МЕСТО ДЛЯ РЕКЛАМЫ I
Все справочники Предисловие
Глава 5
Асинхронные микромашины автоматических устройств
  1. Устройство и основные конструктивные типы асинхронных исполнительных двигателей
  2. Исполнительный двигатель с амплитудным управлением
  3. Исполнительный двигатель с фазовым управлением
  4. Исполнительный двигатель с амплитудно-фазовым управлением (конденсаторная схема)
  5. Быстродействие исполнительных двигателей и их сравнение при различных способах управления
  6. Асинхронный тахогенератор
  7. Устройство и принцип действия вращающихся трансформаторов
  8. Синусно-косинусный вращающийся трансформатор
  9. Линейный вращающийся трансформатор
  10. Вращающийся трансформатор-построитель
  11. Принцип действия системы синхронной связи и устройство сельсинов
  12. Трансформаторный режим работы однофазных сельсинов
  13. Индикаторный режим работы однофазных сельсинов
  14. Дифференциальные сельсины
  15. Магнесины
  16. Трехфазные сельсины
  17. Использование вращающихся трансформаторов в системе дистанционной передачи угла
Глава 6
Синхронные машины
  1. Назначение и принцип действия синхронной машины
  2. Устройство синхронной машины
  3. Особенности конструкции синхронных машин большой мощности
  4. Работа генератора при холостом ходе
  5. Работа генератора под нагрузкой
  6. Векторные диаграммы генератора
  7. Внешние и регулировочные характеристики генератора
  8. Определение индуктивных сопротивлений синхронной машины
  9. Параллельная работа синхронного генератора с сетью
  10. Режимы работы синхронного генератора при параллельной работе с сетью
  11. Мощность и электромагнитный момент синхронной машины
  12. Статическая устойчивость
  13. Синхронный двигатель
  14. Пуск синхронного двигателя
  15. Регулирование частоты вращения синхронных двигателей. Вентильный двигатель
  16. Синхронный компенсатор
  17. Понятие о переходных процессах в синхронных машинах
  18. Несимметричные режимы работы синхронных генераторов
  19. Особенности работы синхронного генератора на выпрямительную нагрузку
  20. Сверхпроводниковые синхронные генераторы
  21. Однофазная синхронная машина
Глава 9
Глава 10
Нагревание и режимы работы электрических машин
  1. Нагревание электрических машин
  2. Режимы нагрузки электрических машин
Заключение Список литературы

§ 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 θи 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

(10.11)
θкр = θ( l - e- tкр/Т ).
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 = ΔPP . При кратковременных перегрузках длительностью 2 — 3 мин можно считать, что нагревание происходит без отдачи теплоты (адиабатически). При этом величина в нарастает по линейному закону

(10.12)

θ = ΔPt/(cm).

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 (%)

(10.13)

ПB = (tp/tц )100 = [tp /(tp + tп )] 100.

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,

(10.14)

ΔPп-к Pпрод = [1 - e-(tp/Т + tп/Т)]/(1 - e-tp/Тн ),

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:
(10.15)

Iэкв = Iрtp /(tp+ tп ) =IрПВ ,

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:
(10.16)

P1/P2 = I1/I2 = √ПВ2/ПВ1.

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 (%)

(10.17)
ПН = (tp /tц )100 = [tp /(tp + t0)] 100,
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
(10.18)
θп = θп(1-е-t/T) + θ0пе-t/T,
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

ΔАпер = (ΔРпост + cI12 )t1 + (ΔРпост + cI22 )t2 + ... + (ΔРпост + cIn2 )tn ,

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

(10.19)
Iэкв = √(I12t1 + I22t2 + ... + In2tn )/Σt,
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).

МЕСТО ДЛЯ РЕКЛАМЫ II