§ 10.2. РЕЖИМЫ НАГРУЗКИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН

В зависимости от характера изменения нагрузки электрические машины могут работать в различных номинальных режимах — продолжительном, кратковременном, повторно-кратковременном и перемежающемся.

Продолжительный режим. Продолжительным называют режим работы электрической машины, при котором она работает с неизменной нагрузкой и время работы настолько велико, что превышение температуры в над температурой окружающей среды достигает установившегося значения θ∞  (рис.   10.2, а).

Из (10.3) следует, что при заданных размерах охлаждающей поверхности Soxл и интенсивности охлаждения, определяемого коэффициента kто, электрическая машина может быть нагружена только до определенной мощности, при которой ее потери АР не превышают значения, соответствующего максимально допустимому превышению температуры θmax . Величина θmax определяется нагревостойкостью изоляции обмоток, применяемой в данной машине.

Рис.  10.2. Кривые изменения Р, ΔР и v при работе электрической машины в продолжительном и кратковременном режимах

Мощность Р, при которой θ∞ = θmax , называют номинальной мощностью продолжительного режима Р∞ . Она является основным параметром, характеризующим нагрузочную способность электрической машины при продолжительном режиме работы. Под величиной P∞ понимают ту наибольшую мощность, которую может отдать машина, непрерывно работающая в течение неограниченного времени (в двигателях — Pмех , в генераторах — Рэл), с нормально действующей вентиляцией при условии, что температура ее отдельных частей не превышает установленных значений, определяемых классом применяемой изоляции. Обычно при работе с мощностью Р∞ превышение температуры отдельных частей достигает установившегося значения через 3—6 ч для машин средней и большой мощности и через 10 — 30 мин для микромашин, после чего вся выделяющаяся теплота отдается окружающей среде. Для того чтобы превышение температуры электрической машины θ∞ при определенной нагрузке не превышало максимально допустимого значения θmax , машина должна иметь достаточные размеры охлаждающей поверхности Sохл . При заданной величине Sохл требуемую величину θ∞ ≤ θmax можно обеспечить, увеличивая коэффициент kто , т. е. повышая интенсивность охлаждения.

Кратковременный режим. При кратковременном режиме работа электрической машины с постоянной нагрузкой чередуется с ее отключениями (рис. 10.2, б). При этом периоды tкр нагрузки не настолько длительны, чтобы превышение температуры  машины  θ могло достигнуть установившегося  зна-

Рис.   10.3. Кривые нагревания электрической машины при работе ее с различными нагрузками и зависимость допустимого времени работы машины от степени перегрузки

чения θ∞ , а периоды отключения tп (паузы) достаточно велики, чтобы она успела охладиться до температуры окружающей среды θ0 . Для машин общего применения ГОСТ устанавливает следующие продолжительности рабочего Периода: 10, 30, 60 и 90 мин. Однако в условиях эксплуатации продолжительность рабочего периода tкp может быть различной.

При работе машины с перегрузкой, т. е. с мощностями Р2 и Р3, большими, чем Р1 = Р∞, величины θ∞2 и θ∞3 больше, чем θmax (рис. 10.3, а). Следовательно, продолжительная работа машины при таких мощностях недопустима, и время ее работы должно быть ограничено. Чем больше отдаваемая мощность Р (а следовательно, и потери ΔP), тем больше величина θ∞ и интенсивнее нарастает превышение температуры θ в процессе нагрева. Таким образом, чем больше нагрузка машины, тем меньшее время она может работать до момента достижения величины θmax . Например, при работе машины с мощностью Р3 > Р2 допустимое время ее работы t3 < t2 . И, наоборот, меньшее время работы машины соответствует большей мощности, которую она может развивать. Допустимую продолжительность кратковременного режима tкр, при которой превышение температуры θкр не возрастает свыше величины θmax , можно получить из формулы

Следовательно, при кратковременном режиме можно допустить значения θ∞ , в 1/( l - e- tкр/Т) раз больше, чем при длительном режиме работы. Во столько же раз могут быть увеличены и допустимые значения потерь мощности ΔР. Поэтому машины заданной мощности, рассчитанные для кратковременного режима, имеют значительно меньшие габаритные размеры и массу, чем машины, рассчитанные для длительной работы.

На рис. 10.3,б показана зависимость продолжительности работы электрической машины от степени ее перегрузки по потерям kп = ΔP/ΔP∞ . При кратковременных перегрузках длительностью 2 — 3 мин можно считать, что нагревание происходит без отдачи теплоты (адиабатически). При этом величина в нарастает по линейному закону

Повторно-кратковременный режим. В современной технике электрические машины часто работают в повторно-кратковременном режиме. При этом режиме (рис. 10.4, а) периоды работы машины под нагрузкой tp периодически чередуются с периодами отключения машины (паузами) tп , вследствие чего общее время работы машины разбивается на периодически повторяющиеся циклы продолжительностью tц = tp + tп . При этом за периоды tp нагрузки превышение температуры не достигает установившегося значения, а за периоды отключения машина не успевает охладиться до температуры окружающей среды. Согласно ГОСТу время цикла tц при работе машины в этом режиме не должно превышать 10 мин. Повторно-кратковременный режим характеризуется продолжительностью включения (%)

Стандартные значения ПВ составляют 15, 25, 40 и 60%.

При работе в повторно-кратковременном режиме кривая нагревания 3 приобретает пилообразный характер (рис. 10.4,б), так как периоды нагревания чередуются с периодами охлаждения. Во время рабочего периода tp величина θ возрастает по некоторой кривой, «параллельной» кривой нагревания машины 1; во время паузы tпона уменьшается по кривой, «параллельной» кривой охлаждения 2.

Рис 10;4. Кривые изменения Р, ΔР и θ при работе электрической машины в повторно-кратковременном режиме

При достижении установившегося режима превышение температуры составляет от θmax до θmin , причем величина θmax меньше превышения температуры θ∞ , которую имела бы машина при непрерывной работе с той же нагрузкой. Следовательно, при повторно-кратковременном режиме можно допустить большие нагрузки, чем при длительной непрерывной работе. Отношение потерь мощности в машине, работающей при повторно-кратковременном и продолжительном режимах, при которых достигаются одинаковые установившиеся превышения температуры,

где ΔPп-к и ΔPпрод — потери мощности при повторно-кратковременном и продолжительном режимах; Тн и Т — постоянные времени для неподвижной и работающей машины. На практике при определении мощности, которую может развивать электрическая машина при повторно-кратковременном режиме, часто исходят из эквивалентного тока: где Iр — действительный ток машины в рабочий период tp. Если машина рассчитана на работу при повторно-кратковременном режиме ПВ1, то при работе ее в режиме ПВ2 силу тока, определяющую развиваемую мощность Р, можно увеличить или уменьшить пропорционально:

Из формулы (10.16) следует, что при ПВ = 60% машина может развить мощность, приблизительно равную 1,3P∞ , при ПВ = 40% - мощность 1,6P∞ , при ПВ = 25 % - мощность 2P∞ ; при ПВ = 15% - мощность 2,6P∞, где P∞ - мощность при длительном режиме работы (при ПВ =100 %).

Перемежающийся режим. В этом режиме (рис. 10.5) кратковременные периоды работы под нагрузкой (рабочие периоды) чередуются с периодами холостого хода (паузами). Перемежающийся режим характеризуется относительной продолжительностью нагрузки (%)

где tp — время работы; t0 — время холостого хода.

Рис. 10.5. Кривые изменения Р, ΔP и θ при работе электрической машины в перемежающемся режиме

Стандартные значения ПН составляют 15, 25, 40 и 60%. Продолжительность цикла tц принимают равной 10 мин. Характер изменения θ и θ при этом режиме аналогичен характеру изменения тех же параметров при повторно-кратковременном режиме. За время tp и t0 температура машины θ и превышения температуры θ не достигают установившихся значений.

Дополнительные номинальные режимы. Кроме основных номинальных режимов работы в качестве дополнительных (рекомендуемых) ГОСТ устанавливает режимы работы, при которых нагрузка имеет циклический характер:

а) повторно-кратковременный с частыми пусками при ПВ, равной 15, 25, 40 и 60%;

б) повторно-кратковременный с частыми пусками и электрическим торможением при ПВ, равной 15, 25, 40 и 60%;

в) перемежающийся с частыми реверсами и электрическим торможением;

г) перемежающийся с двумя частотами вращения.

В дополнительных номинальных режимах устанавливается стандартное число включений в час — для режимов а) и б); число реверсов в час — для режима в) и число циклов в час — для режима г), равное 30, 60, 120 и 240 при коэффициентах инерции 1,2; 1,6; 1,0; 2,5 и 4 (отношение суммы приведенного к валу двигателя момента инерции приводимого механизма и момента инерции ротора к моменту инерции ротора).

Работа при переменной нагрузке. В эксплуатации электрических машин возможны режимы, несоответствующие нормативам ГОСТа. Наиболее типичным является режим с быстро Изменяющейся нагрузкой, аналогичный повторно-кратковременному, когда в течение цикла температура элементов машины существенно не изменяется.

Если электрическая машина работает в продолжительном режиме, но при переменной нагрузке, то в ней происходит неустановившийся тепловой процесс (рис. 10.6), так как в различные промежутки времени (t1, t2, t3 и др.) в ней возникают различные потери мощности. Форма получаемой при этом кривой нагревания для каждого промежутка времени определяется уравнением

Рис. 10.6. Кривые изменения мощности Р и величины θ при изменяющейся нагрузке

где θ∞п — установившееся превышение температуры, соответствующее потерям мощности ΔРп , возникающим при работе машины в данном промежутке времени tn ; θ0п — превышение температуры в конце предыдущего промежутка tn-1.

Чтобы определить, может ли электрическая машина выполнить заданный график нагрузки, обычно применяют метод эквивалентного тока. В основу его положено предположение о том, что переменные потери в машине ΔРпер ≈ ΔРэл пропорциональны квадрату тока нагрузки. При изменении нагрузки машины (рис. 10.6) ток I также изменяет свое значение. Суммарные потери энергии за время Σt работы

где ΔРпост = ΔРм + ΔРмех = const — сумма магнитных потерь в стали магнитопровода и механических (от трения) потерь.

Если бы машина работала с постоянной нагрузкой, эквивалентной по количеству выделенной теплоты (по результирующим потерям мощности) данному графику, то потери энергии ΔАпост = (ΔРпост + cI2экв ) Σt, где Iэкв — ток машины при постоянной нагрузке. Приравнивая ΔАпер величине ΔАпост, определяем

который нагревает электрическую машину так же, как при работе ее с изменяющейся нагрузкой. По величинам Iэкв и Uном можно определить номинальную мощность машины, необходимую для выполнения заданного графика нагрузки.

Метод эквивалентного тока можно применять только при условии постоянства магнитных и механических потерь. Если электрическая машина работает при изменяющихся значениях магнитного потока и частоты вращения (например, машины постоянного тока с последовательным возбуждением или машины постоянного и переменного тока при изменяющемся напряжении и частоте), то этот метод может давать значительные погрешности из-за изменения величины ΔРпост . В соответствии с заданным графиком нагрузки строят кривую нагревания электрической машины (рис. 10.6).