—98% и, как правило, растет с увеличением номинальной мощности двигателя, особенно при малых значениях номинальной мощности. При одинаковой но­ минальной мощности номинальный к. п. д. растет с увеличением номинальной частоты вращения, однако эта закономерность нарушается после частоты вращения 1500 об/мин.

Номинальный к. п. д. у синхронных двигателей на 1,5—3% выше, чем у асинхронных короткозамкнутых двигателей одина­ ковой мощности и частоты вращения. У асинхронных двигателей

сфазным ротором номинальный к. п. д. на 1—2,5% ниже, чем

уасинхронных короткозамкнутых двигателей.

Двигатели постоянного тока независимого возбуждения имеют номинальный к. п. д. на 2,5—3% ниже, чем асинхронные корот­ козамкнутые двигатели.

Таким образом, синхронные двигатели имеют самый высокий номинальный к. п. д.

Важным энергетическим показателем работы асинхронных двигателей является номинальный коэффициент мощности cos фи) определяющий потребление двигателем реактивной энер­ гии. У асинхронных двигателей coscp зависит от номинальной мощности, частоты вращения, конструкции ротора и т. д. С уве­ личением номинальной мощности двигателя его номинальный коэффициент мощности растет, особенно при малых номиналь­ ных мощностях. По мере роста мощности возрастание становит­ ся менее интенсивным, а при больших мощностях практически прекращается. Увеличение синхронной частоты вращения двига­ телей, приводящее к лучшему использованию материалов, также связано с увеличением номинального коэффициента мощности.

У двигателей с короткозамкнутым ротором вследствие ряда конструктивных особенностей коэффициент мощности выше, чем у двигателей с фазным ротором, однако эта разница становится незаметной, начиная с мощности примерно 100 кВт. У двига­ телей на напряжение питания 220, 380 и 660 В коэффициент мощности выше, чем у двигателей на 6 и 10 кВ.

Каждый из показателей т]„ и coscpH характеризует только одну сторону работы асинхронного двигателя. Для полной его оценки нужно рассматривать оба показателя одновременно. Очевидно, что при одинаковых значениях мощности, напряже­ ния и частоты вращения экономически более выгоден тот дви­ гатель, у которого произведение

а = -Пн cos фн

имеет наибольшее значение. Такой двигатель при одинаковой нагрузке будет потреблять наименьший ток из сети по сравне­ нию с другими двигателями.

103

Расходы на эксплуатацию двигателей можно определить, исходя из категории сложности ремонта, установленной систе­ мой планово-предупредительных ремонтов. Категории сложно­ сти ремонтов зависят от номинальной мощности и напряжения двигателей. Чем меньше категория сложности ремонтов, тем меньше расходы на эксплуатацию двигателей.

Самые низкие категории сложности ремонта у асинхронных короткозамкнутых двигателей, у асинхронных двигателей с фазным ротором они на 12—30% выше. У двигателей постоян­

35—85% выше, чем у асинхронных короткозамкнутых двигате­ лей, что объясняется наличием возбудителя.

Несмотря на простоту конструкции асинхронных короткозамкнутых двигателей, их надежность ниже, чем синхронных двигателей. Более высокую надежность синхронных двигателей можно объяснить наличием большого воздушного зазора. Пере­ численные преимущества синхронных двигателей способствуют их широкому внедрению на предприятиях нефтяной промышлен­ ности.

Недостатки синхронного двигателя — невозможность частых пусков, торможений и реверсов, а также наличие возбудителя. Тем не менее синхронным двигателям отдается предпочтение не только в приводе механизмов с продолжительной нагрузкой, но и при переменной ударной нагрузке.

3.10. Нагревание и охлаждение электродвигателей

Работа электродвигателя сопровождается потерей части энергии, которая превращается в теплоту. Мощность потерь

тем больше, чем большую мощность развивает двигатель на ва­ лу и чем ниже его к. п. д. Следовательно, с ростом нагрузки температура двигателя будет возрастать и может достигнуть опасных значений. При нагреве двигателя особое значение име­ ет нагрев обмоток, вернее нагрев изоляции. Известно, что перегрев обмоток свыше допустимой температуры на 8— 10 °С снижает срок службы некоторых видов изоляции в 2 раза. Интенсивное старение ее заключается в высыхании, растрески­ вании, потере эластичности и электроизоляционных свойств.

Электроизоляционные материалы по нагревостойкости делят на семь классов Y, А, Е, В, F, Н, С, каждый из них характе­ ризуется предельно допустимой температурой. Так, изоляция класса А (пропитанные волокнистые материалы) допускает температуру нагрева до 105°С, класса В (материалы на основе

104

слюды, асбеста, стекловолокна с пропиткой)— до 130 °С, а те же материалы с кремнийорганическими связующими пропитка­ ми— до 180°С (класс Н).

Указанные рабочие температуры установлены исходя из срока службы электродвигателей 15—20 лет при номинальной нагрузке. При нагрузке 1,25 номинальной срок службы сокра­ щается до 1,5 мес., а при нагрузке 1,5 номинальной двигатель выходит из строя уже через 3 ч.

Температура двигателя зависит не только от его нагрузки, но и от температуры окружающей среды. При расчетах ее при­ нимают равной 40 °С. Разность между температурами двигателя и охлаждающей среды называют превышением температуры или температурой перегрева и обозначают т. Например, для изоля­ ции класса А температура перегрева составляет 65°С.

При расчетах процесса нагревания и охлаждения электри­ ческую машину упрощенно рассматривают как однородное те­ ло, которое равномерно нагревается и обеспечивает теплоотда­ чу в окружающую среду всей поверхностью. Перед работой двигатель имеет температуру окружающей среды, поэтому вся выделенная в нем теплота в начале работы идет на повышение температуры двигателя, теплоемкость которого Св (Вт*с)/°С. Когда температура двигателя становится выше температуры среды, теплота передается в окружающую среду. В первый мо­ мент после подключения к источнику питания двигатель интен­ сивно нагревается, затем этот процесс замедляется. При посто­ янной нагрузке через некоторое время температура двигателя достигнет некоторого установившегося значения, при котором вся теплота, выделяющаяся в двигателе, отдается в окружаю­ щую среду. Наступает тепловое равновесие.

Уравнение теплового баланса при постоянной нагрузке имеет

Здесь dx — перегрев (в °С), соответствующий элементу времени

ство теплоты, затрачиваемой на нагрев двигателя, второе — ко­ личество теплоты, отдаваемой в окружающую среду.

При наступлении теплового равновесия повышение темпера­

Каждой нагрузке двигателя соответствует своя установив­ шаяся температура. Очевидно, двигатель можно нагружать только такой мощностью, при которой установившийся перегрев

105

температуры составляет от 3 до 5 значений постоянной времени. Причем Тохл в 2—3 раза больше постоянной времени ТПу так как в неподвижном двигателе с самовентиляцией условия охлаж­

отключения двигателя от сети его вентиляция не прекращается.

ляцией вследствие большой теплоотдачи постоянная времени составляет 0,6— 1,6 ч.

3.11. Номинальные режимы работы электродвигателей

При рассмотрении законов нагревания и охлаждения элект­ родвигателей предполагалось, что нагрузка двигателей продол­ жительное время постоянна, поэтому и неизменен установив­ шийся перегрев туст- В действительности же нагрузка двигателя может изменяться, кроме того, двигатель может отключаться на некоторое время.

Для правильного определения мощности двигателя рассчи­ тывают и строят нагрузочные диаграммы M(t), P(t) или I(t). По виду нагрузочной диаграммы определяют режим рабо­ ты двигателя ГОСТ 183—74 устанавливают восемь номинальных режимов работы двигателей в зависимости от характера и ре­ жима их работы. Рассмотрим наиболее часто встречающиеся режимы работы.

Продолжительным (S1) называют такой режим работы дви­ гателя, при котором интервал времени работы настолько велик, что температура двигателя при неизменной температуре окру­ жающей среды достигает своего установившегося значения, определяемого нагрузкой (рис. 3.19, а). В продолжительном режиме работают двигатели буровых и цементировочных насо­ сов, а также насосов поддержания пластового давления и маги­ стральных нефтепроводов.

Различают продолжительный режим с постоянной и перемен­ ной нагрузкой. В последнем случае время работы двигателя на отдельных участках нагрузочной диаграммы должно быть зна­ чительно меньше постоянной времени нагрева двигателя. При­ мером продолжительного режима работы с переменной нагруз­ кой может служить режим работы двигателя поршневого ком­ прессора. _

107

Рис. 3.19. Графики работы электроприводов и графики нагревания двигателя в различных режимах работы

Кратковременный режим (S2) характеризуется тем, что двигатель работает под нагрузкой ограниченное время tK, в течение которого температура не достигает установившегося значения. Паузы в работе настолько велики, что двигатель ус­ певает полностью охладиться. Нагрузочная диаграмма и кривая нагрева двигателя в кратковременном режиме показаны на рис. 3.19, б. В таком режиме работают приводы задвижек неф­ тепроводов, превенторов.

Мощность, которую двигатель может развить в течение определенного времени, не нагреваясь выше допустимых пре­ делов, называется номинальной кратковременной. В паспорте двигателя, предназначенного для кратковременной работы, указывают номинальную мощность Ряом (кВт), которую он мо­ жет развивать в течение времени tK. Стандартное время рабо­ чих интервалов времени 10, 30, 60 и 90 мин.

ПовторнО'Кратковременный режим (S3) характеризуется чередованием кратковременных периодов работы с кратковре­ менными паузами, причем в период нагрузки температура дви­ гателя не достигает установившегося значения, а в период пау­ зы (отключения) она не успевает опуститься до уровня темпе­ ратуры окружающей среды. Графики такого режима показаны на рнс. 3.19, в. Нагрев двигателя изменяется по пилообразной ломаной линии, состоящей из отрезков кривых нагревания и охлаждения. При многократном повторении циклов температу­ ра нагрева колеблется около некоторого среднего значения тСрПрн правильном выборе двигателя он может работать неограни­ ченное число циклов, не нагреваясь до температуры выше до­

ж

пустимой. В таком режиме работают приводы буровых лебедок и кранов.

Под относительной продолжительностью включения при повторно-кратковременном режиме работы понимают отношение времени рабочего периода ко времени одного цикла (в %):

tP+ tn

где tp— время работы; tn— продолжительность паузы. Продолжительность цикла Гц=^р + /П для повторно-кратко­

временного режима не должна превышать 10 мин. Значения ПВ стандартизированы и составляют 15, 25, 40 и 60%. Если время цикла превышает 10 мин, режим работы двигателя счита­ ется продолжительным.

Перемежающийся режим (S6) работы двигателя подобен

В таком режиме работают синхронные двигатели привода буро­ вых 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%. Продолжительность цикла не более 10 мин.

3.12. Выбор мощности электродвигателя

В ы б о р м о щ н о с т и д в и г а т е л я д л я п р о д о л ж и ­

лить двумя методами: средних потерь или эквивалентных вели­ чин.

Метод средних потерь целесообразно применять для двигате­ лей, условия вентиляции которых изменяются при изменении нагрузки. К ним относятся двигатели с регулированием частоты вращения, у которых вентилятор насажен на вал двигателя и охлаждение зависит от частоты вращения.

При переменной нагрузке изменяется и мощность потерь. Считают, что двигатель нагревается одинаково, если средняя мощность потерь АРср за время цикла при переменной нагрузке равна мощности потерь при постоянной номинальной нагрузке

109