Нагрев и охлаждение электродвигателей. Уравнение нагрева. Постоянная нагрева.

При включении двигателя в сеть и наличии на его валу нагрузки происходит его нагрев, зависящий от тепловых потерь Δ Р, времени нагрева t, теплоемкости С и теплоотдачи двигателя А. Эти величины связаны между собой уравнением теплового баланса электродвигателя:

Δ Р ·dt = C·d τ + A· τ ·dt, Вт · с,

где τ - превышение температуры двигателя над температурой охлаждающей среды, которую принимают, как правило, равной +40°С.

Рис. Кривые нагрева и охлаждения электродвигателя

Решение этого уравнения дает зависимость изменения превышения температуры двигателя во времени. Зависимость имеет экспоненциальный характер (см. рис.):

τ = τ уст(1 - e-1/Тн) + τ нач e-1/Тн,

где τ уст - установившееся превышение температуры, °С; τ нач - начальное превышение температуры, °С; ТН - постоянная времени нагревания, Тн = С·А, с.

Номинальные режимы работы электродвигателей. Режимы работы стандартизованы. Различают три основных режима:

- длительный (обозначается символом SI),

- кратковременный(S2),

- повторно-кратковременный (S3).

Длительный - это режим, в котором превышение температуры двигателя достигает установившегося значения. Длительный режим подразделяют на два вида: а - режим с постоянной нагрузкой, б - режим с переменной нагрузкой. К типу а относятся ЭП вентиляторов, насосов, компрессоров, транспортеров, текстильных станков и др. К типу б - ЭП поршневых компрессоров, прокатных станов, токарных, фрезерных, сверлильных станков и др.

Режим работы ЭП отражают при помощи нагрузочных диаграмм (НД), которые представляют собой зависимость мощности Р, момента М или тока двигателя I от времени t. Примеры НД для длительного режима и кривая нагрева приведены на рис. 1.

В кратковременном режиме двигатель работает непродолжительное время, в течение которого превышение его температуры не достигает установившегося значения, а после отключения он успевает охладиться до температуры охлаждающей среды (рис. 2, а). В этом режиме работают ЭП шлюзов, задвижек нефте- и газопроводов, и др.

Повторно-кратковременным называют режим, в котором кратковременные периоды включения двигателя чередуются с периодами пауз, причем в период нагрузки превышение температуры двигателя не достигает установившегося значения, а при отключении не успевает достичь температуры охлаждающей среды (рис. 2, 6). Свойства двигателей в повторно-кратковременном режиме зависят от продолжительности включения (ПВ). Как видно из диаграммы (рис. 2, 6), двигатель нагружен в течение времени tР, а в течение времени t0 следует пауза. Их сумма составляет время цикла tЦ.

ПВ - это величина, равная отношению времени работы двигателя под нагрузкой ко времени цикла, измеряемое в процентах:

ПВ = 100tР / (tР + t0) = (tР/tЦ)100%.

ПВ стандартизованы и составляют 15, 25, 40, 60%. Значение ПВ указывается на паспорте двигателя.

Двигатель мощностью РН1 с ПВ1 может быть использован при другой ПВ2. Мощность Р2, на которую можно при этом нагружать двигатель, определяется приближенным соотношением:

9.2. Пуск асинхронных двигателей. Способы пуска:

-прямое включение; двигатели с глубоким пазом и двойной «беличьей клеткой»

- понижением питающего напряжения

Способы пуска в ход асинхронных двигателей. Схемы пуска двигателей в ход должны предусматривать создание большого пускового момента при небольшом пусковом токе и, следовательно, при небольшом падении напряжения при пуске. При этом может требоваться плавный пуск, повышенный пусковой момент и т. д. На практике применяются следующие способы пуска: непосредственное присоединение к сети — прямой пуск; понижение напряжения при пуске; включение сопротивления в цепь ротора в двигателях с фазовым ротором.

Прямой пуск применяется для двигателей с короткозамкнутым ротором. Для этого они проектируются так, чтобы пусковые токи, протекающие в обмотке статора, не создавали больших механических усилий в обмотках и не приводили к их перегреву. Но при прямом пуске двигателей большой мощности в сети могут возникать недопустимые, более 15%, падения напряжения, что приводит к неустойчивой работе пусковой аппаратуры (дребезжание), подгоранию контактов и практически к невозможности пуска. Такие явления могут быть в маломощной сети или при большом удалении от подстанции пускаемого двигателя.

Рис. 5.27. Схема прямого пуска асинхронного двигателя (а) и графики изменения моментов и тока (б)

Двигатели обычно пускают с помощью электромагнитного выключателя К -магнитного пускателя (рис. 5.27, а) и разгоня­ют автоматически по естественной механической характеристи­ке Μ (рис. 5.27, б) от точки П, соответствующей начальному моменту пуска, до точки Р, соответствующей условию М = М _ст. Ускорение при разгоне определяется разностью абсцисс кривых Μ и М _ст и моментом инерции ротора двигателя и механизма, который приводится во вращение. Если в начальный момент пуска М _п < М _ст, двигатель разогнаться не сможет.

Значение начального пускового момента можно получить из формулы (5.46, а), приняв s= 1:

Отношение моментов M _п /M _ном = k _п.мназывают кратностью начального пускового момента. Для двигателей с короткозам­кнутым ротором мощностью 0, 6... 100 кВт ГОСТом установ­лено k _п.м= 1, 0...2, 0; мощностью 100...1000 кВт- k _п.м= 0, 7...1, 0.

Получение кратностей пускового момента, больших регламентиро­ванных ГОСТом, обычно нежелательно, так как это связано либо с увеличением активного со­противления ротора [см. (5.58)], либо с изменением конструкции ротора (см. §5.11), что ухудшает энергетические показатели двигателя.

Недостатком данного способа пуска кроме сра­внительно небольшого пускового момента явля­ется таксисе большой бросок пускового тока, в 5...7 раз превышающий номинальное значение тока.

Несмотря на указанные недостатки, пуск двигателя путем непосредственного подключения обмотки статора к сети широко применяют благодаря простоте и хорошим технико-экономическим свойствам двигателя с короткозамкнутым ро­тором - низкой стоимости и высоким энергетическим показа­телем (η, cosφ ₁, k _ми др.).

Прямой пуск двигателя от маломощной сети. В маломощной сети условия пуска двигателя ухудшаются для самого двигателя, ухудшается работа уже включенных двигателей и ламп накаливания, поэтому должны быть ограничения по мощности двигателя в зависимости от вида нагрузки сети и количества пусков двигателя. Существуют следующие ограничения мощности двигателя. Трансформатор, питающий чисто силовую сеть: 20% мощности трансформатора при частых пусках; 30% мощности трансформатора при редких пусках.
Трансформатор имеет смешанную нагрузку:
4% мощности трансформатора при частых пусках;
8% мощности трансформатора при редких пусках.
Электростанция малой мощности — 12% мощности электростанции.
В маломощных сетях следует ограничивать число пусков сравнительно мощных двигателей, при затруднении их пуска по возможности отключать другие двигатели.

Пуск при пониженном напряжении. Этот способ пуска применяется для двигателей средней и большой мощности при ограниченной мощности сети. Рассмотрим некоторые способы понижения напряжения при пуске. Переключение обмотки статора двигателя с пусковой схемы звезда на рабочую схему треугольник. Для лучшего понимания способа пуска разберем схемы соединения обмоток двигателей и влияние этих схем на величину фазного напряжения двигателя при заданном линейном напряжении.
Обмотки двигателей могут соединяться звездой или треугольником. Тип соединения определяет соотношение между напряжением на зажимах двигателя и напряжением на фазах его обмотки, т. е. номинальным напряжением двигателя. Напряжение на зажимах двигателя измеряется между его зажимами и называется линейным, и на фазе обмотки — между ее началом и концом и называется фазным. Как известно, при соединении треугольником напряжения линейное и фазное равны, а при соединении звездой линейное напряжение больше фазного в 3^-0.5 раз.
Двигатель может иметь в коробке зажимов три или шесть концов. При наличии шести концов возможно соединение двигателя звездой или треугольником в зависимости от напряжения сети, к которой будет присоединяться двигатель, и его номинального напряжения.
Если номинальное напряжение двигателя 220 В, то при линейном напряжении сети 380 В его нужно соединять звездой, а при линейном напряжении сети 220 в — треугольником. При номинальном напряжении двигателя 380 В и линейном напряжении сети 380 В двигатель нужно соединять треугольником, а при линейном напряжении сети 660 В — звездой.
Как соединять выводные концы двигателя при различных схемах соединения его обмоток, видно из схем соединение обмоток, показанных на рис. 2.17, б, в, где указаны стандартные обозначения концов и начал фазных обмоток двигателя. Если в коробке зажимов двигателя имеется три вывода обмоток с зажимами, то он имеет определенную схему соединения обмоток в зависимости от напряжения, на которое он рассчитан.
Схема пуска двигателя включением на пусковую схему звезда и с переключением на рабочую схему треугольник показана на рис. 2.18.

Перед пуском двигателя включаются выключатели QS1, QF2 и SF2. При нажатии на кнопку SB2 включается пускатель КМ2.1, соединяющий концы фазных обмоток двигателя в звезду. Одновременно включается реле времени КТ1, замыкая контакт КТ1.3, шунтирующий контакты кнопки SB2. С выдержкой времени, необходимой для разгона двигателя, отключается контакт КТ1.1 реле времени, отключая пускатель КМ2.1, и включается контакт КТ1.2, включающий пускатель КМ2.2, переключающий концы фазных обмоток двигателя на треугольник, и двигатель продолжает работать.

Так как при пуске двигателя при подключении по схеме звезда фазное напряжение обмотки уменьшается в 3^0.5 раз по сравнению со схемой треугольник, то фазные токи также уменьшаются в 3^-0.5 раз, которые равны линейным токам при этой схеме. Но при схеме треугольник, являющейся рабочей в данном случае, фазные токи меньше линейных в 3^-0.5 раз, а при пусковой схеме звезда получается еще уменьшение фазных токов в 3^-0.5 раз, и в результате линейные токи, равные фазным при пусковой схеме звезда, уменьшаются в 3 раза. После разгона двигателя обмотка его статора переключается на нормальную схему треугольник, поэтому схема пуска двигателя кратко называется схемой пуска переключением со звезды на треугольник плавного пуски двигателя.

Рис. 2.18. Схема пуска трехфазного асинхронного электродвигателя включением на пусковую схему «звезда» и с переключением на рабочую схему «треугольник»: SB1— кнопка КМЕ4201 (красная); SB2— кнопка КМЕ4201 (черная); КМ2.1, КМ2.2— пускатель ПМА-3100У4, 220 В; КТ1 — промежуточное реле РПЛ2204, 220 В, пневмоприставка ПВЛ1104; М2 — электродвигатель А02-72-2, 30 кВт, 2910 об/мин; QF2 —выключатель автоматический АЕ2046, 63 A; SF2 —выключатель автоматический А63, 4 A; QS1 —выключатель пакетный ПВЗ—100.

Рис. 5.28. Схемы включения асинхронно­го двигателя при пуске с понижением напряжения

Пониже­ние напряжения может осуществляться следующими путями:

а) переключением обмотки статора с помощью переклю­чателя с нормальной схемы Δ на пусковую схему Υ. При этом напряжение, подаваемое на фазы обмотки статора, уменьшается в раз, что обусловли-вает уменьшение фазных токов раз и линейных токов в 3 раза. По окончании процесса пуска и разгона двигателя до номиналь­ной частоты вращения обмотку статора переключают обрат­но на нормальную схему;

б) включением в цепь обмотки статора на период пуска добавочных активных (резисторов) или реактивных (реакторов) сопротивлений (рис. 5.28, а). При этом на указанных сопротивлениях создаются некоторые падения напряжения ∆ U _доб, пропорциональные пусковому току, вследствие чего к обмотке статора подается пониженное напряжение. По мере разгона двигателя снижается ЭДС E _2s, индуцированная в обмотке ротора, а следовательно, и пусковой ток. В результате уменьшается падение напряжения ∆ U _доб на указанных сопротивлениях и автоматически возрастает при­ложенное к двигателю напряжение. После окончания разгона добавочные резисторы или реакторы замыкаются накоротко контактором К1;

Рис. 5.29. Механические характеристики при включении обмотки статора двигателя по схемам У и Δ (а) и графики изменения Μ и I ₁ при пуске двигателя путем переключения обмотки статора со Υ на Δ (б)

в) подключением двигателя к сети через понижающий автотрансфор-матор АТр (рис. 5.28, 6), который может иметь несколько ступеней, переключаемых в процессе пуска соот­ветствующей аппаратурой.

Недостатком указанных методов пуска путем понижения напряжения является значительное уменьшение пускового и максимального моментов двигателя, которые пропорци­ональны квадрату приложенного напряжения, поэтому их можно использовать при пуске двигателей без нагрузки или при незначительной нагрузке.

На рис. 5.29 для примера приведены механические харак­теристики двигателя при номинальном и пониженном напря­жении, т. е. при соединении обмотки статора по схемам Υ и Δ, а также графики изменения тока I ₁ и момента Μ при пуске двигателя путем переключения обмотки статора со Y на Δ. При соединении по схеме Υ максимальный и пусковой моменты уменьшаются в 3 раза, вследствие чего двигатель не в состоянии осуществить пуск механизма с нагрузочным моментом М _н.

Пуск с помощью реостата в цепи ротора. Этот способ при­меняют для пуска двигателей с фазным ротором. Если в цепь ротора включить пусковой реостат R _п, то активное сопротивление цепи ротора увеличится, вследствие чего точка К на круговой диаграмме (рис. 5.30, а) сместится ближе к точке О (точка К'). При этом максимальный момент (отрезок )не изменяется, а пусковой момент возрастает от значения М _пдо значения М' _п, так как увеличивается отрезок , пропорциональный этому момен­ту. Одновременно повышается критическое скольжение, а по­этому зависимость M=f(s) сдвигается в область больших скольжений, а зависимость n₂ = f(M) - в область меньших частот вращения (рис. 5.30, б, в, кривые 1 - 4).

Рис. 5.30. Круговая диаграмма при включении реостата в цепь ротора асинхронного двигателя и получаемые при этом механические характе­ристики

Для того чтобы пусковой момент был равен максималь­ному, необходимо так подобрать сопротивление пускового реостата R _п, чтобы точка К' находилась вблизи точки А _м. Это условие выполняется при R' _п + R' ₂ + R ₁ ≈ X ₁ + Х' ₂. Включе­ние сопротивления R _пуменьшает также и пусковой ток дви­гателя, так как в этом случае

Пусковой реостат имеет обычно три - шесть ступеней (рис. 5.31, а), что позволяет в процессе пуска постепенно уменьшать пусковое сопротивление, поддерживая высокое значение пускового момента двигателя. Сначала двигатель пускается по характеристике 4 (рис. 5.31, 6), соответствующей сопротивлению пускового реостата R _п3 = R _доб1 + R _доб2 + R _доб3, и развивает вращающий момент М _пmax. По мере увеличения частоты вращения вращающий момент Μ уменьшается и может стать меньше некоторого момента M_пmin. Поэтому при M=M _пminчасть пускового реостата R _доб3 выводят, замы­кая контактор КЗ. Вращающий момент при этом мгновенно возрастает до М _пmax, а затем с увеличением частоты вращения изменяется по характеристике 3, соответствующей сопротивлению реостата R _п2 ⁼ R _доб1 + R _доб2. При дальнейшем уменьшении момента Μ до M _пmin часть реостата R _доб2 снова выключается контактором К2, и двигатель переходит на работу по характеристике 2, соответствующей сопротив­лению R _п1= R _доб1. Таким образом, при постепенном (ступен­чатом) уменьшении сопротивления пускового реостата вра­щающий момент двигателя изменяется от М _пmax до M _пmin, а частота вращения возрастает по ломаной кривой, показанной на рис. 5.31, б жирной линией. В конце пуска пусковой реостат полностью выводят контактором К1, обмотка ротора замыкается накоротко, и двигатель пере­ходит на работу по естественной характеристике 1. Выключе­ние отдельных ступеней пускового реостата в процессе разгона двигателя может осуществляться вручную или автоматически. Таким образом, посредством реостата, вклю­ченного в цепь ротора, можно осуществить пуск двигателя при М _п ≈ М_тах и резко уменьшить пусковой ток.

Рис. 5.31. Схема реостатного пуска асинхронного двигателя (а) и диаграммы изменения момента, частоты вращения и тока статора в процессе пуска (б, в)

На рис. 5.31, в показан характер изменения тока Д и частоты вращения п₂ при пуске двигателя рассматрива­емым способом. Ток также изменяется по ломаной кривой между двумя крайними значениями I _max и I _min. Недостатком данного способа является его относительная сложность и необходимость применения более дорогих двигателей с фазным ротором.