Электрические машины

9.7. 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. Продолжительный режим работы электрической машины (рис. 9.25, а) —такой режим, при котором

Рис. 9.25. Работа машины при продолжительном (а) и кратковременном (б) режимах

машина работает с неизменной нагрузкой и время работы настолько велико, что превышение температуры над температурой окружающей среды достигает установившегося значения:

x=i~ = bP/(S_njlk_T0). (9.68)

Мощность, при которой Тоо=Ттах, называется номинальной длительной мощностью Роо. Она является основным параметром, характеризующим нагрузочную способность электрической машины при продолжительном режиме работы. Под величиной Р_х понимают наибольшую мощность, которую может отдать машина (в двигателях— Лиех, в генераторах Р_эл) при непрерывной работе в течение неограниченного времени и нормально действующей вентиляции при условии, что температура отдельных ее частей не превышает установленных значений, определяемых классом применяемой изоляции. Обычно при работе с номинальной длительной мощностью Р.» превышение температуры частей машины 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.

Кратковременный режим. Под кратковременным режимом (рис.

9.25, б) понимают такой режим, в течение которого превышение температуры электрической машины достигает предельно допустимого значения для данного класса изоляции т_тах, но не достигает установившегося значения too. В этом режиме машина работает в. течение сравнительно небольшого периода времени /_Кр, перерыв же в работе tnep достаточно велик, чтобы она успела охладиться до температуры окружающей среды Ф_Окр. Для машин общего применения ГОСТ устанавливает следующие продолжительности рабочего периода: 10, 30, 60 и 90 мин. Однако в условиях эксплуатации продолжительность рабочего периода t_KP может быть самой различной.

При работе машины с мощностями Р₂ и Р₃, большими, чем Pi = = Рсо (с перегрузкой), значения т«,2 и т«,₃ больше, чем т_тах (рис.

9.26, 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 АР), тем больше значения т» и тем интенсивнее растет превышение температуры в процессе нагревания. Таким образом, чем больше нагрузка машины, тем меньшее время она может работать до достижения значения т_гаах- Например, при работе машины с мощностью Рз>Р* допустимое время работы U<t%. И, наоборот, чем меньше время работы машины, тем большую мощность она может развивать. Допустимую продолжительность кратковременного режима t_KP, при которой превышение температуры ткр не больше т_тах, можно определять по формуле

T_KP = to.(l-e-V^r). (9-69)

Следовательно, при кратковременном режиме можно допустить значения т«. в (1—e-*w ^IT)~^l раз большие, чем при длительном ре-

жиме работы. Во столько же раз могут быть увеличены и допустимые значения потерь мощности ДР. Поэтому машины заданной мощности, рассчитанные для кратковременного режима, имеют значительно меньшие габариты и массу, чем машины, рассчитанные для длительной работы.

На рис. 9.26, б показана зависимость продолжительности работы машины от степени ее перегрузки по потерям: k_n=AP/AP<_x,. При

Рис. 9.26. Диаграмма нагревания машины при кратковременном режиме (а) и зависимость допустимого времени работ от степени перегрузки (б)

кратковременных перегрузках длительностью в 2...3 мин можно считать, что нагревание происходит без отдачи теплоты (адиабатически). При этом значение т растет по линейному закону:

Повторно-кратковременный режим. Электрические машины часто работают в повторно-кратковременном режиме (рис. 9.27, а), когда периоды работы машины под нагрузкой t_p периодически чередуются с периодами отключения машины (паузами) t_n, вследствие чего общее время работы машины разбивается на периодически повторяющиеся циклы продолжительностью t_n=t_p+t_n. Согласно ГОСТу время цикла £_ц при работе машины в этом режиме не должно превышать 10 мин. Повторно-кратковременный режим характеризуется продолжительностью включения в процентах:

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

При работе машины в повторно-кратковременном режиме кривая нагревания 3 приобретает пилообразный характер (рис. 9.27, б, в), так как периоды нагревания чередуются с периодами охлаждения. Во время рабочего периода t_p значение т возрастает по

некоторой кривой, соответствующей кривой нагревания машины /, во время паузы t_n она уменьшается по кривой, соответствующей кривой охлаждения 2.

При достижении установившегося режима превышение температуры колеблется в пределах между Ттах И Ттт, ПрИЧеМ ЗНЭЧеНИе

Ттах меньше превышения температуры -Too, 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 (характеризующих нагрузку машины), при которых достигаются одинаковые установившиеся превышения температуры,

где АРпв и АРоо — потери мощности при повторно-кратковременном и продолжительном режимах; Г_н и Т — постоянные времени для неподвижной и работающей машины.

В практике при определении мощности, которую может развивать электрическая машина при повторно-кратковременном режиме, часто исходят из эквивалентного тока:

где /_р — действительный ток машины в рабочий период t_p.

Если машина рассчитана на работу при повторно-кратковременном режиме ПВ_1; то при работе ее в режиме ПВ₂ ток, определяющий развиваемую мощность Р, нужно увеличить или уменьшить пропорционально:

Рис. 9 27. График изменения температуры при работе машины в повторно-кратковременном режиме

Из формулы (9.74) следует, что при ПВ = 60% машина может реализовать мощность, приблизительно равную 1,ЗР<», при ПВ = -=40%—мощность \,6Рпс, при ПВ = 25% — мощность 2Р_Х\ при ПВ=15% — мощность 2,6/^эоо, где Р_х — мощность при длительном режиме работы (при ПВ=100%).

Перемежающийся режим. В этом режиме (рис. 9.28) кратковременные периоды работы под нагрузкой (рабочие периоды) черр »у-ются с периодами холостого хода (паузами), при которых АР=АРо-

Перемежающийся режим характеризуется относительной продолжительностью нагрузки в процентах:

Рис. 9.28. График изменения температуры и потерь при работе машины в перемежающемся режиме

где t_p— время работы; /₀ — время холостого хода.

Стандартные значения ПН составляют 15, 25, 40 и 60%. Продолжительность цикла ^_ц не должна превышать 10 мин. Характер изменения т и О при этом режиме такой же, как и при повторно-кратковременном. За время t_vи /о температура машины О и превышение температуры т не достигают установившихся значений.

Дополнительные номинальные режимы. Помимо основных номинальных режимов работы ГОСТ устанавливает в качестве дополнительных (рекомендуемых) следующие режимы:

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

б) повторно-кратковременный с частыми пусками в электрическим торможением при ПВ=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), равные 30, 60, 120 и 240 при коэффициентах инерции 1,2; 1,6; 2,0; 2,5 и 4 (отношение суммы приведенного к валу двигателя момента инерции приводного механизма и момента инерции ротора к моменту инерции ротора).

Работа при переменной нагрузке. В эксплуатации возможны самые разнообразные режимы, не отвечающие нормативам ГОСТа. Наиболее типичен режим с быстро изменяющейся нагрузкой, аналогичный повторно-кратковременному, когда в течение цикла температура частей машины существенно не изменяется.

Для определения возможности выполнения электрической машиной заданного графика нагрузки обычно применяют метод эквивалентного тока. В основу этого метода положено предположение о том, что переменные потери пропорциональны току нагрузки во второй степени:

При изменении нагрузки машины (рис. 9.29) ток / также изменяется. Поэтому суммарные потери энергии за все время 2/ работы машины

Если бы машина работала с постоянной нагрузкой, эквивалентной по количеству выделенной теплоты (по результирующим потерям мощности) данному графику, то потери энергии были бы

где /_Экв — ток машины при постоянной нагрузке.

Приравнивая Д№_пер=Л№пост, определяем эквивалентный ток

который нагревает электрическую машину так же, как и при работе ее с изменяющейся нагрузкой. По значению /_Экв и номи-нальному напряжению £/_ном можно определить номинальную мощность машины, необходимую для выполнения заданного графика нагрузки. Метод эквивалентного тока можно применять только при условии постоянства потерь AP_Fe и ДРмех- Если электрическая машина работает при изменяющихся магнитном потоке и частоте вращения, то этот метод может давать значительные погрешности из-за изменения ДРпост. Его нельзя применять для асинхронных двигателей с двойной «беличьей» клеткой и глубокопаз-ных двигателей, так как у них при пусковых и тормозных режимах сильно изменяется сопротивление ротора.

Если машина работает при переменной нагрузке по какому-то графику, когда цикл работы превышает 10 мин, то уже нельзя пре-

Рис. 9.29. График изменения мощности Р и перегрева х при изменяющейся нагрузке

небрегать изменением температуры машины внутри цикла и метод эквивалентного тока неприменим. В этом случае следует пользоваться кривыми нагревания электрической машины, построенными по формуле (9.10) или снятыми экспериментально.

Пусть график нагрузки машины имеет вид, показанный на рис. 9.30, а, и нужно установить, не превзойдет ли температура обмотки допустимых пределов.

Рис. 9.30. График изменения нагрузки (а) и температуры (б) машины при произвольной нагрузке

На первом этапе работы с мощностью Р\ машина нагревается в соответствии с уравнением

Через промежуток времени t\ превышение температуры становится Ti (рис. 9.30, б) и машина переходит в режим работы с мощностью Л>, большей Р\. В соответствии с этим процесс нагревания меняется и его можно рассчитывать по общей формуле

либо определить графически, перейдя на новую экспоненту, заранее построенную для работы с мощностью Р₂.

Через промежуток времени t₂ превышение температуры становится т₂ и машина переходит в режим работы с мощностью Р₃. Так как установившееся превышение температуры Тооз, соответствующее мощности Р₃, меньше достигнутого превышения тг, температура машины при работе с мощностью Р₃ уменьшается. Текущее значение превышения температуры можно найти по кривой охлаждения (рис. 9.30, б, кривая 4).

Через интервал времени t₃ установившееся превышение температуры становится тз и т. д.

На рис. 9.31 приведена сетка кривых нагревания и охлаждения, построенная по экспериментальным данным для якоря двигателя постоянного тока мощностью 320 кВт. Эта сетка позволяет доста-

точно точно определить среднюю температуру обмотки якоря при любом графике нагрузки.

Рис. 9.31. Сетка кривых нагревания и охлаждения двигателя мощностью 320 кВт

Содержание
Предыдущий § Следующий