книги из ГПНТБ / Блантер С.Г. Электрооборудование для нефтяной промышленности учебник
.pdfПродолжительным режимом работы двигателя считается |
такой |
||||||
режим, |
при |
котором |
п е р и о д |
р а б о т ы н а с т о л ь к о |
в е |
||
л и к , |
ч т о |
т е м п е р а т у р а |
д в и г а т е л я |
при неизменной |
|||
температуре окружающей среды |
д о с т и г а е т |
с в о е г о |
у с т а |
||||
н о в и в ш е г о с я |
з н а ч е н и я , о п р е д е л я е м о г о |
н а |
|||||
г р у з к о й |
(рис. 3.15, а). В продолжительном |
режиме |
работают |
||||
приводные двигатели центробежных насосов и нагнетателей, буровых насосов, станков-качалок и пр. При продолжительном режиме работы нагрузка двигателя может быть либо неизменной, либо переменной. В последнем случае время работы двигателя на отдельных участках нагрузочной диаграммы должно быть значительно меньше постоянной времени нагревания двигателя.
Рис. 3.15. Упрощенные графики работы электроприводов и соответствующие кривые нагрева двигателя при продол жительном (о), кратковременном (б) и повторно-кратко временном (в) режимах работы.
Кратковременный режим характеризуется тем, что двигатель работает под нагрузкой ограниченное время tK, в течение которого
его т е м п е р а т у р а |
не у с п е в а е т д о с т и г н у т ь у с |
т а н о в и в ш е г о с я |
з н а ч е н и я . Затем двигатель отключают |
и он останавливается, причем за время отключения он успевает пол ностью охладиться (рис. 3.15, б). В таком режиме работают приводы нревентеров и задвижек. Мощность, которую двигатель может раз вить в течение определенного времени, не нагреваясь выше допусти мых пределов, называется номинальной кратковременной. На щитке двигателя, предназначенного для кратковременной работы, указы вается номинальная мощность Рн (кВт) в течение времени tK (мин). Стандартное время рабочих периодов 10, 30, 60 и 90 мин.
Повторно-кратковременный режим работы двигателя характери зуется тем, что кратковременное время работы двигателя под нагруз кой tp чередуется с кратковременными паузами tn, когда двигатель отключается от сети (рис. 3.15, в). Общая продолжительность одного
цикла работы двигателя |
(tp + tn) не |
должна превышать |
10 мин. |
|
При этом режиме т е м п е р а т у р а |
д в и г а т е л я ни |
в |
о д |
|
н о м и з п е р и о д о в |
р а б о т ы п о д н а г р у з к о й |
н е |
||
д о с т и г а е т у с т а н о в и в ш е г о с я з н а ч е н и я , а в о в р е м я п а у з д в и г а т е л ь н е у с п е в а е т о х л а д и т ь с я д о т е м п е р а т у р ы о к р у ж а ю щ е й с р е д ы , что приводит к постепенному повышению температуры до наступле ния баланса между количеством выделенного тепла и отдаваемого в окружающую среду, когда наибольшие температуры нагрева в конце каждого рабочего периода перестают расти. При правильном выборе двигателя он может работать неограниченное число циклов, не нагре ваясь до температуры выше допустимой. В таком режиме работают приводы буровых лебедок, кранов и некоторых металлообрабаты вающих станков.
Повторно-кратковременный режим работы характеризуется отно сительной продолжительностью включения, под которой понимается отношение времени рабочего периода к времени одного цикла
Є |
*Р |
^2 |
Относительную продолжительность включения обозначают ПВ% и определяют как
ПВ = — ^ — -100%. N '
•Ї р - Г ' п
Двигатели, предназначенные для работы в повторно-кратковре менном режиме, изготовляются для ПВ 15, 25, 40 и 60%. Если время цикла превышает 10 мин, то режим работы двигателя обычно счи тается продолжительным.
Перемежающийся режим работы двигателя подобен повторнократковременному режиму, однако во время пауз двигатель не от ключается от сети, а продолжает вращаться вхолостую. В таком режиме работают синхронные двигатели привода буровых лебедок с электромагнитными муфтами.
Перемежающийся режим работы характеризуется относительной продолжительностью нагрузки (ПН%), которую вычисляют так же, как и относительную продолжительность включения. Номинальные значения ПН составляют 15, 25, 40 и 60%. Время цикла — 10 мин.
§ 28. ВЫБОР МОЩНОСТИ ДВИГАТЕЛЯ ПРИ РАЗНЫХ РЕЖИМАХ ЕГО РАБОТЫ
Если двигатель должен работать в продолжительном режиме с неизменной или маломеняющейся нагрузкой, его выбирают по ката логу на двигатели общепромышленных серий, рассчитанные для про должительного режима. Номинальная мощность двигателя по ката логу должна быть равна или несколько больше мощности, требуемой для производственного механизма, которую можно определить по
расчетным формулам или на основании опытных данных, полученных для аналогичных механизмов.
Если двигатель должен работать в продолжительном режиме с переменной нагрузкой (рис. 3.16), то за периоды больших нагрузок он будет нагреваться, а за периоды малых нагрузок — охлаждаться. Таким образом, при работе с переменной'нагрузкой температура дви гателя будет непрерывно изменяться. В этом случае двигатель можно выбрать по методу средних потерь. Этот метод основан на предполо жении, что при равенстве номинальных потерь двигателя АРН и сред
Л |
|
них |
потерь |
АРс р , определенных |
||||
In |
по фактической нагрузочной диа- |
|||||||
|
грамме, |
температура |
двигателя |
|||||
|
|
|||||||
|
|
будет |
равна |
допустимой, |
т. е. |
|||
|
|
|
|
А £ н |
АР, ср |
|
(3.67) |
|
|
|
т |
д о п |
— |
А |
|
|
|
|
|
При |
этом |
возможные |
кратко |
|||
|
|
временные пики температуры, пре |
||||||
|
|
вышающие тд о п , не изменяют суще |
||||||
|
|
ственно |
срока |
службы |
изоляции |
|||
|
|
двигателя. |
|
|
|
|
||
|
|
Двигатель |
предварительно вы |
|||||
Рис. 3.16. График |
нагрузки произ |
бирают в соответствии с |
|
рекомен |
||||
дациями |
§ 25 и строят |
|
его фак |
|||||
водственного |
механизма. |
|
||||||
|
|
тическую нагрузочную диаграмму. |
||||||
Затем заменяют ее ступенчатым графиком, полагая на каждой сту пени нагрузку двигателя неизменной.
Тогда номинальные потери
ДРН |
1 — П н |
(3.68) |
|
где Ри и Г|н — номинальные мощность и к. п. д. двигателя.
Средние потери двигателя, работающего по графику на рис. 3.16, определяются по формуле
АРср |
AP1t1 + AP2t2 |
+ . . |
.+APntn |
(3.69) |
|
*! + *•+• |
• . + tn |
||||
|
|
||||
где A P l 5 A P 2 , . . ., ДР„ — потери |
на |
соответствующих участках |
|||
нагрузочной диаграммы. |
|
|
|
|
|
Полученные средние потери сравниваются с номинальными поте рями двигателя и, если А Р с р ^ АРН , двигатель выбран правильно. При значительном расхождении в величинах потерь выбирают новый двигатель и расчеты повторяют.
Метод средних потерь, хотя и является довольно точным, связан с необходимостью проведения кропотливых расчетов потерь для каж дого участка, причем не всегда имеются под рукой достаточно надеж ные 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 двигателе и изменяющегося по вели чине тока эквивалентным током 1Э, который за рабочий цикл вызывал бы в двигателе те же потери, что и действительный ток.
Полагая, что переменные потери в двигателе пропорциональны квадрату тока, можно написать
|
|
|
ДР = ДРп 0 С т + с/2 . |
(3.70) |
Подставляя |
(3.70) в |
(3.69), получим |
|
|
д р |
\ />Т2 |
(АРпост |
ПОСТ |
'га |
Л Г П 0 С Т + С 7 Э - |
|
h + t 2 + . . . + tn |
(3.71) |
|
|
|
|
|
|
где / х , |
12, . . ., / „ — токи, соответствующие различным |
участкам |
||
графика |
нагрузки. После преобразований получим |
|
||
Предварительно двигатель выбирают так же, как и при расчете по методу средних потерь. Затем для каждого участка графика на грузки по имеющимся рабочим характеристикам двигателя находят токи; по формуле (3.72) вычисляют эквивалентный ток и сопоставляют его с номинальным током предварительно выбранного двигателя. Двигатель выбран правильно, если соблюдается условие 7Э ^ / н . М е т о д э к в и в а л е н т н о г о т о к а м о ж е т б ы т ь п р и м е н е н д л я л ю б о г о э л е к т р о д в и г а т е л я .
В тех случаях, когда магнитный поток двигателя постоянен, как это имеет место для большинства режимов работы двигателя постоян ного тока параллельного и независимого возбуждения, ток двига теля оказывается пропорциональным моменту и формула эквивалент ного тока может быть заменена формулой эквивалентного момента
М,э у M{t1+M*ti+. |
. .+M%tn |
^ 73^ |
Для асинхронных двигателей метод эквивалентного момента вносит некоторую погрешность, поскольку момент двигателя зависит не только от потока и тока, но также и от коэффициента мощности. Однако с достаточной для практики точностью этот метод применим тогда, когда асинхронный двигатель работает в зоне малых скольже ний на естественной характеристике или на прямолинейной части реостатных характеристик.
Для приводов с постоянной частотой вращения Р = а>М = сМ. Подстановка этого выражения в (3.73) дает
h + t a + . . . + t n |
• |
{ - ' |
Область применения метода эквивалентной мощности, как это следует из его определения, весьма ограниченна. Им можно пользо ваться только в тех случаях, когда график нагрузки не содержит периодов пуска и торможения, а колебания момента статического сопротивления на валу двигателя не приводят к заметным изменениям частоты вращения (двигатели постоянного тока параллельного и неза висимого возбуждения, а также асинхронные двигатели при работе на естественной характеристике).
В тех случаях, когда выбирается двигатель с самовентиляцией, при уменьшении его частоты вращения ухудшается отдача тепла во внешнюю среду. Это учитывается соответствующими коэффициен тами, которые ставятся перед временами паузы, пуска и торможения в выражениях для определения эквивалентных величин. 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 коэффициент, учитывающий ухудшение теплоотдачи, чаще всего принимается равным 0,75. Так, если при нять, что tt, t2, £s и tn — соответственно времена пуска, работы, тор можения и паузы двигателя, то формула эквивалентного тока при мет вид
Т — |
ЛГ |
Щ\Л-ЩгЛ-1%Н |
|
(Q пел |
1 а |
У 0 , 7 5 ^ + ^ + 0,75*3 + 0 , 5 ^ ' |
|
• ' ° > |
|
Д л я к р а т к о в р е м |
е н н о г о р е ж и м а |
работы двига |
||
тель выбирают так, чтобы его максимальный момент Мтах |
превышал |
|||
максимальный момент |
статического сопротивления |
Мс, |
поскольку |
|
при кратковременном режиме обычно ограничения накладываются не нагреванием, а перегрузочной способностью двигателя.
Предварительно выбранный таким образом двигатель может быть проверен на нагревание по формуле
|
|
|
'к |
|
|
h |
= h |
| / |
1 + 8 ' 2 |
, |
(3.76) |
|
|
|
1 - е |
н |
|
где 1а — номинальный |
ток |
предварительно |
выбранного |
двигателя; |
|
1К — ток кратковременного |
режима, |
определяемый по |
нагрузочной |
||
диаграмме; tK — время работы двигателя в кратковременном режиме (берется по нагрузочной диаграмме); Тн — постоянная времени нагре вания двигателя.
Значения постоянной времени нагревания двигателей ориентиро вочно указаны в § 26.
Время tK, в течение которого двигатель может работать с током 7К , не перегреваясь сверх допустимого предела:
/ 2 + / 2
^ к = 7 , н 1 п 7 |
^ - . |
(3.77) |
к |
н |
|
Упрощенный график нагрузки двигателя п о в т о р н о - к р а т к о в р е м е н н о г о р е ж и м а показан на рис. 3.15, в. Фактиче ски график может быть многоступенчатым, поэтому его нужно при вести к эквивалентному одноступенчатому графику.
Если для указанного режима выбирается двигатель, рассчитанный на повторно-кратковременный режим работы, то многоступенчатый график приводится к эквивалентному току (моменту, мощности), соответствующего одноступенчатому графику по формулам (3.72), (3.73) или (3.74), причем время паузы в расчете не учитывается.
Приведя нагрузку к одноступенчатому графику, подсчитывают фактическую относительную продолжительность включения ПВф =
= ^ 100%. Если фактическая относительная продолжительность
включения отличается от стандартной, двигатель выбирается с бли жайшей стандартной ПВН , причем ток (момент, мощность), определен ный при ПВф, пересчитывается на стандартную величину ПВН. Пе ресчет производится так, чтобы эквивалентный ток фактического режима 1ф был равен расчетному эквивалентному току / э н при но минальной величине ПВН
(3.78)
Номинальный ток / н выбранного двигателя данной ПВН должен быть равен или несколько больше тока 1Э н.
Если производственный механизм должен приводиться двигате лем, рассчитанным для продолжительного режима работы, то при определении эквивалентного тока надо учитывать также и время паузы, т. е. найти эквивалентный продолжительный ток по формуле (3.75) с учетом ухудшения условий охлаждения при пуске, торможе нии и паузе.
Двигатель п е р е м е ж а ю щ е г о с я р е ж и м а работы вы бирают так же, как и двигатель повторно-кратковременного режима. Если же для перемежающегося режима работы предполагается при менить двигатель, предназначенный для продолжительного режима работы, то следует определить эквивалентный продолжительный ток по формуле (3.72). Ухудшение условий охлаждения во время паузы не имеет места, поскольку двигатель продолжает вращаться.
Для успешного пуска двигателя необходимо, чтобы его пусковой момент превышал момент статического сопротивления на величину, позволяющую обеспечить заданное время пуска. Особенно важное значение это имеет для механизмов с большими маховыми массами и в тех случаях, когда момент статического сопротивления при пуске выше момента статического сопротивления установившегося ре жима.
Двигатель обычного исполнения, выбранный по условиям пуско вого режима, в установившемся режиме окажется недогруженным.
i0 Заказ 2166 |
145 |
Поэтому при выборе двигателя по условиям пуска применяют двига тели с повышенным пусковым моментом Мп по отношению к номи
нальному М„ (Мп/Мн |
1,8). |
Иногда для улучшения условий пуска применяют асинхронный двигатель с фазным ротором, в цепь ротора которого включается пусковой реостат. Это позволяет искусственно повысить пусковой момент двигателя.
При очень тяжелых условиях пуска применяют также пуск дви гателя вхолостую с последующим соединением его с механизмом спе циальной муфтой.
Контрольные вопросы к главе 3
1.Что такое электропривод? Приведите примеры групповых, индивидуальных и многодвигательных электроприводов механизмов нефтяной промышленности.
2.Дайте классификацию моментов статического сопротивления механизмов.
3.Как рассчитать продолжительность пусковых и тормозных режимов электропривода при постоянных моментах двигателя и ста тического сопротивления?
4. Что называется механической характеристикой двигателя и механизма? Приведите примеры электрических двигателей, име ющих жесткую и мягкую характеристики.
5. |
Каково условие |
статической |
устойчивости |
электропривода? |
6. |
Что называется |
естественной |
механической |
характеристикой |
-двигателя? Напишите уравнения механических характеристик дви гателя постоянного тока параллельного возбуждения и асинхронного двигателя.
7.Что такое скольжение асинхронного двигателя и в каких пре делах оно изменяется в двигательном, тормозном и генераторном режимах? Как зависит момент асинхронного двигателя от напряже ния сети?
8.Нарисуйте механическую характеристику синхронного двига теля. Как зависит максимальный момент синхронного двигателя от напряжения сети?
9.Назовите способы пуска двигателей постоянного и переменного тока и укажите их особенности.
10.Почему при пуске двигателя постоянного тока реостат в цепи обмотки возбуждения должен быть шунтирован?
11.Опишите схему асинхронного пуска синхронного двигателя.
12.Как происходит регулирование частоты вращения при по стоянном моменте и постоянной мощности?
13.Назовите методы регулирования частоты вращения двигателей переменного тока. Каковы преимущества и недостатки частотного регулирования?
14.Назовите модификации асинхронных двигателей, наиболее распространенные в нефтяной промышленности.
15.Каковы общие условия, которые необходимо выполнить при выборе двигателя?
16.Что такое нагрузочная диаграмма производственного меха
низма?
17.Что является причиной нагревания работающего электродви гателя? Каков физический смысл постоянной времени нагрева?
18.Назовите основные номинальные режимы работы электродви гателей согласно ГОСТ 183—66.
19.Изложите сущность метода средних потерь.
20.Что такое номинальная мощность двигателя и чем она опре деляется?
Глава 4
АППАРАТУРА И СХЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯМИ
§ 29 . А П П А Р А Т У Р А У П Р А В Л Е Н И Я И З А Щ И Т Ы
Главными функциями аппаратуры управления и защиты являются: включение и отключение электроприемников и электрических цепей, электрическая защита их от перегрузки, коротких замыканий, пони жения напряжения или самопуска. С помощью аппаратов управления регулируют частоту вращения, осуществляют реверсирование и элек трическое торможение двигателей.
В зависимости от того, какие из указанных функций выполняет аппарат, определяются его название, конструкция и схема соединений. Срабатывание аппарата может происходить при воздействии оператора
или независимо |
от него, п о д в л и я н и е м |
ф и з и ч е с к и х |
п р о ц е с с о в |
в э л е к т р и ч е с к о й ц е п |
и. Аппараты первого |
типа называются ручными, второго — автоматическими.
К ручной аппаратуре управления относятся командоаппараты, путевые и конечные выключатели, рубильники и переключатели, к автоматической аппаратуре управления — установочные автоматы, контакторы, магнитные пускатели, реле управления, электропнев матические вентили, магнитные усилители, электромагнитные муфты, сельсины, тахогенераторы и пр.
Как правило, аппаратуру устанавливают в панелях управления, распределительных устройствах и пультах управления, заключенных
вшкафы защищенного исполнения.
Ру б и л ь н и к и обычно применяют только в качестве вводных
аппаратов, предназначенных для снятия напряжения с установки в случае длительного перерыва в ее работе. Рабочий ток размыкают каким-либо другим аппаратом (контактором или контролером). Рубильники изготовляют на напряжение до 660 В и ток до 2500 А с различным числом полюсов (1, 2 или 3). Монтаж рубильника может быть выполнен на отдельном основании или непосредственно на щите, для переднего или заднего присоединения проводов. Рубильники могут иметь центральную рукоятку или рычажный привод; в послед нем случае рубильник монтируют на задней стороне щита. При мон-
таже ножи рубильников устанавливают вертикально, чтобы избе жать переброса электрической дуги на другие контакты. Провода от сети присоединяют к верхним контактным стойкам (губкам). Чтобы уменьшить вероятность прикосновения к токоведущим частям, рубильники обычно закрывают кожухом из изоляционного нагревостойкого материала.
Недостаток рубильников — их большие габаритные размеры, поэтому в настоящее время для экономии места и уменьшения опас ности применяют пакетные выклю чатели и установочные автоматы.
П а к е т н ы й |
|
в ы к л ю ч а |
|
|||||||||
т е л ь |
|
(переключатель) |
предста |
|
||||||||
вляет |
собой |
малогабаритный |
|
аппа |
|
|||||||
рат, собранный |
из |
неподвижных |
|
|||||||||
изоляционных |
колец |
|
(пакетов), |
|
||||||||
внутри которых помещается контакт |
|
|||||||||||
ная система, состоящая из непо |
|
|||||||||||
движных |
контактов, |
|
соединенных |
|
||||||||
с внешними контактными винтами, и |
|
|||||||||||
подвижных контактов |
(ножей), |
при |
|
|||||||||
водимых в движение валиком выклю |
|
|||||||||||
чателя. При повороте |
валика |
проис |
|
|||||||||
ходит |
замыкание |
или |
размыкание |
|
||||||||
цепей. |
|
Выключатели |
и |
переключа |
|
|||||||
тели |
снабжены |
механизмом |
для |
|
||||||||
мгновенного |
переключения, |
благо |
|
|||||||||
даря чему скорость размыкания цепи |
|
|||||||||||
не зависит от частоты вращения |
|
|||||||||||
валика |
|
(рукоятки). Общий вид трех- |
|
|||||||||
полюсного |
пакетного |
выключателя |
|
|||||||||
на 25 А |
показан на рис. 4.1. |
|
|
|
||||||||
Пакетные |
выключатели |
выполня |
|
|||||||||
ются на длительные |
токи |
от |
|
10 до |
|
|||||||
400 А и предназначаются для работы |
|
|||||||||||
в сетях |
с |
напряжением |
до |
660 В. |
Рис. 4.1. |
|||||||
Они могут иметь различные схемы |
||||||||||||
|
||||||||||||
соединений, |
|
что |
достигается |
соответствующим |
||||||||
новкой |
|
подвижных контактов. |
|
|
||||||||
Пакетный выключатель.
подбором и расста
Для автоматического отключения электрических цепей при ко ротких замыканиях или перегрузках служат п л а в к и е п р е д о х р а н и т е л и . Они содержат медную или цинковую пластинку — плавкую вставку, которая последовательно включена в защищаемую цепь и расплавляется, когда ток в цепи превосходит допустимый предел. Плавкая вставка расплавляется тем быстрее, чем больше ток.
По конструкции различают предохранители в открытых фарфоро вых трубках, разборные и насыпные (рис. 4.2). В первой разновид ности (рис. 4.2, а) плавкие вставки 1 помещены в фарфоровую трубку 2, открытую с обоих концов. В разборных предохранителях (рис. 4.2,6)