Электрооборудование нефтяной и газовой промышленности

регрева двигателя при наличии теплоотдачи в окружающую среду достигнет 0,632 туст-

Постоянная времени нагрева двигателя существенно зави­ сит от формы исполнения и мощности. Так как теплоемкость двигателя растет пропорционально его массе или объему, т. е. третьей степени геометрических размеров, а теплоотдача про­ ходит через поверхность, возрастающую пропорционально второй степени геометрических размеров, двигатель большей мощности имеет большую постоянную времени Тн. Двигатели закрытого типа имеют большую величину Тп по сравнению с двигателями открытого типа, поскольку геометрические раз­ меры закрытых двигателей больше.

Для асинхронных двигателей малых мощностей открытого

тельной вентиляцией (продуваемых) вследствие большой теп­ лоотдачи постоянная времени составляет 0,6—1,6 ч.

Из уравнения (4.3) следует, что двигатель достигает уста­

новившейся температуры через бесконечно большое время. Од­

нако уже при/ = 47н т = 0,987Туст, а при t = 5Tn т= 0,993тустПо­

этому можно считать, что нагревание двигателя практически заканчивается при t= (4—5)Тп.

Если нагретый двигатель отключить от сети, выделение тепла в нем прекратится и начнется охлаждение, причем в этом случае туст= 0. Постоянная времени охлаждения Гохл в общем случае будет отличаться от постоянной времени нагревания Тп. Уравнение (4.3) для случая охлаждения примет вид

(4.5)

У продуваемых двигателей постоянная времени охлаждения равна постоянной времени нагрева, поскольку после отключе­ ния двигателя от сети вентиляция двигателя не прекращается. У двигателей с самовентиляцией Тохл=(1,5—3)Гп, поскольку после отключения двигателя от сети прекращается его вентиля­ ция и, следовательно, уменьшается теплоотдача А.

Если двигатель работал с некоторой нагрузкой Pi и потерей энергии ДРх и он достиг установившейся температуры пере­ грева Тнач, а затем нагрузка его и потери уменьшились до зна­

На рис. 4.2 показаны кривые нагревания и охлаждения дви­ гателя. Кривая 1 построена по уравнению (4.3), кривая 2 — по уравнению (4.4). Кривые 3 и 4 являются кривыми охлаждения двигателя, когда он отключен от сети; построены они по урав­

181

нению (4.5), причем в скобках указано значение тнач, - соответ­ ствующее уравнению (4.5). Кривая 3 построена при 7’0Хл>7’н. а кривая 4 — при Тохп= Тп. Кривая 5 построена по уравнению

ется его температурой нагревания, поскольку с увеличением

указано в табл. 4.1, сокращает срок службы изоляции; работа с более низким перегревом удлиняет его. Ориентировочно счи­ тают, что срок службы изоляции уменьшается вдвое при уве­

среды 40° С

Y50 Непропитанные хлопчатобумажные ткани, пряжа, бумага и волокнистые материалы из целлюлозы и шелка

А65 Те же материалы, но пропитанные-

Е80 Некоторые синтетические органические пленки

В90 Материалы из слюды, асбеста и стекловолокна, содержащие органические связывающие вещества

F115 Те же материалы в сочетании с синтетическими связующими и пропитывающими составами

Н140 Те же материалы в сочетании с кремнннорганическими связующими и пропитывающими веществами

§ 22. Н агрузочны е диаграм м ы и реж им ы работы электродвигателей

При рассмотрении законов нагревания и охлаждения дви­ гателей предполагалось, что нагрузка двигателя в течение про­ должительного времени остается постоянной, а следовательно, остается неизменным и туСт- В действительности нагрузка дви­ гателя в процессе его работы может изменяться. Кроме того, двигатель может эпизодически или периодически отключаться на некоторое время. ГОСТ 183—74 устанавливает восемь номи­ нальных режимов работы двигателей в зависимости от харак-

тера и длительности его работы. Рассмотрим наиболее часто встречающиеся режимы.

Продолжительным режимом (S1) работы двигателя счита­ ется такой режим, при котором период работы настолько ве­ лик, что температура двигателя при неизменной температуре окружающей среды достигает своего установившегося значе­ ния, определяемого нагрузкой (рис. 4.3, а). В продолжитель­ ном режиме работают приводные двигатели центробежных на­ сосов и нагнетателей, буровых насосов, станков-качалок и пр. При продолжительном режиме работы нагрузка двигателя мо­ жет быть либо неизменной, либо переменной. В последнем слу­ чае время работы двигателя на отдельных участках нагрузоч­ ной диаграммы должно быть значительно меньше постоянной времени нагревания двигателя.

Кратковременный режим (S2) характеризуется тем, что двигатель работает под нагрузкой ограниченное время tK, в те­ чение которого его температура не успевает достигнуть уста­ новившегося значения. Затем двигатель отключают и он оста-

183

навливается, причем за время отключения он успевает полно­ стью охладиться (рис. 4.3, б). В таком режиме работают при­ воды превентеров и задвижек. Мощность, которую двигатель может развить в течение определенного времени, не нагреваясь выше допустимых пределов, называется номинальной кратко­ временной. На щитке двигателя, предназначенного для кратко­ временной работы, указывается номинальная мощность Рв (кВт) в течение времени tK (мин). Стандартное время рабочих периодов 10, 30, 60 и 90 мин.

При повторно-кратковременном режиме (S3) время работы двигателя под нагрузкой tv чередуется с паузами tn, когда дви­

а во время пауз двигатель не успевает охладиться до темпера­ туры окружающей среды, что приводит к постепенному повы­ шению температуры до наступления баланса между количест­ вом выделенного тепла и количеством тепла, отдаваемого в ок­ ружающую среду, когда наибольшие температуры нагрева в конце каждого рабочего периода перестают расти. При пра­ вильном выборе двигателя он может работать неограниченное число циклов, не нагреваясь до температуры выше допустимой. В таком режиме работают приводы буровых лебедок, строи­ тельных кранов и некоторых металлорежущих станков.

Повторно-кратковременный режим работы характеризуется относительной продолжительностью включения, под которой понимается отношение времени рабочего периода к времени од­ ного цикла:

Двигатели, предназначенные для работы в повторно-крат­ ковременном режиме, изготовляются для ПВ, равном 15, 25, 40 и 60%. Если время цикла превышает 10 мин, режим работы

В таком режиме работают синхронные двигатели привода бу­ ровых 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%. Время цикла 10 мин.

184

§ 23. Выбор мощности двигателя

Если двигатель должен работать в продолжительном ре­ жиме с неизменной или мало меняющейся нагрузкой, его выби­ рают по каталогу двигателей общепромышленных серий, пред­ назначенных для продолжительного режима. Номинальная мощность двигателя должна быть равна или несколько больше мощности, требуемой для производственного механизма, кото­ рую можно определить по расчетным формулам или на основа­ нии опытных данных, полу­ ченных для аналогичных ме­ ханизмов.

Если двигатель должен ра­ ботать в продолжительном ре­ жиме с переменной нагрузкой (рис. 4.4), то за периоды боль­ ших нагрузок он будет нагре­ ваться, а за периоды малых нагрузок — охлаждаться. Таким образом, при работе с пе­ ременной нагрузкой темпера­ тура двигателя будет непре­ рывно изменяться. В этом случае двигатель можно вы­ брать по методу средних по­ терь. Этот метод основан на том предположении, что при равенстве номинальных АРн и

средних ДРСр потерь, определенных по фактической нагрузоч­ ной диаграмме, температура двигателя будет равна допусти­ мой, т. е.

При этом возможные кратковременные пики температуры, превышающие тДОш не изменяют существенно срока службы

изоляции двигателя.

Двигатель предварительно выбирают в соответствии с реко­ мендациями § 20 и строят его фактическую нагрузочную диа­ грамму. Затем заменяют ее ступенчатым графиком, полагая на каждой ступени нагрузку двигателя неизменной. Тогда номи­ нальные потери

где Ри и Лн— номинальные мощность и КПД двигателя.

185

Средние потери двигателя, работающего по графику (см. рис. 4.4), определяют по формуле

правильно. При значительном расхождении в величинах потерь выбирают другой двигатель (большей или меньшей мощности) и повторяют расчеты.

Метод средних потерь, хотя и является довольно точным, связан с необходимостью кропотливых расчетов потерь для каждого участка графика нагрузки, причем не всегда под ру­ кой имеются достаточно надежные исходные данные для этих расчетов. Поэтому на практике пользуются более простыми и удобными методами среднеквадратичных или эквивалентных величин: тока, момента и мощности. Метод эквивалентного тока основан на замене действительно протекающего в двига­ теле и изменяющегося по силе тока эквивалентным током /э, который за рабочий цикл вызывал бы в двигателе те же по­ тери, что и действительный ток.

Предварительно двигатель выбирают так же, как и при рас­ чете по методу средних потерь. Затем для каждого участка гра­ фика нагрузки по имеющимся рабочим характеристикам дви­ гателя находят токи; по формуле (4.13) вычисляют эквивалент­ ный ток двигателя и сопоставляют его с номинальным током

186

двигателя. Двигатель выбран правильно, если соблюдается ус­ ловие /э< / н. Метод эквивалентного тока может быть применен для любого электродвигателя.

В тех случаях, когда магнитный поток двигателя постоянен, как для большинства режимов работы двигателя постоянного тока параллельного и независимого возбуждения, ток двига­ теля оказывается пропорциональным моменту и формула экви­ валентного тока может быть заменена формулой эквивалент­ ного момента

(4.14)

Для асинхронных двигателей формула эквивалентного мо­ мента вносит некоторую погрешность, поскольку момент двига­ теля зависит не только от потока и тока, но и от коэффициента мощности. Однако с достаточной для практики точностью эта формула применима в том случае, когда асинхронный двига­ тель работает в зоне малых скольжений на естественной ха­ рактеристике или на прямолинейной части реостатных харак­

Область применения формулы эквивалентной мощности, как это следует из ее определения, весьма ограничена. Этой фор­ мулой можно пользоваться только в тех случаях, когда график нагрузки не содержит периодов пуска и торможения, а колеба­ ния момента статического сопротивления на валу двигателя не приводят к заметным изменениям частоты вращения (двига­ тели постоянного тока параллельного и независимого возбуж­ дения, а также асинхронные двигатели при работе на естест­ венной характеристике).

Когда выбирают двигатель с самовентиляцией, при умень­ шении его частоты вращения ухудшается отдача тепла во внешнюю среду. Это учитывается соответствующими коэффи­ циентами, которые ставятся перед периодами паузы, пуска и торможения в выражениях для определения эквивалентных ве­ личин. Во время паузы частота вращения двигателя равна нулю, и коэффициент, учитывающий ухудшение теплоотдачи, принимают приближенно равным 0,5. При пуске и торможении частота вращения двигателя изменяется. Соответственно коэф­ фициент, учитывающий ухудшение теплоотдачи, чаще всего

187

двигателя, то формула эквивалентного тока примет вид

Для кратковременного режима работы двигатель выбирают так, чтобы его максимальный момент Мтах превышал макси­ мальный момент статического сопротивления Мс, поскольку при кратковременном режиме обычно ограничения накладыва­ ются не нагреванием, а перегрузочной способностью двигателя.

Предварительно выбранный таким образом двигатель мо­ жет быть проверен на нагревание по формуле

(4.17)

где /п — номинальный ток предварительно выбранного двига­ теля; /к— ток кратковременного режима, определяемый по на­ грузочной диаграмме; tK— время работы двигателя в кратко­ временном режиме (берется по нагрузочной диаграмме); Ти — постоянная времени нагревания двигателя.

Значения постоянной времени нагревания двигателей ориен­ тировочно указаны в § 21.

Время tK— это время, в течение которого двигатель может работать с током /к, не перегреваясь сверх допустимого пре­ дела:

(4.18)

Идеализированный график нагрузки двигателя повторно­ кратковременного режима показан на рис. 4.3, в. Фактически график может быть многоступенчатым, поэтому его нужно при­ вести к эквивалентному одноступенчатому графику.

Если для указанного режима выбирают двигатель, рассчш тайный на повторно-кратковременный режим работы, то мно­ гоступенчатый график приводят к графику эквивалентного тока по формулам (4.13), (4.14) или (4.15) (моменту, мощности), соответствующему одноступенчатому графику, причем время паузы в расчете не учитывают.

Приведя нагрузку к одноступенчатому графику, подсчиты­ вают фактическую относительную продолжительность включе­

ния ПВф= -^- -100%. Если фактическая относительная продол-

Н

188

Глава 5

Аппаратура и схемыуправления электродвигателями

§ 24ч Аппаратура управления н защиты

Главными функциями аппаратуры управления и защиты яв­ ляются: включение и отключение электроприемников и элек­ трических цепей; электрическая защита их от перегрузки, ко­ ротких замыканий, от понижения напряжения или самопуска. При помощи аппаратов управления осуществляют регулирова­ ние частоты вращения, реверсирование и электрическое тормо­ жениедвигателей. ____ ’

В зависимости от того, какие из указанных функций выпол­ няет аппарат, определяются его название, конструкция и схема соединений. Аппарат может срабатывать при воздействии опе­ ратора или независимо от пего, Иод влиянием физических шронеесов в электрической цепи. Аппараты первого типа называ­ ются ручными, аппараты второго типа— автоматическими.

Как правило, аппаратура устанавливается в панелях управ­ ления, распределительных устройствах и пультах управления, заключенныхв шкафы.

Рубильники обычно применяются только в качестве ввод­ ных аппаратов, предназначенных для снятия напряжения с ус­ тановки в случае длительного перерыва в ее работе. Работай ток обычно выключают каким-либо другим аппаратом (кон­ тактором шш кошрошером). Рубильники могут иметь различ­ ное число полюсов (1, 2 шш IS), их изготовляют на напряжение до В и токда А. Рубильникустанавливают на отдель­ ном основании шш непосредственно на щите, для переднего шш заднего присоединения проводов. Рубильники могут билль с нейтральной рукштжой шпй рычажным приводом; в послед­ нем случае рубильник монтируют на задней стороне щита. Щт0т уменьшить вероятность прикосновения к токоведущим частям, рубильники обычно закрывают кожухом ш шоляшщвшншонагревостойкого материала..

Недостатком рубильников являются их большие пабаршты.. Шнасгояшда время для экономии места и уменьшения опасно­ сти! щряййшйэзойш к токоведушпдам частям применяют пакетные ж автоматически® ((автоматы) выключатели.. Пакетные шышшочшеши и Щ]5екшючатедщ служат для включения и опшпюченшя неяйй вдетоявдшго и переменного тока от Ш да НОША в сенях с нащряженнйм да Шй В.. Пакетные выключатели ((рис. &!))

1130)