книги из ГПНТБ / Блантер С.Г. Электрооборудование для нефтяной промышленности учебник

Открытым двигателем называется двигатель, в конструкции кото­ рого не предусмотрено специальных защитных приспособлений. За­ щищенные двигатели разделяются на три категории: защищенные от случайных прикосновений к вращающимся и токоведущим частям и попадания посторонних предметов внутрь двигателя; защищенные от капель, падающих сверху; защищенные от брызг, падающих под углом 45° к вертикали. Закрытые двигатели делятся также на три

с корпусом, снабженным уплотнениями, препятствующими попада­ нию внутрь влаги при полном погружении двигателя в воду на 4 ч. Конструктивные исполнения взрывозащищенных двигателей и их применение рассмотрены в гл. 5.

В настоящее время заводы электротехнической промышленности выпускают асинхронные двигатели трехфазного тока единой серии А2 и А02. Единая серия имеет основное исполнение (электродвига­ тели общего применения с короткозамкнутым ротором и нормальными электрическими характеристиками) и модификации (электродвига­ тели с короткозамкнутым ротором и специальными характеристи­ ками, электродвигатели с фазным ротором и встроенные электродви­ гатели).

Из различных модификаций асинхронных двигателей единой серии в нефтяной промышленности чаще всего применяются электродвига­ тели с короткозамкнутым ротором с повышенным пусковым моментом (АП2 и АОП2), либо с повышенным скольжением (АС2 и А0С2) и электродвигатели с фазным ротором (АК и АК2).

Электродвигатели общего применения защищенного исполнения обозначаются буквой А, а закрытого обдуваемого исполнения — АО. У этих двигателей станина — литая чугунная. Если двигатели вы­ полнены в алюминиевой оболочке, их обозначают АЛ и АОЛ (цифра 2 обозначает новую единую серию).

При обозначении типов модификаций электродвигателей к буквен­ ному обозначению, принятому для двигателей общего применения, прибавляется:

для электродвигателей с повышенным пусковым моментом — буква П, например АОП2-52-4;

для электродвигателей с повышенным скольжением — буква С, например АС^-ТІ^в;

для электродвигателей с фазным ротором — буква К; например АК2-61-6.

В обозначении типа двигателя первая и вторая цифры после цифры 2 обозначают условно габарит (наружный диаметр сердечника ста­ тора) и длину сердечника, третья цифра — число полюсов.

С 1972 г. начат выпуск асинхронных двигателей единой серии 4А. Из модификаций асинхронных двигателей по способу монтажа в нефтяной промышленности распространены главным образом элек­ тродвигатели в исполнении Щ2 —• горизонтальные со щитовыми под­ шипниками и станиной на лапах.

Номинальный к. п. д. синхронных двигателей на 1,5—3% выше, чем у асинхронных короткозамкнутых двигателей одинаковой мощ­ ности и частоты вращения. У асинхронных двигателей с фазным рото­ ром номинальный к. п. д. на 1—2,5% ниже, чем у асинхронных корот­ козамкнутых двигателей. Двигатели постоянного тока независимого возбуждения имеют номинальный к. п. д. на 2,5—3% ниже, чем асинхронные короткозамкнутые двигатели.

У двигателя закрытого исполнения к. п. д. ниже, чем у двигателя той же мощности открытого исполнения. При холостом ходе двига­ тель потребляет от 2 до 20% номинальной мощности (потери холостого хода), причем меньшие значения относятся к крупным двигателям. Таким образом, синхронные двигатели имеют самый высокий номи­ нальный к. п. д.

Важным энергетическим показателем работы асинхронных двига­ телей является коэффициент мощности, определяющий потребление двигателем реактивной энергии.

Величина номинального коэффициента мощности cos фн асинхрон­ ных двигателей зависит от номинальной мощности, частоты вращения, конструкции ротора и пр. С увеличением номинальной мощности двигателя его номинальный коэффициент мощности растет. Это воз­ растание, заметное при малых номинальных мощностях, по мере роста мощности становится менее интенсивным, а при больших мощностях практически прекращается.

Увеличение синхронной частоты вращения двигателей, приводя­ щее к лучшему использованию материалов, также связано с увеличе­ нием номинального коэффициента мощности.

Двигатели с короткозамкнутым ротором благодаря некоторым конструктивным особенностям имеют коэффициент мощности выше, чем у двигателей с фазным ротором, однако эта разница становится незаметной примерно с мощности 100 кВт.

Двигатели с напряжением питания 220, 380 и 500 В имеют лучший коэффициент мощности, чем двигатели на 6 и 10 кВ.

Каждый из показателей т)и и cos фн характеризует только одну сторону работы асинхронного двигателя. Для полной оценки двига­ теля требуется одновременное рассмотрение обоих показателей. Очевидно, что при одинаковых мощностях, напряжения и частотах

Как было отмечено, пусковые свойства асинхронных двигателей могут быть оценены с помощью коэффициента качества пуска у, вычисляемого по формуле (3.47). Однако высокое значение коэффи­ циента у может оказаться у двигателя с недостаточно высокими энер­ гетическими показателями. Поэтому для одновременной оценки пус-

ковых и номинальных показателей вводится понятие о коэффициенте добротности двигателя, равном

Мп

м

Очевидно, из нескольких асинхронных двигателей равной мощ­ ности, равного напряжения и равной частоты вращения наилучшим будет тот, у которого показатель б имеет наибольшее значение.

Синхронные двигатели могут работать с cos ф = 1 и даже с опере­ жающим током, и поэтому имеют большое преимущество по сравнению с асинхронными. Это преимущество особенно велико при тихоход­ ных двигателях, когда коэффициент мощности асинхронных дви­ гателей имеет низкое значение.

Расходы на эксплуатацию двигателей могут быть определены ис­ ходя из категорий сложности ремонта, установленных системой планово-предупредительных ремонтов. Категории сложности ремон­ тов зависят от номинальной мощности и напряжения двигателей. Чем ниже категория сложности ремонтов, тем меньше расходы на экс­ плуатацию двигателей.

Самые низкие категории сложности ремонта у асинхронных короткозамкнутых двигателей; у асинхронных двигателей с фазным рото­ ром они на 12—30% выше. У двигателей постоянного тока категории сложности ремонта на 25—60% выше, чем у асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором. Категории ремонтной сложности синхронных двигателей на 35—85% выше, чем у асинхронных короткозамкнутых двигателей, что объясняется наличием возбудителя.

Несмотря на исключительную простоту конструкции асинхрон­ ных короткозамкнутых двигателей, их надежность еще недостаточно высока. Она значительно ниже, чем у синхронных двигателей. Повы­

Перечисленные преимущества синхронных двигателей, а также большая, чем у асинхронных двигателей устойчивость при пониже­ ниях напряжения сети вследствие того, что максимальный момент синхронного двигателя пропорционален первой степени напряжения (кроме того, при понижениях напряжения он может быть увеличен форсированием тока возбуждения), способствуют широкому внедре­ нию синхронных двигателей на предприятиях нефтяной промышлен­ ности.

Недостатки синхронного двигателя — невозможность частых пус­ ков, 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 пере­ менной ударной нагрузке.

§25. ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ВЫБОРА ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ

При выборе двигателя для производственного механизма необхо­ димо выполнить следующие условия.

1. Мощность двигателя не должна быть слишком малой, чтобы не нагревались чрезмерно его обмотки, и слишком большой во избежание неэкономичной эксплуатации: недогруженные двигатели имеют пониженное значение к. п. д., а асинхронные двигатели, сверх того, и низкий коэффициент мощности.

2.Вращающий момент двигателя должен быть достаточным как для пуска производственного механизма в ход, так и для преодоле­ ния толчков нагрузки при его работе; с другой стороны, если тре­ буется плавный пуск механизма, пусковой момент двигателя не дол­ жен быть слишком большим.

3.Частота вращения двигателя должна быть такой, чтобы обеспе­ чивалась проектная производительность производственного меха­ низма, причем должна быть предусмотрена возможность регулировавания частоты вращения, если это требуется по ходу технологиче­ ского процесса.

4.Конструктивное исполнение двигателя должно допускать удобное сочленение с производственным механизмом и надлежащую защиту от воздействия окружающей среды.

Иногда необходимость выбора мощности двигателя возникает при замене установленного по проекту двигателя двигателем другой мощности в связи с обнаружившейся перегрузкой. Двигатель может оказаться перегруженным, например, из-за повышения темпа работы или увеличения загрузки производственного механизма вследствие совершенствования и автоматизации технологического процесса.

Таким образом, при правильном выборе двигателя будут обеспе­ чены необходимая производительность исполнительного механизма, хорошие энергетические показатели электропривода и надежная работа. При выборе двигателя исходят из его нагрева при работе в требуемом режиме и кратковременной перегрузочной способности. В результате расчета определяют номинальную мощность двигателя. Если двигатель имеет номинальную мощность Рн, это значит, что при продолжительной (длительной) нагрузке, равной Рн, и темпера­ туре окружающей среды +40° С двигатель нагревается до своей пре­ дельной температуры, определяемой классом изоляции обмоток дви­ гателя. Обычно это происходит спустя несколько часов после начала работы.

Номинальная мощность двигателя — не какая-то постоянная и неизменная величина. Так, если двигатель работает с паузами, позволяющими ему охлаждаться, он может быть нагружен выше, чем мощностью Рп продолжительного режима работы. Номинальная мощность двигателя зависит также от температуры окружающей среды и от условий охлаждения двигателя.

При установлении номинальной мощности двигателя заводы-изго­ товители исходят из температуры окружающей среды -f-40° С. Если

она превышает +40° С, нагрузку двигателя необходимо уменьшить, а если меньше +40° С — можно несколько повысить. Номинальная мощность открытого двигателя примерно в 2 раза больше номиналь­ ной мощности двигателя закрытого с гладким корпусом вследствие плохих условий охлаждения последнего.

Во время установившегося режима работы двигатель развивает

Мощность двигателя выбирают по каталогу ориентировочно так, чтобы она была на 15—20% больше средней мощности, а затем строят нагрузочную диаграмму электропривода (рис. 3.16, в), т. е. зависи­ мость момента, развиваемого двигателем, с учетом динамического

§26. НАГРЕВАНИЕ И ОХЛАЖДЕНИЕ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ

на постоянные, практически не зависящие от нагрузки(потери в стали, вентиляционные и механические), и переменные, зависящие от на­ грузки (потери в меди обмоток).

Мощность, теряемая в двигателе, может быть определена по формуле

ДР = Рг~ Р = ( ± ~ L ) Р = ДРпост + AP n e p ~ (к + 6') ДРп е р . н , (3.61)

где Р1 и Р — соответственно мощность, подведенная к двигателю, и мощность на его валу; rj — к. п. д. двигателя, зависящий от на­

отношение постоянных потерь к переменным при номинальной на­ грузке; величина к для асинхронных двигателей составляет 0,5—2.

Потери энергии выделяются в виде тепла и нагревают двигатель. Как только температура двигателя превысит температуру окружа­ ющей среды, начнется отдача тепла в окружающую среду; теплоот­ дача будет тем больше, чем больше разность температур поверхности двигателя и среды. В конце концов температура двигателя, посте­ пенно повышаясь, достигнет такого значения, при котором коли­ чество тепла, отдаваемого двигателем в окружающую среду, сде­ лается равным количеству тепла, получаемого им в результате потерь энергии. Тогда дальнейший рост температуры двигателя прекратится и наступит установившееся тепловое состояние.

Для упрощения изучения законов нагревания и охлаждения двигателя последний рассматривается как однородное тело с беско­ нечно большой теплопроводностью. Предполагается также, что теп­

г а т е л е м и о к р у ж а ю щ е й с р е д о й . Э т а р а з н о с т ь

В действительности двигатель состоит из различных и неравно­ мерно распределенных масс меди, стали, изоляции и воздушных про­ межутков, различно нагревающихся в зависимости от распределения источников нагрева и системы охлаждения двигателя. Тем не менее, рассматривая двигатель как однородное тело, можно получить принципиальные решения посредством расчетов, отличающихся боль­ шой наглядностью и простотой.

Пусть двигатель продолжительно работает с некоторой постоян­ ной нагрузкой, характеризуемой потерями ДР в единицу времени. Кроме того, примем, что в рассматриваемый момент времени темпе­ ратура перегрева двигателя равна тн а ч .

Тепло, выделяющееся в двигателе в малый промежуток времени At, расходуется на повышение температуры перегрева т двигателя на Ат и на теплоотдачу в окружающую среду. Этот процесс выра­ жается уравнением

емая двигателем при t -> 00; Тн = -д — постоянная времени нагре­ вания; С — полная теплоемкость двигателя, т. е. количество тепла, необходимое для повышения температуры двигателя на 1° С; А — теплоотдача двигателя, т. е. количество тепла, отдаваемое в окружа­ ющую среду в единицу времени при разности температур 1° С; т — температура перегрева двигателя над температурой окружающей среды.

Как следует из (3.62), изменение температуры перегрева двига­ теля происходит по экспоненциальной кривой с показателем экспо­ ненты І/Тн.

Если в начальный период работы температура двигателя равня­ лась температуре окружающей среды, то тн а ч = 0. В этом случае уравнение нагрева упрощается и получает вид

(3.63)

Постоянная времени нагрева характеризует скорость изменения температуры двигателя. Физически она представляет собой то время, в течение которого температура перегрева двигателя достигла бы

установившегося значения т у с т == ^ , если бы не было отдачи тепла

вокружающую среду. Вместе с тем Тн численно представляет то время,

втечение которого температура перегрева двигателя при наличии теплоотдачи в окружающую среду достигнет 0,632ту С т .

Постоянная времени нагрева двигателя существенно зависит от его формы исполнения и мощности. Так как теплоемкость двигателя растет пропорционально его массе или объему, т. е. третьей степени геометрических размеров, а теплоотдача происходит через поверх­ ность, возрастающую пропорционально второй степени геометриче­ ских размеров, то двигатель большей мощности имеет большую по­ стоянную времени Тл. Двигатели закрытого типа имеют большую ве­ личину Тн по сравнению с двигателями открытого типа той же мощ­ ности, так как геометрические размеры закрытых двигателей больше.

Для асинхронных двигателей малых мощностей открытого типа Ти = 15 —^- 30 мин; для двигателей закрытого типа Тн = 2 - j - 5 ч в зависимости от мощности. В двигателях с принудительной вентиля­ цией (в продуваемых) вследствие большого значения теплоотдачи постоянная времени составляет 0,6—1,6 ч.

Из уравнения (3.62) следует, что температура двигателя достигает установившейся через бесконечно большое время. Однако уже при

У продуваемых двигателей постоянная времени охлаждения равна постоянной времени нагрева, поскольку после отключения двигателя

На рис. 3.14 показаны кривые нагревания и охлаждения двига­ теля. Кривая 1 построена по уравнению (3.62), кривая 2 — по урав­ нению (3.63). Кривые 3 и 4 являются кривыми охлаждения двигателя, когда он отключен от сети, и построены они по уравнению (3.64), причем в скобках указано значение тн а ч , соответствующее уравнению

Из изложенного выше следует, что допустимая нагрузка двига­ теля определяется его температурой нагревания, поскольку с уве­ личением нагрузки двигателя возрастают потери в нем и значение

т у с т . У п р а в и л ь н о в ы б р а н н о г о д в и г а т е л я у с т а ­ н о в и в ш а я с я т е м п е р а т у р а п е р е г р е в а не д о л ­

ж н а п р е в ы ш а т ь д о п у с т и м о й т е м п е р а т у р ы п е ­

ре г р е в а и з о л я ц и и .

Втабл. 3.1 приведены классы нагревостойкости по ГОСТ 8865—58 и характеристика изоляционных материалов, применяемых в элек­ тромашиностроении.