Электрооборудование нефтяной и газовой промышленности

Предусматриваются также исполнения для установки на морских судах.

К макроклиматическим районам с умеренным климатом от­ носятся районы, где средняя из ежегодных абсолютных мини­ мумов температура воздуха равна или выше —45° С. Изделия в исполнении У могут применяться в теплых и жарких зонах

СССР, где средняя из ежегодных абсолютных максимумов тем­ пература воздуха не выше +40°С и (или) сочетание темпера­ туры, равной или выше +20° С, и относительной влажности, равной или выше 80%, наблюдается более 12 ч в сутки за не­ прерывный период более двух месяцев в году.

К макроклиматическим районам с холодным климатом от­ носятся районы, в которых средняя из ежегодных абсолютных минимумов температура воздуха ниже —45° С.

Изделия в различных исполнениях в зависимости от места размещения при эксплуатации различают по категориям:

и категорию изделия, вводятся в условное обозначение типа изделия дополнительно, после всех обозначений, относящихся к модификации изделия. Например, электродвигатель АОП2- 51-6, предназначенный для привода станка-качалки в условиях Западной Сибири (исполнение ХЛ для категории размеще­ ния 1) обозначают АОП2-51-6 ХЛ1.

Для каждого исполнения и категории размещения государ­ ственный стандарт устанавливает верхнее и нижнее рабочие

ипредельные значения температур и относительную влажность.

Внастоящее время выпускаются асинхронные электродвига­ тели серии 4А с высотой оси вращения от 56 до 355 мм мощно­ стью от 0,12 до 400 кВт. По сравнению с электродвигателями серий А2, А02, АОЛ2 эти двигатели более совершенны, они

имеют следующие преимущества: масса снижена в среднем на 18%, меньшие габаритные размеры, меньшая высота осей вра­

171

щения и другие установочные размеры, значительная экономия активных материалов, увязка мощностей с установочными раз­ мерами, принятая странами—членами СЭВ для новых унифи­ цированных серий, большие пусковые моменты, меньший уро­ вень шума и вибраций, большее удобство при монтаже и экс­ плуатации, а также повышенная надежность.

Энергетические показатели двигателей серии 4А (КПД и коэффициент мощности) находятся на уровне показателей дви­ гателей, снимаемых с производства, или несколько выше. В двигателях указанной серии применены электротехническая сталь с меньшими удельными потерями и большей магнитной проницаемостью, новые нагревостойкие и высокопрочные изо­ ляционные материалы, более совершенная технология изготов­ ления, а также усовершенствованные системы вентиляции. Уменьшение высоты оси вращения и других установочных раз­ меров позволяет заказчику без каких-либо затруднений заме­ нять применяемые ранее двигатели двигателями серии 4А. Электродвигатели серии 4А имеют следующие исполнения.

1. Основное — трехфазные двигатели на частоту сети 50 Гц, предназначенные для общего применения в приводах, не предъ­ являющих особых требований в отношении пусковых характе­ ристик и скольжения.

2. Электрические модификации основного исполнения: с по­ вышенным скольжением, с повышенным пусковым моментом, десяти- и двенадцатиполюсные, многоскоростные, на частоту сети 60 Гц, однофазные двигатели с пусковым сопротивлением, однофазные двигатели с пусковым конденсатором, однофазные двигатели с рабочим конденсатором, однофазные двигатели с пусковым и рабочим конденсатором, с фазным ротором.

с встроенной температурной защитой, с повышенной точностью по установочным размерам.

4.Специализированные по условиям окружающей среды: влагоморозостойкие, химически стойкие, тропические.

5.Узкоспециализированные исполнения: для сельского хо­ зяйства, для судов речного и морского флота, для Крайнего Се­ вера.

Двигатели трехфазные асинхронные короткозамкнутые се­ рии 4А мощностью от 0,12 до 400 кВт климатического исполне­ ния У, категории 3 (ГОСТ 15150—69), предназначенные для продолжительного режима работы S1 (ГОСТ 183—74) от сети переменного тока частотой 50 Гц общего назначения выпуска­ ются по общим техническим условиям по ГОСТ 19523—74. Стандарт не распространяется на специальные двигатели, на­ пример на двигатели с повышенными пусковым моментом и скольжением, многоскоростные, химо-, влаго- и хладостойкие, встраиваемые и др.

172

Исполнение двигателей серии 4А общего назначения по сте­ пени защиты (ГОСТ 1794—72) и способу монтажа (ГОСТ 2479—65) зависит от высоты оси вращения. По степени защиты предусмотрены два исполнения:

закрытое обдуваемое (IP44)— внутрь электродвигателя не могут попасть посторонние тела диаметром 1 мм и более; вода, разбрызгиваемая из любого направления по отношению к дви­ гателю, не может оказать на него вредного воздействия;

защищенное (IP23) — внутрь электродвигателя не могут по­ пасть посторонние тела диаметром 12,5 мм или более; вода, па­

серии; А — вид двигателя (асинхронный); Н — степень защиты IP23 (для закрытых двигателей со степенью защиты IP44 обо­ значение не дается); А — алюминиевые станина и щиты (X — алюминиевая станина и чугунные щиты; если станина и щиты чугунные, обозначение не дается).

8(2, 4, 6) — число полюсов; У — климатическое исполнение дви­ гателей (умеренный); 3 — категории размещения (закрытыепо­ мещения) .

Коробки выводов двигателей серии 4А располагаются на верху машины, и их можно поворачивать с фиксацией положе­

Мощность Ри потребляемая двигателем из сети, определя­

Таким образом, значение КПД двигателя в значительной мере влияет на удельный расход электроэнергии на единицу продукции, выпускаемой предприятием. КПД зависит от типа двигателей, их номинальной мощности, частоты вращения и на­ грузки. Номинальный КПД двигателя г]п (КПД двигателя при его работе с номинальной нагрузкой) составляет 82—98% и,

173

как правило, растет с увеличением номинальной мощности дви­ гателя, причем возрастание идет достаточно быстро при малых значениях номинальной мощности и с ее увеличением умень­ шается.

При одинаковой номинальной мощности номинальный КПД растет с увеличением номинальной частоты вращения, однако эта закономерность нарушается после частоты 1500 об/мин.

КПД зависит также от изменения нагрузки, причем он ра­ вен нулю при неподвижном вале двигателя и холостом ходе. Максимальное значение КПД соответствует такой нагрузке, при которой постоянные и переменные потери энергии в дви­ гателе становятся равными между собой (о разделении потерь энергии на постоянные и переменные см. в гл. 4).

Номинальный КПД у синхронных двигателей на 1,5—3% выше, чем у асинхронных короткозамкнутых двигателей оди­ наковой мощности и частоты вращения. У асинхронных дви­ гателей с фазным ротором номинальный КПД на 1—2,5% ниже, чем у асинхронных короткозамкнутых двигателей. Двигатели постоянного тока независимого возбуждения имеют номиналь­ ный КПД на 2,5—3% ниже, чем асинхронные короткозамкну­ тые двигатели.

У двигателя закрытого исполнения КПД ниже, чем у дви­ гателя той же мощности при открытом исполнении. При холо­ стом ходе двигатель потребляет от .2 до 20% номинальной мощ­ ности (потери холостого хода), причем меньшие значения от­ носятся к крупным двигателям. Таким образом, синхронные двигатели имеют самый высокий номинальный КПД-

Важным энергетическим показателем работы асинхронных двигателей является коэффициент мощности cos фн, определяю­ щий потребление двигателем реактивной энергии. У асинхрон­ ных двигателей созфя зависит от номинальной мощности, ча­ стоты вращения, конструкции ротора и пр. С увеличением но­ минальной мощности двигателя его номинальный коэффициент мощности растет. Это возрастание, заметное при малых номи­ нальных мощностях, по мере роста мощности становится менее интенсивным, а при больших мощностях практически прекра­ щается. Увеличение синхронной частоты вращения двигателей, приводящее к лучшему использованию материалов, также свя­ зано с увеличением номинального коэффициента мощности.

У двигателей с короткозамкнутым ротором вследствие ряда конструктивных особенностей., коэффициент мощности выше, чем у двигателей е фазным ротором, однако эта разница стано­ вится незаметной, начиная с мощности примерно 100 кВт. У двигателей с напряжением питания 220, 3S0 и 500 В коэффи­ циент мощности выше, чем у двигателей на 6 и 10 кВ.

Каждый из показателей и с о з ^ характеризует только одну сторону работы асинхронного двигателя. Для полной его оценки требуется одновременное рассмотрение обоих иоказатге-

т

лей. Очевидно, что при одинаковых мощностях, напряжениях и частотах вращения экономически более выгоден тот двига­ тель, у которого произведение

имеет наибольшее значение. Такой двигатель будет потреблять наименьший ток из сети по сравнению с другими двигателями.

Как было отмечено ранее, коэффициент качества пуска у [см. формулу (3.48)] может характеризовать пусковые свойства асинхронных двигателей. Однако большое значение коэффици­ ента у может оказаться у двигателя с недостаточно высокими энергетическими показателями. Поэтому для одновременной оценки пусковых и номинальных показателей вводится поня­ тие о коэффициенте добротности двигателя:

Очевидно, из нескольких асинхронных двигателей, у кото­ рых равны мощности, напряжения и частоты вращения, наи­ лучшим будет тот, у которого показатель 6 имеет наибольшее значение.

Синхронные двигатели могут работать с cos qp = 1 и даже с опережающим током и поэтому имеют большое преимущество по сравнению с асинхронными. Это преимущество особенно за­ метно у тихоходных двигателей, когда значения их коэффици­ ентов мощности невелики.

Расходы на эксплуатацию двигателей могут быть опреде­ лены исходя из категории сложности ремонта, установленной системой планово-предупредительных ремонтов. Категории сложности ремонтов зависят от номинальной мощности и на­ пряжения двигателей. Чем ниже категории сложности ремон­ тов, тем меньше расходы на эксплуатацию двигателей.

Самые низкие категории сложности ремонта у асинхронных короткозамкнутых двигателей, у асинхронных двигателей с фаз­ ным ротором они на 12—30% выше. У двигателей постоянного тока категории сложности ремонта на 25—60% выше, чем у асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором. Кате­ гории ремонтной сложности синхронных двигателей на 35— 85% выше, чем у асинхронных короткозамкнутых двигателей, что объясняется наличием возбудителя.

Несмотря на исключительную простоту конструкции асин­ хронных короткозамкнутых двигателей, их надежность еще не­ достаточно высока. Она значительно ниже, чем у синхронных двигателей. Более высокая надежность синхронных двигателей может быть объяснена наличием большего, чем у асинхронных двигателей, воздушного зазора.

175

Глава 4

Выбор электродвигателей

§ 20. Общие положения

При выборе двигателя для производственного механизма необходимо учитывать следующие условия.

1. Мощность двигателя не должна быть слишком малой во избежание чрезмерного нагрева его обмоток и слишком боль­ шой во избежание неэкономичной эксплуатации: недогружен­ ные двигатели имеют пониженное значение КПД, а асинхрон­ ные двигатели, сверх того, и низкий коэффициент мощности.

2. Вращающий момент двигателя, с одной стороны, должен быть достаточным как для пуска производственного механизма в ход, так и для преодоления толчков нагрузки при его работе; с другой стороны, если требуется плавный пуск механизма, пус­ ковой момент двигателя не должен быть слишком большим.

3.Частота вращения двигателя должна быть такой, чтобы обеспечивалась проектная производительность производствен­ ного механизма, причем должна быть предусмотрена возмож­ ность регулирования частоты вращения, если это требуется по ходу технологического процесса.

4.Конструктивное исполнение двигателя должно допускать его удобное сочленение с производственным механизмом и за­ щиту от воздействия окружающей среды.

Иногда необходимость выбора мощности двигателя возни­ кает при замене установленного по проекту двигателя двигате­ лем другой мощности в связи с обнаружившейся перегрузкой. Двигатель может оказаться перегруженным, например, вследст­ вие повышения темпа работы или увеличения загрузки произ­ водственного механизма в результате совершенствования и ав­ томатизации технологического процесса.

Таким образом, при правильном выборе двигателя будут обеспечены необходимая производительность исполнительного механизма, хорошие энергетические показатели электропривода и надежная работа. При выборе двигателя исходят из его на­ грева при работе в требуемом режиме и кратковременной пе­ регрузочной способности. Есди номинальная мощность двига­ теля составляет Рн>это значит, что при продолжительной (дли­ тельной) нагрузке, равной Рн, и температуре окружающей среды 40° С двигатель нагреется до своей предельной темпера­ туры, определяемой классом изоляции обмоток двигателя. Обычно это происходит спустя несколько часов после начала работы.

177

Номинальная мощность двигателя — величина не постоян­ ная. Если двигатель работает с паузами, позволяющими ему охлаждаться, он может быть нагружен мощностью, превышаю­ щей мощность Ри продолжительного режима работы. Номи­ нальная мощность двигателя зависит также от температуры ок­

частоты вращения во времени (рис. 4.1, б), по которому вычис­ ляют ускорение и динамический момент электропривода.

Однако непосредственным решением уравнения (3.1) нельзя выбрать двигатель, поскольку в это уравнение входит момент инерции электропривода, зависящий от параметров выбранного двигателя. Поэтому предварительно выбирают мощность дви­ гателя на основании нагрузочной диаграммы производствен­ ного механизма без учета динамического момента.

178

мого двигателем, с учетом динамического момента. Предвари­ тельно выбранный двигатель проверяют по нагреву, допусти­ мым кратковременным перегрузкам и возможности пуска.

§ 21. Нагревание и охлаждение электродвигателей

Потери энергии в двигателе при преобразовании электриче­ ской энергии в механическую подразделяются на постоянные, практически не зависящие от нагрузки (потери в стали, венти­ ляционные и механические), и переменные, зависящие от на­

телю, и мощность на его валу; т] — КПД двигателя, зависящий

ной нагрузке; АРпер. н— переменные потери в двигателе при но­ минальной нагрузке; Р = Р/РН— нагрузка в долях от номиналь-

ДР пер. н

ным при номинальной нагрузке; величина k для асинхронных двигателей составляет 0,5—2.

Потери энергии выделяются в виде тепла и нагревают дви­ гатель. Как только температура двигателя превысит темпера­ туру окружающей среды, начнется отдача тепла; теплоотдача будет тем больше, чем больше разность температур поверхно­ сти двигателя и среды. В конце концов температура двигателя, постепенно повышаясь, достигнет такого значения, при кото­ ром количество тепла, отдаваемого двигателем в окружающую среду, сделается равным количеству тепла, получаемого им в результате потерь энергии. Тогда дальнейший рост темпера­ туры двигателя прекратится и наступит установившееся тепло­ вое состояние.

При изучении законов нагревания и охлаждения двигателя последний рассматривается как однородное тело с бесконечно большой теплопроводностью. Предполагается также, что тепло­ отдача в окружающую среду пропорциональна первой степени разности температур между нагретым двигателем и окружаю­ щей средой. В действительности двигатель состоит из различ­ ных и неравномерно распределенных масс меди, стали, изоля­ ции и воздушных промежутков, которые нагреваются по-раз­ ному, в зависимости от распределения источников нагрева и

179

системы охлаждения двигателя. Тем не менее; рассматривая двигатель как однородное тело, можно получить принципиаль­ ные решения посредством расчетов, отличающихся большой на­ глядностью и простотой.

Пусть двигатель продолжительно работает с некоторой по­ стоянной нагрузкой, характеризуемой потерями АР в единицу времени. Кроме того, примем, что в рассматриваемый момент времени температура перегрева двигателя равна тнач.

Тепло, выделяющееся в двигателе в бесконечно малый про­ межуток времени dt, расходуется на повышение температуры перегрева т двигателя на dx и на теплоотдачу в окружающую

где С — полная теплоемкость двигателя, т. е. количество тепла, необходимого для повышения температуры двигателя на 1°С; А — теплоотдача двигателя, т. е. количество тепла, отдаваемого в окружающую среду в единицу времени при разности темпе­

А

грева.

Как следует из уравнения (4.3), температура перегрева дви­ гателя изменяется по экспоненциальной кривой с показателем экспоненты 1/Гн.

Если в начальный период работы температура двигателя равнялась температуре окружающей среды, то тнач=0. В этом случае уравнение нагрева упрощается и получает вид

(4.4)

Постоянная времени нагрева характеризует скорость изме­ нения температуры двигателя. Физически она представляет со­ бой время, в течение которого температура перегрева двигателя

было отдачи тепла в окружающую среду. Вместе с тем Та чис­ ленно представляет время, в течение которого температура пе-

m