Электрические и магнитные цепи электрические цепи постоянного тока
 Скачать 3.06 Mb.
|
|
13.4. Номинальные режимы работы двигателей Процесс теплообмена зависит не только от величины нагрузки и тепловых параметров двигателя, но также и от характера нагрузки, те. от её распределения во времени. Характер нагрузки имеет столь существенное значение, что двигатели изготавливаются с расчётом на работу в определённых условиях. Стандартом предусмотрено восемь номинальных режимов работы S1 …S8, номы остановимся на первых трёх, т.к. остальные, по сути, являются развитием и уточнением режима S3 и до недавнего времени они не входили в нормативные документы. Продолжительный режим (S1) соответствует работе двигателя с постоянной нагрузкой const P = и мощностью потерь const P Δ = . При этом двигатель нагревается до установившейся температуры у . В таком режиме обычно работают приводы насосов, вентиляторов, компрессоры, бумагоделательные машины и др. При кратковременном режиме (S2) время работы р двигателя меньше н , поэтому он не успевает нагреться до установившейся температуры. Длительность паузы в работе при кратковременном режиме такова, что двигатель охлаждается до температуры окружающей среды. Этот режим характерен для приводов различных механизмов шлюзов, разводных мостов, серводвигателей бортовых систем и др. Повторно-кратковременный режим (S3) соответствует циклической работе двигателя, при которой за время работы р он не достигает установившейся температуры у , аза время паузы о – не охлаждается до температуры окружающей среды. Главной характеристикой повторно-кратковременного режима является продолжительность включения двигателя р р о ПВ% 100 t t t = + . (13.11) Номинальными продолжительностями включения являются 15%, 25%, 40% и 60%. Мощность, токи скорость вращения, указанные в справочных данных двигателей, рассчитанных на работу в повторно-кратковременном режиме, соответствуют определённой продолжительности включения. Типичными механизмами с повторно-кратковременным режимом работы являются краны, различные металло- и деревообрабатывающие станки и т.п. Вопросы для самопроверки 1. По какому признаку определяют режим работы двигателя 2. До какой температуры нагревается двигатель в длительном режиме работы 3. До какой температуры охлаждается двигатель в кратковременном режиме работы 4. До какой температуры нагревается и охлаждается двигатель в по- вторно-кратковременном режиме работы 5. Что такое продолжительность включения двигателя 6. Какие продолжительности включения установлены стандартом 13.5. Выбор мощности двигателей Выбор мощности двигателя для привода является важнейшей задачей, т.к. завышение мощности приводит не только к лишним затратам при его приобретении, но также к дополнительным эксплуатационным расходам, связанным с работой двигателя при низком КПД. С другой стороны, занижение мощности уменьшает производительность оборудования и может при- Рис. 13.5 вести к отказу двигателя в работе. Кроме того, даже небольшое занижение мощности приводит к повышению рабочей температуры, что существенно уменьшает надёжность привода и сокращает время наработки на отказ. Например, повышение рабочей температуры изоляции на 8 …10 С вызываете ускоренное старение и вдвое сокращает срок службы. При длительном режиме работы мощность двигателя д выбирают по мощности приводимого в движение механизма P из условия д . При этом мощность д должна быть ближайшей из серии двигателей данного типа. В случае длительного режима работы с переменной нагрузкой мощность двигателя рассчитывают методом средних потерь по нагрузочной диаграмме (риса. Для этого сначала по среднему значению мощности нагрузки 1 1 2 2 ср 1 2 n n n Pt P t P t P t t t + + + = + + + … … (13.12) выбирают двигатель д ср (1,1 Затем по справочным данным зависимости КПД двигателя от нагрузки ном / ) P P η (рис. 13.6, б) определяют потери в двигателе для каждого интервала работы с постоянной мощностью нагрузки ном η Δ = η (13.13) где k η – КПД двигателя нам интервале, и рассчитывают среднее значение потерь 1 1 2 2 ср 1 2 n n n Pt P t P t P t t t Δ + Δ + + Δ Δ = + + + … … (13.14) В случае существенного ухудшения теплоотдачи на всех или на некоторых интервалах это учитывается введением в (13.14) коэффициента k β 1 1 2 2 ср 1 1 2 2 n n n n Pt P t P t P t t t Δ + Δ + + Δ Δ = β + β + + β … … . (13.15) Коэффициент ухудшения теплоотдачи для самовентилируемых двигателей можно считать линейно зависящим от скорости вращения n, те. 0 ном) / k n n β = β + − β , где 0 β – коэффициент ухудшения теплоотдачи при неподвижном роторе. Рис. 13.6 Если ср ном Δ , то выбор сделан правильно. В противном случае выбирают следующий двигатель из серии и повторяют расчёт. Метод средних потерь точен, но трудоёмок. Его можно заменить при- ближёнными методами, если выполняются какие-либо дополнительные условия работы привода. Если потери встали, механические потери и сопротивления обмоток несущественно изменяются при изменении нагрузки, что эквивалентно условиям Фи, то средние потери будут пропорциональны квадрату тока, потребляемого двигателем. Тогда двигатель можно выбрать методом эквивалентного тока 2 2 2 1 1 2 э ном 2 n n n I t I t I t I I t t t + + + = ≤ + +В случае, если момент двигателя пропорционален току, например, в двигателе постоянного тока с магнитоэлектрическим возбуждением и нагрузка задана вращающим моментом, то выбор удобнее производить по эквивалентному моменту нагрузки 2 2 2 1 1 2 э ном 2 n n n M t M t M t M M t t t + + + = ≤ + +Методы эквивалентного тока и момента используются в основном для предварительного выбора двигателя. Для этой цели, если const n ≈ , можно использовать также метод эквивалентной мощности 2 2 2 1 1 2 э ном 2 n n n P t P t P t P P t t t + + + = ≤ + + + … … . (13.16) При кратковременном режиме работы двигатель в течение времени р работает с нагрузкой мощностью P (риса затем отключается и охлаждается до температуры окружающей среды. При выборе двигателя по условию донне успеет за время работы р достичь допустимого превышения температуры доп ном Δ (кривая 1 на рис. 13.7), те. двигатель будет недоиспользован по нагреву. Поэтому нужно выбрать двигатель меньшей мощности д так, чтобы за время работы он достиг допустимой температуры р н / р доп ) (1 ) / t T t P e A − θ = Δ − = θ (кривая 2 на рис. 13.7). Отсюда коэффициент тепловой перегрузки двигателя р н т / ном 1 1 1 t T P P e − Δ α = = > Δ − . (13.17) Рис. 13.7 Таким образом, коэффициент тепловой перегрузки определяется соотношением времени работы р и постоянной времени нагрева н T Из выражения (13.17) несложно найти время работы, в течение которого допускается перегрузка т р н т ln 1 t T α = α Двигатели, предназначенные для кратковременной работы, выпускаются с нормированным значением продолжительности работы р, 30, 60, мин. Следовательно, выбранный по каталогу двигатель может быть загружен номинальной мощностью в течение указанного времени и будет полностью использован по нагреву. При повторно-кратковременном режиме работы выбор мощности двигателя производится в соответствии с продолжительностью включения. Если продолжительность включения меньше минимального стандартного значения, то выбор двигателя производится также, как для кратковременного режима. В случае продолжительности включения больше, чем 60%, двигатель выбирают как для продолжительного режима работы. При соответствии нагрузочной диаграммы режиму S3 и стандартном значении продолжительности включения выбор двигателя производится просто по каталогу. На практике часто встречаются режимы работы, когда за время включения меняется мощность нагрузки (риса. Тогда нагрузочная диаграмма вначале приводится к стандартному виду S3. Для этого по выражению (13.16) подсчитывают эквивалентную мощность э , а также суммарное время вклю- чённого р и отключённого о состояний. Затем определяется расчётная продолжительность включения р р ро = Σ + Если двигатель самовентилируемый ив переходных режимах теплоотвод ухудшается, то продолжительность включения рассчитывают по уточ- нённой формуле Рис. 13.8 р п т р р п п т т 0 о t t t t t t t Σ + Σ + Σ ε = Σ + β Σ + β Σ + β Σ , где р п т Σ Σ – суммарное время работы, пусков и торможений за цикл п т 0 , , β β β – коэффициенты ухудшения охлаждения припуске, торможении и остановке. Пересчёт мощности на стандартное значение производится по формуле ст эр ст ε , где ст 0,25; 0,4; 0,6 ε = . Например, при р = значения мощности двигателя для ближайших стандартных продолжительностей включения будут равны э э 0,4 э э 0,25 1,1 ; 0,3/ 0,4 0,86 P P P P P P = = = = . По этим величинам по каталогу выбирают двигатель с ближайшим большим или равным значением мощности. Вопросы для самопроверки 1. Почему нельзя использовать в приводе двигатели с завышенной и заниженной мощностью 2. Как выбирается мощность двигателя при длительном режиме работы с постоянной нагрузкой 3. Как выбирается мощность двигателя при длительном режиме работы с переменной нагрузкой 4. Как учитывается ухудшение теплоотдачи при выборе мощности двигателя 5. Как выбирается мощность двигателя методом средних потерь 6. При каких условиях при выборе мощности двигателя можно пользоваться методами эквивалентного тока, момента и мощности 7. Как производится выбор мощности двигателя для кратковременного режима работы 8. Укажите стандартные значения продолжительности работы двигателей, используемых в кратковременном режиме. 9. Как учитываются условия охлаждения двигателя при выборе мощности для повторно-кратковременного режима работы 10. Как производится пересчёт мощности на стандартное значение продолжительности включения 13.6. Выбор типа двигателя При разработке приводов помимо мощности приходится решать задачу выбора типа и конструктивного исполнения двигателя. В случае необходимости длительной работы двигателя с постоянной нагрузкой и скоростью вращения выбор типа двигателя обычно не вызывает затруднений. Правилами устройства электроустановок (ПУЭ) рекомендуется в этих случаях использовать синхронные двигатели, т.к. они экономичнее в эксплуатации, чем асинхронные, и обладают лучшими массогабаритными показателями. Однако для приводов малой и средней мощности часто применяют асинхронные короткозамкнутые двигатели, т.к. они дешевле и проще в эксплуатации. Для приводов механизмов с частыми и тяжёлыми пусками или требующих регулирования скорости вращения применяют все типы двигателей, но двигатели постоянного тока допускается применять только в тех случаях, когда бесколлекторные двигатели не могут обеспечить требуемые технические параметры или неэкономичны. Это требование связано стем, что двигатели постоянного тока существенно дороже, менее надёжны и требуют обязательного ухода при эксплуатации. В то время как бесколлекторные двигатели свободны от этих недостатков, а в сочетании с полупроводниковыми преобразователями они позволяют получить практически те же или лучшие технические показатели. По конструкции двигатели условно делятся на двигатели открытого, за- щищённого и закрытого исполнения. Степень защиты двигателей обозначается в документации латинскими буквами IP и следующими за ними двумя цифрами. Первая цифра 0 … 6 обозначает степень защиты персонала от соприкосновения с движущимися или находящимися под напряжением частями двигателя, а также самого двигателя от попадания в него посторонних предметов. Нулевое значение обозначает отсутствие защиты. Увеличение значения соответствует увеличению степени защиты вплоть до цифры 6, означающей пыленепроницаемое исполнение. Вторая цифра 0 … 8 обозначает защиту двигателя от воздействия влаги и соответствует диапазону от полного отсутствия защиты (0) до способности двигателя длительно работать при погружении вводу. Двигатели с высокой степенью защиты, изготавливаются в защитных оболочках, исключающих попадание внутрь пыли и влаги. Для теплоотвода они снабжаются герметичными воздуховодами, присоединяемыми к системе вентиляции. Двигатели, работающие в закрытых помещениях с нормальной средой, могут иметь степень защиты от IP 00 до IP 20;. работающие на открытом воздухе должны иметь степень защиты не менее IP 44. В общем случае степень защиты двигателей, используемых в приводах различных установок, определяется соответствующей нормативно-технической документацией. Вопросы для самопроверки 1. Какими принципами следует руководствоваться при выборе типа двигателя 2. Как обозначается степень защиты двигателя 3. Что означает первая (вторая) цифра в обозначении степени защиты двигателя 259 14. Общие вопросы электроснабжения и электробезопасности Подавляющее большинство электрической энергии, используемой на производстве ив быту, производится промышленным способом, а затем распределяется по потребителям. При этом часто вопросы экономики вступают в противоречие с вопросами безопасности эксплуатации электроустановок и требуют от потребителя знания принципов и основных норм использования электроэнергии. 14.1. Общие вопросы электроснабжения 14.1.1. Электрические сети Системой электроснабжения называется совокупность электроустановок, предназначенных для обеспечения потребителей электрической энергией. Она включает в себя электрические станции, трансформаторы, воздушные и кабельные линии электропередачи и низковольтные электрические сети. Одна из типовых схем электроснабжения показана на рис. 14.1. Генератор электростанции G , приводимый в движение водой, паром или газовой турбиной, вырабатывает электроэнергию при напряжении 6 … 35 кВ. Трансформатор Т повышает напряжение до уровня 35 … 1150 кВ, при котором передача энергии по воздушной или кабельной линии (ЛЭП) экономически наиболее выгодна. Далее электроэнергия поступает на районные распределительные подстанции (РПС), которые с помощью специальных ЛЭП (на схеме не показаны) объединяются в единую энергосистему, управляемую из одного центрального пункта. От районной РПС энергия поступает на центральную распределительный пункт (ЦРП) крупного предприятия или группы мелких предприятий, где трансформаторами Т напряжение понижается до 6 … 10 кВ, а затем распределяется по цеховым распределительным пунктам (РП1, РП2, … ) и снова понижается (Т) до стандартного значения 380/220 В. На распределительных пунктах помимо трансформаторов устанавливаются разъединители Q и предохранители F . К шинам РП подключаются мощные потребители, например, двигатели M , а также шинные сборки ШС и распределительные шкафы РШ, питающие более мелких потребителей Рис. 14.1 и реализующие схемы резервного электроснабжения. Отдельные линии выделяются для питания осветительной сети. Правилами устройства электроустановок (ПУЭ) предусмотрено питание потребителей от сетей с глухозаземлённой и с изолированной нейтралью. Глухозаземлённой нейтралью называется нейтраль трансформатора или генератора, присоединённая непосредственно к заземляющему устройству, а изолированной нейтралью – нейтраль не присоединённая к заземляющему устройству. Для основной массы потребителей используются четырёхпроводные сети с глухозаземлённой нейтралью. Это позволяет потребителям использовать линейное и фазное напряжения, а также организовать эффективную защиту сети от перегрузок. Трёхпроводные сети с изолированной нейтралью применяются для питания установок с повышенной опасностью поражения людей электрическим током (шахты, судовые электрические сети, помещения с повышенной влажностью и т.п.). 14.1.2. Защита электрических сетей Защита электрических сетей от аварийных режимов является одной из главных задач проектирования и эксплуатации, т.к. выход из строя электрооборудования может привести к тяжёлым последствиям для людей и к значительным материальным потерям. К аварийным режимам в первую очередь относятся короткие замыкания. При замыкании ток вцепи ограничивается только малыми сопротивлениями проводов и может достигать значений, в десятки раз превосходящих нормальный ток нагрузки, а также допустимый ток проводников. В соответствии с ПУЭ электрические сети должны защищаться от одно, двух- и трёхфазных коротких замыканий и перегрузок. Динамические и термические нагрузки на проводники, возникающие при коротких замыканиях, могут вызывать их разрушение и вторичные эффекты в виде пожаров, взрывов и т.п. с ещё более тяжёлыми последствиями. Другим видом аварии, требующим контроля и защиты, является перегрузка сетей, те. работа притоках, превышающих расчётные значения. Это вызывает повышенное нагревание проводников, приводящее к ускоренному старению и/или разрушению изоляции, что, в свою очередь, может вызвать короткое замыкание. От перегрузки должны быть защищены все сети внутренних помещений, выполненные открыто проложенными изолированными проводами с горючей оболочкой, а также сети, к которым подключены осветительные и бытовые приборы. От перегрузки должны быть защищены также сети, относящиеся к первой категории электроснабжения, перерыв в электроснабжении которых может повлечь за собой тяжёлые последствия. В отличие от короткого замыкания, перегрузки не приводят к быстрому выходу из строя оборудования и при квалифицированном обслуживающем персонале могут быть своевременно устранены без тяжёлых последствий. Защита от коротких замыканий в электрических сетях должна обладать минимальным временем срабатывания и по возможности обеспечивать селективность отключения. Под селективностью понимают способность отключения аварийного участка в конце защищаемой линии. Это необходимо для сохранения энегоснабжения оборудования, подключённого к исправным шинам ближе к источнику питания. Согласно ПУЭ в сетях с глухозаземлённой нейтралью должна быть обеспечена защита от однофазных и многофазных замыканий, а в сетях с изолированной нейтралью – от двух- и трёхфазных замыканий. Для защиты от коротких замыканий применяются предохранители с плавкими вставками и автоматические выключатели. Оба вида устройств характеризуются временем срабатывания, номинальным током, который они выдерживают неограниченное время без отключения, а также времятоковой или защитной характеристикой Автоматические выключатели являются более совершенными устройствами, чем предохранители. Они могут отключать сразу три фазы защищаемого участка, имеют более точные защитные характеристики и исключают возможность применения некалиброванных элементов. Кроме того, сразу после срабатывания автоматические выключатели готовы к повторному подключению сети. Обычно автоматические выключатели имеют комбинированные расце- пители, размыкающие защищаемую цепь при различном характере перегрузки. На рис. 14.2 показаны защитные характеристики автоматических выключателей различных типов скомбинированным тепловыми электромагнитным расцепителем. Участок ab защитной характеристики соответствует работе теплового расцепителя, те. механизма размыкающего контакты выключателя за счёт нагревания металлической пластины протекающим электрическим током. Он срабатывает при длительном протекании тока небольшой кратности по отношению к номинальному и защищает электрическую цепь от перегрузки. Например, на рис. 14.2 показана защитная характеристика выключателя, в котором двукратный ток вызовет отключение цепи, если он будет протекать в течение 10 с. Рис. 14.2 262 Трёх- и более кратные токи, обычно возникающие при коротких замыканиях, вызывают срабатывание электромагнитного расцепителя, отключающего цепь почти мгновенно (участок cd характеристики. Действие электромагнитного расцепителя основано на втягивании ферромагнитного сердечника в магнитное поле катушки, в обмотке которой протекает ток защищаемой цепи. По настройке электромагнитного расцепителя автоматические выключатели делятся натри типа – B , C и D . Они срабатывают при различных крат- ностях тока, что позволяет исключить ложные срабатывания защиты при кратковременных перегрузках сети, связанных с переходными режимами различных установок. Тип B с нормальной защитной характеристикой, допускающей кратную перегрузку, используется в осветительных и бытовых сетях, в которых практически отсутствуют пусковые режимы оборудования. Выключатели типа C с более медленной характеристикой, соответствующей кратному току, используют в сетях, питающих, например, электроприводы с нормальными условиями пуска прямым включением в сеть. Защиту сетей, питающих установки с тяжёлыми условиями переходных режимов, например, сварочное оборудование или мощный электропривод, осуществляют выключателями со сверхмедленной характеристикой типа D , допускающей кратную перегрузку в течение приблизительно одной секунды. Ток срабатывания автоматического выключателя или плавкой вставки выбирают таким образом, чтобы он был возможно ближе к расчётному или номинальному току защищаемого участка сети, но при этом не происходило отключение при кратковременных перегрузках. 14.1.3. Потери энергии в электрических сетях и способы повышения экономических показателей Передача электрической энергии от источника к потребителям сопровождается потерями в электросетях, составляющими в среднем 5 … 7%. Величина потерь зависит от нагрузки, состояния и протяжённости сетей, режимов работы электрооборудования и проявляется в виде уменьшения напряжения питания у потребителей. Потери напряжения происходят в трансформаторе, питающем нагрузку, ив линии электропередачи. Потери в трансформаторе в процентах от номинального значения можно оценить как т р %cos %sin ) u u u Δ = β ϕ + ϕ , (14.1) где ном I β = – коэффициент нагрузки трансформатора ар – относительные значения активного и реактивного напряжения короткого замыкания в процентах cos ϕ – коэффициент мощности нагрузки. Аналогично оценивается потери напряжения в линии л ном 100 ( cos sin ) / u IL r x U Δ = ϕ + ϕ , (14.2) где I – действующее значение тока ном – номинальное значение напряжения удельные значения активного и реактивного сопротивления линии длиной Общие потери равны сумме потерь в трансформаторе ив линии т л % % % u u u Δ = Δ + Δ (14.3) Из выражений (14.1)-(14.3) следует, что уменьшить потери электроэнергии в данной сети можно увеличением КПД нагрузки, т.к. при этом уменьшается активная составляющая потребляемого ею тока, а также увеличением коэффициента мощности нагрузки, те. уменьшением реактивной составляющей потребляемого тока. Основными потребителя электроэнергии в промышленности являются асинхронные двигатели, обладающие хорошими энергетическими показателями при нагрузке близкой к номинальной. Однако при снижении нагрузки КПД и коэффициент мощности двигателя резко уменьшаются, что вызывает увеличение потерь в трансформаторе и линии передачи энергии. Поэтому необходимо обеспечить правильный выбор мощности двигателей ив случае работы привода с нагрузкой двигателя менее 70% номинальной мощности целесообразно произвести его замену. Наихудшими энергетическими показателями обладают асинхронные двигатели в режиме холостого хода. Поэтому в оборудовании, где двигатель по условиям технологического процесса длительное время работает вхолостую целесообразно отключать его от сети. По этой же причине при проектировании технологических процессов следует создавать непрерывные циклы, обеспечивающие постоянную полную загрузку оборудования. Эффективным средством повышения КПД технологического оборудования является также переход к регулируемым электроприводам вместо нерегулируемых. В этом случае, например, в приводах насосных агрегатов расход электроэнергии снижается примерно на 30%. Если выбором двигателей и приводов, а также организацией технологического процесса неуда тся поднять коэффициент мощности до требуемого уровня, то для компенсации потребляемой реактивной мощности устанавливают конденсаторные батареи или синхронные компенсаторы. Потери энергии в сетях являются серьёзной экономической проблемой, поэтому для крупных потребителей нормируется средневзвешенный коэффициент мощности оборудования, рассчитываемый по показаниям счётчиков активной аи реактивной р энергий р а W ϕ = , откуда c 2 c 1 cos 1 tg ϕ = + ϕ При работе потребителя с коэффициентом мощности, превышающим нормированное значение, производится скидка с тарифа оплаты электроэнергии, аза понижение c cos ϕ тариф повышают или применяют штрафные санкции. Таким образом, экономическими методами потребителей вынуждают к применению мер по повышению качественных показателей расходуемой электроэнергии. Вопросы для самопроверки 1. Что включает в себя система электроснабжения 2. Для чего повышают выходное напряжение генератора 3. Сколько ступеней используют при понижении напряжения 4. Что такое сеть с глухозаземлённой (изолированной) нейтралью 5. Где и почему используют сети с глухозаземлённой и с изолированной нейтралью 6. Какие виды защиты используют в электрических сетях 7. Какие требования предъявляются к устройствам защиты 8. Какие средства используют для защиты сетей от коротких замыканий. Что такое времятоковая характеристика 10. Отчего защищает цепь комбинированный автоматический выключатель. Чем отличаются друг от друга автоматические выключатели типов B , C и D ? 12. Как выбирают ток срабатывания средств защиты 13. В каких элементах электрической сети возникают потери энергии 14. Чем определяется величина потерь энергии в электрических сетях 15. Какой энергетический показатель нормируется для крупных потребителей энергии и почему 16. Перечислите меры, применяемые для повышения качества потребляемой электроэнергии. |