книги из ГПНТБ / Электрооборудование и автоматизация сельскохозяйственных агрегатов и установок учеб. пособие

Х„ = 1,8). Двигатель соединен непосредственно с вентилятором, ста­ тический момент которого при номинальной скорости пя = 960 об/мин составляет М а = 30,1 Н -м; маховой момент GDI = 0,29 кГм2.

Механическая характеристика вентилятора выражается уравнением

Л4С= 0 , Ш Н+ 0,9Л4Н( ^ * = 3,0 + 27,0

Произвольно выбрав масштабы п и М, строим механические харак­ теристики двигателя и вентилятора (рис. 101). Для построения харак­ теристики двигателя прежде всего следует использовать четыре точки,

Рис. 101. Расчет продолжительности времени разгона электропривода вентилятора.

известные из приведенных данных, а именно: точки синхронной и номинальной скорости вращения, пускового и максимального моментов:

Критическое скольжение определим по формуле (15-58):

Скорость враіцения, соответствующая максимальному моменту,

« К = п0 ( 1 - sK) = 1 000 ( 1 - 0,26) = 740 об/мин.

Промежуточные точки механической характеристики двигателя можно найти, используя упрощенное уравнение (15-56):

Нижний участок характеристики примерно до s « 0,5 (прерывис­ тая линия), рассчитанный по этой формуле, уточнен по известной вели­ чине пускового момента М п = 36,4 Н *м. Результаты расчетов механи­ ческой характеристики двигателя А051-6 приведены ниже:

Результаты расчета точек механической характеристики вентиля­ тора (производительностью 117 м3/мин):

Кривая изменения Мдин за время разгона также построена на рис. 101. Заменив эту кривую ступенчатой и разбив ее на четыре участка Ап, определим время на каждом участке

А'3= 3 7 Г Ж 5 = 0'064 С;

4.6850 _

Полное время разгона электропривода вентилятора

/П= Е (At) = 0,275 + 0,042 + 0,064 + 0,125 = 0,5 с.

Слева на чертеже (рис. 101) построена зависимость ta = / (п). Очевидно, что чем на большее количество участков будет разбита кривая п = / (Л4ДИН), тем точнее результаты расчета.

Продолжительность времени торможения может быть определена аналогичным построением.

16.3.ПОТЕРИ ЭНЕРГИИ ПРИ ПЕРЕХОДНЫХ РЕЖИМАХ

ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ

Переходный режим пуска происходит обычно при токах двигателя, превышающих номинальный режим, что приводит к дополнительному нагреву обмоток и увеличивает непроизводительный расход электро­ энергии. Если по условиям технологии необходимо производить

221

частые пуски и реверсы, то дополнительные потери энергии в обмотках при пусках могут вызвать недопустимый нагрев обмотки; чтобы не допустить порчи изоляции придется уменьшить частоту пусков и тем самым снизить производительность рабочей машины. Одновременно происходит нагрев пусковых сопротивлений и аппаратуры управления. Для принятия мер по снижению непроизводительной затраты энергии при пуске необходимо знать ее количественное распределение при этом режиме.

Рассмотрим случай пуска привода с двигателем постоянного тока

вращается двигателем в механическую и теряется на нагрев сопротив­ лений цепи якоря:

Р = 7// = РМ+ Р Э = £ / + /2Р,

где R = # я + Rm — полное сопротивление цепи якоря. Расход энергии за время пуска привода составляет:

йі

Момент, развиваемый двигателем с независимым возбуждением, пропорционален току:

М = с І , или / = — .

с

Уравнение движения электропривода при пуске с постоянным мо­ ментом двигателя без нагрузки можно записать в виде:

Подставляя значение тока (16-16) в выражение расхода энергии

Если двигатель разгоняется до скорости идеального холостого хода (о0, то э. д. с. будет равна напряжению:

222

Подставляя значение тока (16-16) и э. д. с. (16-17) в выражение механической энергии, получим:

Следовательно, энергия потерь в сопротивлениях цепи якоря будет равна:

A> = A - A u = J v > l - J ? ± = j

Таким образом, при пуске двигателя с независимым возбуждением вхолостую потребляемая из сети энергия равна удвоенному запасу кинетической энергии вращающегося якоря; при этом половина энергии сообщается якорю в виде кинетической энергии, а другая половина расходуется на нагревание сопротивлений цепи якоря, независимо от того, изменялась ли величина пусковых сопротивлений или она оставалась постоянной во время пуска.

Пуск двигателя постоянного тока с независимым возбуждением п о д н а г р у з к о й , когда на валу имеется постоянный статический момент, вызывает увеличение потребляемой из сети мощности на пре­ одоление статического момента. Потери энергии при пуске возрастают. При этом возрастают в равной мере механическая энергия и электри­

с моментом М с.

Таким образом, энергия, потребляемая из сети за время пуска электропривода с двигателем независимого возбуждения, при наличии

статического момента на валу больше энергии при пуске на холостом ходу.

Потери энергии при пуске электроприводов с двигателями посто­ янного тока последовательного и смешанного возбуждения также определяются запасом кинетической энергии во вращающихся массах, нагревом сопротивлений в якорной цепи и потерями в рабочей машине! Однако потери энергии в цепи якоря на холостом ходу из-за непосто­ янства магнитного потока не будут точно равны запасу кинетической энергии вращающихся масс, как в шунтовом двигателе.

223

вхолостую, без нагрузки, развиваемый двигателем момент равен дина­ мическому моменту

Электромагнитная мощность двигателя

Р8в= Лід0> = У(и0^ .

Мощность потерь в роторе пропорциональна скольжению, следо­ вательно, потери энергии в роторе за время пуска составляют:

A, = J a l - J (f = J ^ - .

Следовательно, потери энергии в сопротивлениях цепи ротора асинхронного двигателя за время пуска равны запасу кинетической энергии вращающегося ротора. Кроме того, при пуске асинхронного двигателя большие пусковые токи вызывают заметные потери в обмот­ ках статора. Общие потери за время пуска асинхронного двигателя составляют:

где гг — активное сопротивление фазы статора;

Ri — приведенное к виткам статора сопротивление линии ротора. Таким образом, потери энергии в двигателе за время пуска зависят в первую очередь от величины маховых масс, а также от конечной ско­

рости вращения (со0) и продолжительности времени пуска. Снизить потери при пуске можно путем уменьшения величины приведенного момента инерции привода, применяя ступенчатое повышение подво­ димого напряжения с целью постепенного увеличения скорости иде­ ального холостого хода (например, пуск в системе Г—Д). Для сокра­ щения продолжительности времени пуска необходимо увеличить момент двигателя.

При работе двигателей в качестве электрического тормоза также происходит дополнительный нагрев обмотки. В р е ж и м е э л е к ­

2 2 4

17. ВЫБОР ТИПА И ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОЩНОСТИ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ ДЛЯ ПРИВОДА РАБОЧЕЙ МАШИНЫ

17.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Электродвигатели приводов работают в двигательном и тормозном режимах, преобразуя электрическую энергию в механическую или, наоборот, механическую энергию в электрическую. Преобразование энергии из одного вида в другой сопровождается неизбежными поте­ рями, которые в конечном итоге превращаются в тепло. Часть тепла рассеивается в окружающую среду, а остальная часть вызывает пре­ вышение температуры самого двигателя над температурой окру­ жающей среды.

Материалы, применяемые для изготовления электродвигателей (сталь, медь, алюминий, изоляционные материалы), обладают раз­ личными физическими свойствами, которые изменяются от темпе­ ратуры. Изоляционные материалы наиболее чувствительны к нагреву и обладают наименьшей нагревостойкостью по сравнению с другими материалами, используемыми в двигателе. Поэтому надежность работы двигателя, его технико-экономические характеристики и номи­ нальная мощность определяются н а г р е в о м м а т е р и а л о в , применяемых для изоляции обмоток.

тикой установлено, что, например, хлопчатобумажная волокнистая изоляция, 'погруженная в минеральное масло при температуре около 90 °С, может надежно работать в течение 15—20 лет. В течение этого срока происходит постепенный износ изоляции, то есть ухудшаются ее механическая прочность, эластичность и другие свойства, необхо­ димые для нормальной работы. Повышение рабочей температуры всего на 8—10 °С сокращает время износа этого вида изоляции до 8—10 лет (примерно в 2 раза), а при рабочей температуре 150 °С износ наступает через 1,5 месяца. Работа при температуре около 200 °С приводит эту изоляцию в негодность через несколько часов.

Потери, вызывающие нагрев изоляции двигателя, зависят от нагрузки. Малая нагрузка увеличивает время износа изоляции, но приводит к недоиспользованию материалов и повышению стоимости двигателя. Наоборот, работа двигателя с большой нагрузкой резко сокращает его надежность и срок службы, и также может оказаться экономически нецелесообразной. Поэтому рабочую температуру изо­ ляции и нагрузку двигателя, то есть его номинальную мощность, выбирают из технико-экономических соображений с таким рас­ четом, чтобы время износа изоляции и срок службы двигателя в усло­ виях нормальной эксплуатации был примерно 15—20 лет.

Применение изоляционных материалов из неорганических веществ (асбеста, слюды, стекла и др.), обладающих более высокой нагрево­ стойкостью, позволяет снизить вес и габариты двигателей и увеличить мощность. Однако нагревостойкость изоляционных материалов опре-

226

деляется в первую очередь свойствами лаков, которыми пропитывают изоляцию. Пропиточные составы даже из кремнийорганических соеди­ нений (силиконов) обладают сравнительно невысокой нагревостой­ костью.

Изоляционные материалы, применяемые в электромашиностроении, разделяются по нагревостойкости на несколько классов. Для каждого класса стандартом установлена предельно допустимая (максимальная) рабочая температура:

на основе целлюлозы (бумага, картон, фибра, хлопчатобумажная пряжа), натурального шелка и полиамидных волокон, пропитанные масляными, масляно-смоляными лаками или погруженные в мине­ ральное масло. К этому классу относится изоляция эмаль-проводов на основе масляно-смоляных лаков.

Кл а с с Е образуют пластмассы на основе фенолформальдегидных смол с целлюлозным наполнением (текстолит, гетинакс и триацетатная пленка), а также изоляции эмаль-проводов на основе поливинилформалевых лаков.

Кл а с с В образуют изоляционные материалы на основе асбеста, слюды, стекловолокна в сочетании со связующими и пропитывающими органическими и масляно-битумными составами (миканиты, стекло­ текстолит, стеклоткань и др.).

К л а с с F включает в себя изоляционные материалы также на основе асбеста, слюды и стекловолокна, но с более нагревостойкими связующими и пропитывающими составами.

К к л а с с у Н относятся изоляционные материалы на основе асбеста, слюды и стекловолокна, в которых связующими и пропиты­ вающими составами служат кремнийорганические смолы. Сюда отно­ сится также кремнийорганическая резина.

П р а в и л ь н о в ы б р а н н ы й д в и г а т е л ь д л я п р и ­

ности. При выборе мощности двигателя исходят прежде всего из его нагрева, а точнее нагрева его изоляции. Мощность двигателя будет

рабочей температуры изоляции, недоиспользованию дорогостоящих материалов, к увеличению капитальных затрат и ухудшению энерге­ тических показателей.

Мощность двигателя будет недостаточной по отношению к требу­ емой, если рабочая температура его изоляции превышает предельно до­ пустимую, что может привести к неоправданным капитальным затратам на замену двигателя, в результате преждевременного износа изоляции.

Кроме предельно допустимого нагрева изоляции, важным условием выбора мощности двигателя для привода рабочей машины является

которые в силу большой инерционности тепловых процессов не вызы­ вают повышения температуры изоляции, но двигатель должен разви­ вать момент, способный преодолеть возникшую перегрузку. Возмож­ ные перегрузочные моменты привода обычно задаются, поэтому выбор двигателя по условию перегрузочной способности сводится к проверке:

где Л?с — максимально возможный момент рабочей машины;

обладают двигатели с последовательным возбуждением вследствие усиления магнитного потока последовательной обмоткой. Перегрузоч­ ная способность асинхронных двигателей ограничена величиной крити­ ческого момента (Як = 1,7—2,2).

17.2. НАГРЕВАНИЕ И ОХЛАЖДЕНИЕ ДВИГАТЕЛЯ

Источниками тепла в двигателе являются обмотки, по которым проходит ток, сталь магнитопровода и подшипники. Тепловая энергия в этих частях возникает в результате потерь.

Условия нагревания частей двигателя неодинаковы вследствие различного расположения их от источников тепла и разнородности материалов, из которых они выполнены. Поэтому при рассмотрении процессов нагрева двигатель следовало бы представлять как систему нескольких однородных тел, нагревающихся в результате взаимного теплообмена. Например, медная или алюминиевая обмотка в силу потерь, пропорциональных квадрату тока нагрузки, нагревается быстрее, чем сталь, масса которой больше, а потери меньше. В резуль­ тате между этими частями возникает перепад температур, вызывающий теплообмен. Если нагрузка двигателя не изменяется, то через некоторое время процессы теплообмена стабилизируются, и разность между температурами отдельных частей двигателя уменьшится.

С целью упрощения рассмотрения тепловых процессов в двигате­ лях нагревание реального двигателя заменяют с некоторыми допуще­ ниями нагревом однородного твердого тела, все точки которого имеют одинаковую температуру, а отдача тепла в окружающую среду проис­ ходит по всей поверхности равномерно.

Количество электрической энергии, которое превращается в тепло

228

Часть энергии, которая будет поглощаться телом и способствовать его перегреву, то есть превышению его температуры над температурой окружающей среды (воздуха), пропорциональна удельной теплоем­ кости и массе тела:

где с — удельная теплоемкость, то есть количество тепла, необхо­ димое для нагревания единицы массы данного тела на 1 °С, Дж/град;

G — масса тела, кг; Ат — перегрев, °С.

Смомента возникновения перегрева начинается отдача тепла телом

вокружающую среду за счет теплопроводности, конвекции и луче­ испускания. В реальных условиях для рабочих температур в пределах 90—120 °С тепло, отдаваемое двигателем в окружающую среду (воз: дух) всеми тремя видами теплоотдачи, характеризуют к о э ф ф и ц и ­

е н т о м т е п л о о т д а ч и k^. Физически этот коэффициент пред­ ставляет собой мощность, отдаваемую с единицы поверхности охлаж­ дения при разности температур между поверхностью и воздухом в 1 °С. Величина коэффициента теплоотдачи зависит от условий охлаж­ дения, в частности от вентиляции.

При естественной вентиляции двигателей (без обдува) величина kT, по опытным данным, составляет 6—15 Вт/м2 -град. Следовательно,

Таким образом, полагая промежуток времени нагрева малым

Впервый момент нагревания, пока перегрев dx — 0, выделяющаяся

втеле энергия идет на повышение его температуры. С момента возник­ новения перегрева начнется отдача тепла в окружающую среду и будет происходить тем интенсивнее, чем больше перегрев. Через некоторый промежуток времени перегрев достигнет такой величины (Ату), при которой вся выделяющаяся в теле энергия будет рассеиваться в окру­ жающую среду. Повышение температуры тела прекратится, а процесс нагрева будет установившимся. В связи с тем, что в установившемся режиме нагрева вся энергия потерь рассеивается телом в окружаю­ щую среду, уравнение теплового баланса будет иметь вид:

229