книги из ГПНТБ / Головин Ю.К. Судовые электрические приводы. Устройство и эксплуатация учебник

Выраженная графически, эта зависимость представлена на рис. 56 в виде экспоненциальной кривой 2. Экспоненты 3 и 1 асимптотически

приближаются к одному и тому же значению т у, достигая его через бесконечно большое время. В практических расчетах полагают, что температура перегрева электродвигателя достигает установившегося значения через время t = (3 4) Т п, при котором т = (0,95 -н 0,98) ту.

Из предыдущего видно, что величина постоянной времени нагре­ ва оказывает большое влияние на скорость процесса нагрева электро­ двигателя. Чем она больше, тем дольше нагревается электродвига­ тель до установившейся температуры. Рассмотрим эту постоянную под­ робнее. Ее физический смысл таков: время, за которое электродвигатель достиг бы

так как постоянная интегрирования в этом случае также равна нулю. Подставим в это выражение вместо х установившуюся температуру

Q

перегрева т у = -^:

С Q _ с _гг.

Q А ~~ А ~~ 1

Следовательно, время достижения установившейся температуры дей­ ствительно равно постоянной времени перегрева. В реальных усло­ виях при наличии теплоотдачи температура за это же время Т и по­ высится только до величины х = 0,63 т у [это получается при подста­ новке в уравнение (106) величины t = Т„].

Величина постоянной времени нагрева зависит от мощности элек­ тродвигателей, частоты вращения и их конструкции.

С увеличением мощности и габаритов двигателей, а также с пере­ ходом от открытого к закрытому исполнению значение Т а возрастает.

Охлаждение и нагрев являются составными частями одного про­ цесса — теплообмена между электродвигателем и окружающей средой. Поэтому закон изменения температуры перегрева электродвигателя при охлаждении таков же, как при нагреве, и выражается тем же урав­ нением (105), но при иных начальных и конечных данных. При охлаж­ дении остановленного электродвигателя Q = 0 и, следовательно,

100

Полученное выражение представляет собой уравнение охлаждения электродвигателя. В нем т0 соответствует температуре начального пе­

регрева. Ввиду того что у остановленного двигателя условия отвода тепла в окружающее пространство ухудшаются, теплоотдача при ох­ лаждении А0 будет меньше, чем при нагревании. Соответственно по­ стоянная времени охлаждения самовентилируемого двигателя Т0 =

Поэтому охлаждение электродвигателя происходит в два — четы­ ре раза дольше, чем нагрев. На рис. 57 представлен график зависимо­ сти (107), для сравнения пунктиром показана кривая нагрева.

§ 26. Классификация режимов работы электроприводов и основные положения выбора электродвигателей по мощности

Режимы работы различных судовых механизмов чрезвычайно разнообразны, поэтому и характер протекания тепло­ вых процессов не может оставаться неизменным для электродвигате­ лей различных приводов. В зависимости от продолжительности работы различают три основных режима электроприводов, охватывающие наиболее распространенные и характерные случаи: длительный, кратковременный и повторно-кратковременный.

Длительным называют режим, продолжительность которого на­

столько велика, что температура перегрева электродвигателя успе­ вает достигнуть' установившегося значения. Различают длительный режим с постоянной и переменной нагрузкой. В длительном режиме работают электроприводы судовых насосов, вентиляторов, вращаю­ щихся преобразователей, а также гребные электродвигатели.

Кратковременным называют циклический режим, продолжитель­

ность рабочих периодов которого настолько мала, что температураперегрева электродвигателя не успевает за время работы возрасти до установившегося значения, а продолжительность паузы между дву­ мя периодами работы настолько велика, что температура перегрева успевает снизиться до температуры окружающей среды. Во время ра­ бочего периода нагрузка может быть как постоянной, так и перемен­ ной. Стандартные продолжительности рабочего периода, согласно ГОСТу, установлены равными 10, 30, 60 и 90 мин. В кратковремен­ ном режиме работают электроприводы брашпилей, шпилей, шлюпоч­ ных и траповых лебедок.

Повторно-кратковременным называют циклический режим, про­

должительность рабочих периодов и пауз которого настолько мала,

101

ЧТО за время работы температура перегрева электродвигателя не успе­ вает возрасти до установившегося значения, а за время паузы она не успевает снизиться до температуры окружающей среды. Продол­ жительность цикла, состоящего из рабочего периода и паузы, не пре­ вышает при этом 10 мин. Если длительность цикла больше 10 мин, то такой режим работы рассматривают как длительный с переменной нагрузкой. Периоду работы при повторно-кратковременном режиме может соответствовать как постоянная, так и переменная нагрузка. В частности, цикл может состоять из нескольких рабочих участков с различной нагрузкой и нескольких разделяющих их пауз. Напряжен-

ность повторно-кратковременного режима оценивается величиной,

2 ^ 0 — сумма времен пауз на протяжении одного цикла;

Гц — время одного цикла.

ВСССР приняты стандартные продолжительности включения ПВ =

=15, 25, 40 и 60%. Чем больше продолжительность включения, тем напряженнее повторно-кратковременный режим. При ПВ > 60% ре­ жим работы рассматривают как длительный с переменной нагрузкой. В повторно-кратковременном режиме работают электроприводы су­ довых лебедок и кранов.

Зависимости Q = /у (/) и т = / (t) для указанных режимов пред­

ставлены на рис. 58. Условия нагрева электродвигателей в каждом из этих режимов отличаются. Поэтому для каждого из них существует особый метод выбора электродвигателей по мощности.

Выбрать электродвигатель по мощности — значит определить мощ­ ность, необходимую для привода данного механизма с учетом его на­ грузки и режима работы и найти в каталоге завода-изготовителя элек­ тродвигатель, мощность которого при работе в нужном режиме соот-

102

ветствует требуемой. Указанная в каталоге номинальная мощность электродвигателя— это мощность на его валу, развивая которую, он не перегревается сверх предельно допустимой для него температуры, обусловленной теплостойкостью изоляционных материалов. Если элек­ тродвигатель при работе нагреется до температуры, превышающей предельно допустимую, то его изоляция потеряет свои изоляционные свойства и электродвигатель выйдет из строя из-за замыканий между изолированными токоведущими частями. Для его восстановления по­ требуется замена обмоток.

Изоляционные материалы, применяемые для изоляции частей элек­ тродвигателей, разделяются по своей теплостойкости на семь классов (табл. 2). Для судовых электрических машин допускается применение изоляции всех классов, кроме У. Наиболее распространена хлопчато­ бумажная или шелковая, пропитанная изоляционными лаками, изоля­ ция класса А и изоляция класса В. В последние годы применяются и электродвигатели с изоляцией классов F и Н.

У90 Непропитанные волокнистые материалы из целлюлозы

А105 Пропитанные волокнистые материалы из целлюлозы

ишелка

Е120 Некоторые синтетические органические пленки

В130 Материалы на основе слюды, асбеста и стекловолокна,

Н180 Материалы на основе слюды, асбеста и стекловолокна,

применяемые в сочетании с кремнинорганическими связы­ вающими и пропитывающими составами, и кремнийорганпчеекпе эластимеры

ССпышс 180 Слюда, керамические материалы, стекло, кварц, при­

меняемые без связывающих составов или с неорганически­ ми пли органическими связывающими составами

В практике обычно нормируется не предельно допустимая темпе­ ратура электродвигателей, а предельно допустимые превышения тем­ ператур отдельных обмоток и частей электродвигателей над номиналь­ ной температурой окружающей среды. Для судовых электродвигате­ лей номинальной температурой окружающего воздуха принято счи­ тать +40° С. Для судов тропического плавания номинальную темпе­ ратуру воздуха в машинных и котельных помещениях принимают +50° С, а на открытых палубах----- f-45° С. В соответствии с этим для большинства судовых электродвигателей с изоляцией класса А пре­ дельно допустимое превышение температуры в наиболее нагретой,

103

чтобы найти электродвигатель, установившаяся температура перегре­ ва которого т у при работе в заданномрежиме и с заданной нагрузкой окажется не больше предельно допустимого для него превышения температуры над заданной температурой окружающей среды: тдоп : : ту ^ тдоп. Чем ближе значение т у и тдоп, тем лучше будет исполь­ зоваться электродвигатель по мощности, тем с более высоким коэф­ фициентом полезного действия он будет работать. Если т у = тдоп при номинальной температуре окружающей среды, то электродвигатель развивает номинальную мощность. Номинальная мощность электродви­

гателей, указываемая в каталогах заводов-изготовителей и на паспорт­ ных табличках электродвигателей, приведена к вполне определенной номинальной температуре окружающей среды. Если электродвига­ тель эксплуатируется при температуре окружающей среды, отличной от номинальной, то изменяется и его номинальная мощность. Чем вы­ ше температура, тем ниже мощность, и наоборот.

§ 27. Выбор электродвигателей по мощности при работе в длительном режиме

Двигатели, работающие в продолжительном режиме, могут иметь либо неизменную, либо циклически меняющую­ ся нагрузку. Наиболее просто выбирают электродвигатель по мощно­ сти при постоянной нагрузке.

В этом случае потребляемая механизмом мощность либо задается, либо определяется расчетным или экспериментальным путем. Мощ­ ность электродвигателя на валу Рдв находят из выражения

При работе электропривода в продолжительном режиме с перемен­ ной циклической нагрузкой мощность электродвигателя определяют методом эквивалентных или среднеквадратичных величин. Различают методы эквивалентного тока, момента и мощности. Суть этих методов состоит в том, что действительную переменную нагрузку, выраженную током, моментом или мощностью, заменяют в расчетах фиктивной по­ стоянно действующей нагрузкой, которая вызывает такой же нагрев электродвигателя, как и действительная переменная нагрузка. Эта фиктивная нагрузка называется эквивалентной или среднеквадратич­ ной. Для определения эквивалентного тока, момента или мощности

необходимо иметь нагрузочную диаграмму электропривода, которая

104

представляет собой зависимость тока, момента или мощности электро­ двигателя от времени: / = /(/), М = Д (t) или Р = f2 (t).

Предположим, что известна зависимость I — f (/), изображенная на рис. 59, а. Выбирать электродвигатель по мощности Р 2 соответству­

ющей наибольшему току / 2, было бы неправильно, так как на участках tlt i2 и других нагрузка меньше, электродвигатель при работе на

этих участках был бы недоиспользован по мощности и в целом нагревался бы до температуры меньшей, чем предельно допустимая. Исходя из предыдущего, электродвигатель нужно выбирать по мощно­ сти, соответствующей эквивалентному току / экв. Этот ток определяют

-М п

основываясь на том, что средние потери мощности при работе с пере менной нагрузкой должны быть равны потерям мощности при работе с эквивалентной нагрузкой:

Действительно, только при выполнении этого условия в электродви гателе выделится равное количество тепла за весь цикл как при работе с переменной нагрузкой, так и при работе с эквивалентной, и, сле­ довательно, в обоих случаях он нагреется до одинаковой температуры. Средние потери мощности за цикл

Подставим (111) в (110) и заменим потери мощностей суммой посто­ янных и переменных потерь:

АР1 пост 1 пер typAP2пер U + hP2пост ^2+‘ • • -f-APn пост tn+APn пер

Очевидно, что постоянные потери, не зависящие от нагрузки, одинако­ вы на любом участке нагрузочной диаграммы и равны постоянным

105

потерям при работе с эквивалентной нагрузкой. Обозначим эти потерн через ДРП0СТ. Тогда можно записать:

Переменные потерн пропорциональны квадрату тока нагрузки на каждом участке графика, а при эквивалентной нагрузке пропорцио­ нальны квадрату эквивалентного тока, причем сопротивление якоря электродвигателя постоянного тока одно и то же и равно R:

Подставив в уравнение (112) выражения (113) и (114), запишем его в таком виде:

Выполним следующие преобразования: сократим первый член ле­ вой части уравнения на tx -|- + ... + fn, отнимем от обеих частей уравнения АРП0СТ, разделим обе части уравнения на R. В результате

получим:

tx+ t2+ ...+ tn]

Пользоваться методом эквивалентного тока при выборе электро­ двигателя по мощности практически невозможно, так как пока не выбран электродвигатель, неизвестен его ток и нагрузочная диаграмма / = f (t). Поэтому обычно применяют метод эквивалентного момента.

Формула для определения эквивалентного момента аналогична фор­ муле (116):

Для определения значений моментов электродвигателя М х; М 2] ...; Мп нужна нагрузочная диаграмма М = f (t). Ее можно построить по

данным приводимого электродвигателем механизма, определив значе­ ния статических моментов на отдельных участках нагрузочной диа­ граммы по величине нагрузки на механизм. В данном случае определе­ ние эквивалентной величины не связано с параметрами электродвига­ теля. Это и составляет основную ценность метода эквивалентного мо­ мента. Однако он равноценен методу эквивалентного тока по точности только применительно к шунтовым электродвигателям, у которых при любых нагрузках момент прямо пропорционален силе тока. Этот метод можно считать достаточно точным и для асинхронных короткозамкну-

106

тых электродвигателей, если они работают при нагрузке, мало отли­ чающейся от номинальной, т. е. когда cos\|)2 « const. В остальных слу­

чаях метод эквивалентного момента служит лишь для предварительно­ го выбора электродвигателя по мощности. Определив М зкв, задаются средней частотой вращения электродвигателя п ср, находят соответ­

ствующую расчетную мощность Р расч = /Иэ1^_Пер и По этим данным

выбирают по каталогу электродвигатель продолжительного режима ра­ боты. Затем, зная параметры электродвигателя и зависимость / = / (М) для него, строят нагрузочную диаграмму I = f (/). После этого опре­

деляют эквивалентный ток / экВ и сравнивают его с номинальным то­

охлаждения самовентилируемого электродвигателя во время паузы значительно ухудшаются. Это обстоятельство учитывается в формулах эквивалентных величин введением перед временем соответствующего участка паузы в знаменателе подкоренного выражения коэффициен­ та р. Для электродвигателей постоянного тока принимают р = 0,5, для асинхронных электродвигателей р = 0,25. Когда продолжи­ тельность отдельных циклов, содержащих паузы, невелика и соизме­ рима со временем разгона и торможения электродвигателя, тогда нужно в нагрузочной диаграмме выделять участки разгона и тормо­ жения, потому что в этих условиях пусковые и тормозные токи ока­ зывают заметное влияние на нагрев электродвигателя (рис. 59, б). Во время неустановившегося процесса средняя скорость электродви­ гателя меньше, чем установившаяся скорость, поэтому условия ох­ лаждения электродвигателя при разгоне и торможении хуже. Это обстоятельство учитывают в формулах эквивалентных величин введе­ нием коэффициента а перед временами разгонов и торможений в зна­

менателе подкоренного выражения. Для электродвигателей постоян­ ного тока а = 0,75, а для асинхронных электродвигателей а = 0,5. Применительно к нагрузочной диаграмме, приведенной на рис. 59, б,

эквивалентный момент электродвигателя постоянного тока будет равен

§ 28. Выбор электродвигателей по мощности при работе в кратковременном режиме

При работе электродвигателя в кратковременном режиме температура перегрева не успевает достигнуть установивше­ гося значения. Следовательно, если применить для работы в этом ре­ жиме электродвигатель, номинальная длительная мощность которого равна кратковременной мощности, то он при кратковременной работе

107

не нагреется до предельно допустимой температуры и окажется недо­ использованным по нагреву. На рис. 60 представлена элементарная нагрузочная диаграмма электропривода, работающего в кратковре­ менном режиме. Если номинальная длительная мощность электро­ двигателя Р Н1 равна кратковременной мощности Р н, то он нагревается по кривой 1 и достигает в конце рабочего участка через время tv тем­

пературы перегрева тх. Она значительно меньше, чем установившаяся температура перегрева т у1, которая была бы достигнута, если бы электродвигатель работал длительно. Так как электродвигатель рабо­

к Р в2, чтобы эта температура оказалась предельно допустимой: т2 =

= тдоп. В этом случае электродвигатель будет использован по на­ греву полностью.

Таким образом, для кратковременной работы можно выбрать дви­ гатель меньшей мощности, чем при длительной, проверив его по пере­ грузочной способности. Перегрузочная способность электродвигателя характеризуется коэффициентом тепловой перегрузки, который показы­ вает, во сколько раз потери при выбранной предельно допустимой кратковременной мощности двигателя превышают потери, соответству­

где АРк — допустимые потери при работе в кратковременном режиме; АРп — допустимые потери при работе в длительном режиме.

Исходя из коэффициента тепловой перегрузки, с помощью формул, полученных в результате аналитических преобразований,

108

можно произвести пересчет мощности двигателя Р„, соответствующей длительной работе, на мощность при кратковременном режиме Р к с за­ данной продолжительностью рабочего периода tp.

Использование для кратковременной работы двигателей общепро­ мышленного назначения, изготовленных для работы в длительном ре­ жиме, нецелесообразно: для того чтобы двигатель работал с полной на­ грузкой, температура изоляции его токоведущих частей должна до­ стигать предельно допустимых значений. Но различные части двигате­ ля имеют разные по величине постоянные времени нагревания. В дви­ гателях постоянного тока якорь достигает установившейся температу­ ры позже, чем коллектор или обмотка возбуждения, так как имеется лучший контакт со стальным магнитопроводом и лучшие условия тепло­ отдачи от меди к стали и от стали в окружающую среду. Поэтому в крат­ ковременном режиме коллектор и обмотка возбуждения не будут ис­ пользованы полностью по условиям нагревания. В двигателях же пе­ ременного тока приходится равномерно недоиспользовать обмотки ротора и статора.

В силу указанных обстоятельств электродвигатели длительного режима используются для работы в кратковременном режиме в огра­ ниченных случаях. Для этого режима изготовляются специальные элек­ тродвигатели с повышенной перегрузочной способностью, примерно одинаковыми постоянными времени нагрева отдельных частей, соответ­ ственно подобранным оптимальным соотношением переменных и посто­ янных потерь при кратковременной нагрузке и т. д. В каталогах электродвигателей кратковременного режима указывается установлен­ ная заводом-изготовителем кратковременная мощность, определенная при одной из стандартных продолжительностей работы. При этом для одного и того же электродвигателя указывают различную кратковре­ менную мощность при разной продолжительности работы.

Выбор электродвигателя по мощности сводится к определению мощ­ ности Р к, которую он должен развивать кратковременно, и продолжи­ тельности рабочего периода tv. По этим данным в каталоге находят

§ 29. Выбор электродвигателей по мощности при работе

в повторно-кратковременном режиме

Выбор электродвигателя по мощности при работе в повторно-кратковременном режиме в принципе сходен с аналогичной задачей для кратковременного режима. Рассмотрим изображенную на рис. 61 нагрузочную диаграмму электропривода, работающего в повтор­ но-кратковременном режиме. Каждый цикл этого режима состоит

109