Режимы работы электродвигателей

Номинальные режимы работы электродвигателей устанавливается в соответствии с ГОСТ 183—74 * и имеют условные обозначения S1 — S8.

Продолжительный номинальный режим работы электродвигателя S1 характеризуется постоянной нагрузкой и такой продолжительностью работы двигателя, которая достаточна для достижения практически установившейся температуры всех его частей.

Кратковременный номинальный режим работы электродвигателя S2 характеризуется постоянной нагрузкой и такой продолжительностью работы двигателя, которая недостаточна для достижения практически установившейся температуры его частей, после чего следует отключение двигателя от сети, продолжительность которого достаточна для охлаждения двигателя до температуры охлаждающей среды. Длительность рабочего периода составляет 10, 30, 60, 90 мин.

Повторно-кратковременный номинальный режим работы электродвигателя S3 характеризуется последовательностью идентичных рабочих циклов, каждый из которых состоит из периодов работы при постоянной нагрузке и отключенного неподвижного состояния; длительность этих периодов недостаточна для достижения теплового равновесия за время одного рабочего цикла, а наличие пускового тока существенно не влияет на нагрев двигателя и его отдельных частей.

Определяются следующие значения относительной продолжительности включения (ПВ): 15, 25, 40 и 60%. Продолжительность одного цикла, если нет других указаний, принимается равной 10 мин.

Повторно-кратковременный номинальный режим режим работы электродвигателя с частыми пусками S4 характеризуется продолжительностью включения, числом пусков в час и коэффициентом инерции и состоит из последовательности идентичных рабочих циклов, включающих периоды пуска, работы при постоянной нагрузке и отключенного неподвижного состояния, причем длительность этих периодов недостаточна для достижения теплового равновесия за время рабочего цикла, а потери при пуске влияют на нагрев двигателя. Нормируются ПВ 15, 25, 40 и 60%, 30, 60, 120 и 240 включений в час и коэффициент инерции (отношение суммы момента инерции ротора двигателя и приведенного к валу двигателя момента инерции механизма к моменту инерции ротора двигателя), равный 1,2; 1,6; 2; 2,5; 4; 6,3; 10.

Повторно-кратковременный номинальный режим работы электродвигателя с частыми пусками и электрическим торможением S5 характеризуется продолжительностью включения, числом пусков в час и коэффициентом инерции и состоит из последовательности идентичных рабочих циклов, включающих периоды пуска, работы при постоянной нагрузке, быстрого электрического торможения и отключенного неподвижного состояния, причем длительность этих периодов недостаточна для достижения теплового равновесия за время одного цикла. Значения ПВ и числа включений в час те же, что и для режима S4, коэффициент инерции равен 1,2; 1,6; 2; 2,5 и 4.

Перемежающийся номинальный режим работы электродвигателя S6  характеризуется относительной продолжительностью нагрузки (ПН) и состоит из последовательности идентичных рабочих циклов, включающих периоды работы при постоянной нагрузке и на холостом ходу, причем длительность этих периодов недостаточна для достижения теплового равновесия за время одного рабочего цикла. Нормируется ПН 15, 25, 40 и 60%, длительность одного рабочего цикла принимается равной 10 мин.

Перемежающийся номинальный режим работы электродвигателя с частыми реверсами при электрическом торможении S7 характеризуется числом реверсов в час и коэффициентом инерции и состоит из последовательности идентичных рабочих циклов, включающих периоды пуска, работы при постоянной нагрузке и электрического торможения, причем длительность рабочего периода недостаточна для достижения теплового равновесия за время одного цикла. Нормируется 30, 60, 120 и 240 реверсов в час при коэффициентах инерции, соответствующих режиму S5.

Перемежающийся номинальный режим работы электродвигателя с двумя или более частотами вращения S8 характеризуется числом циклов в час, коэффициентом инерции с ПН на отдельных ступенях частоты вращения и состоит из последовательности идентичных рабочих циклов, включающих периоды ускорения, работы при постоянной нагрузке, соответствующей заданной частоте вращения, затем одного или нескольких периодов работы при других постоянных значениях нагрузки, соответствующих другим частотам вращения, причем длительность каждого рабочего периода недостаточна для достижения теплового равновесия за время одного рабочего цикла. Нормируется 30, 60, 120 и 240 циклов в час и коэффициент инерции равный 1,2; 1,6; 2; 2,5 и 4.

Рассмотрим, как выбирается двигатель для работы в различных режимах нагрузки. Начнем с продолжительного режима работы S1. Поскольку в этом режиме длительность работы под нагрузкой существенно больше постоянной нагрева, то целесообразно выбирать двигатель, для которого этот режим является номинальным. Иными словами, должны выполняться условия

М_нг≤М_ном; Р_нг≤Р_ном     (60)

К этому же режиму относят циклическую нагрузку. В случае длительности цикла более 10 мин условия выбора определяются по (60).

Выбранный двигатель должен быть проверен по условиям пуска и перегрузочной способности:

М_п>М_нг.п; M_max>M_{нг max}, (61)

где М_нг,п — момент сопротивления нагрузки при n=0.

Для электроприводов, работающих в режиме S2, нецелесообразно выбирать асинхронный двигатели, предназначенные для работы в режиме S1, так как последние, как правило, обладают ограниченной перегрузочной способностью, в связи с чем в данном случае они недоиспользуются по нагреву.

При выборе двигателей, предназначенных для работы в режиме S2, приходится сталкиваться с тем, что время работы не совпадает со временем продолжительности кратковременной работы, определяемым стандартом,—10, 30, 60 и 90 мин. Кроме того, нагрузка привода в течение рабочего периода t_р может ступенчато изменяться. В этих случаях рассчитываются эквивалентные величины, которые приводятся к стандартному значению продолжительности кратковременной работы t_р.ст, ближайшему к реальному значению tp.

Эквивалентные моменты М_эк и мощность Р_эк рассчитываются по формулам

      (62)

Пример. Для графика нагрузки, приведенного на рис. 34,а, рассмотрим пример: M₁=10 Н∙м, М₂=15 Н∙м, t₁ = 5 мин, t₂=20 мин (t_р= t₁+t₂=25 мин). Поэтому t_р.ст=30 мин (выбираем стандартное время)   и

Далее осуществляется проверка по формулам

М_эк≤М_ном; Р_эк≤Р_ном      (63)

где М_ном, Р_ном — номинальные значения момента и мощности двигателя, соответствующие стандартной продолжительности работы (в примере 30 мин).

В частном случае, когда нагрузка в течение t_р не изменяется,

Выбранный двигатель также должен быть проверен по условиям пуска и по перегрузочной способности по формулам (61).

Для электроприводов, работающих в этих режимах, целесообразно выбирать двигатели, предназначенные для работы в режиме S3. Последовательность расчета в этом случае следующая.

По нагрузочной диаграмме для времени цикла Т_ц≤10 мин определяются:

относительная продолжительность включения

ПВ=(Σt_pi /Т_ц) -100%,

где t_pi — время работы при i-й нагрузке внутри рабочего цикла Т_ц (рис. 34,б);

приведенные к ближайшему стандартному значению ПВ_ст, равному 15, 25, 40, 60%, эквивалентные значения момента и мощности

           (64)

При выборе двигателя должны соблюдаться условия

М_эк≤М_ном; Р_эк≤Р_ном      (65)

где М_ном, Р_ном — номинальные значения момента и мощности двигателя, соответствующие стандартному значению ПВ.

Выбранный двигатель должен также проверяться по условиям (61).

В ряде случаев при больших значениях (ПВ>70÷80%) возможен выбор двигателя, предназначенного для режима S1, для которого следует принять ПВ=100%, при этом выражения (64) преобразуются к виду

            (66)

В случае идентичных циклов с постоянной нагрузкой внутри рабочего периода (рис. 34, в) формулы (66) сводятся к виду

Пример. Определить эквивалентную мощность для режима, приведенного на рис. 34,б. В соответствии с методикой сначала определяем продолжительность включения. Если задано t_pi=2 мин, ft_р2=3 мин, Т_ц=9 мин, находим: ПВ= (5/9) ∙100 %=55,6 %. Выбираем ближайшее ПВ_1ст=60 %.

Затем по формуле (64) находим эквивалентное значение мощности, определив предварительно по графику Р₁=10 кВт, Р₂=5 кВт:

Асинхронные короткозамкнутые двигатели, рассчитанные на длительный режим работы, при работе в повторно-кратковременном режиме с большим числом включений в течение определенного времени имеют ограниченное допустимое число включений в час z, которое зависит от фактической нагрузки электродвигателя, от соотношения между временем работы t_p (с) и паузы-остановки t_х (с) (рис. 34,в), а также от потерь энергии в двигателе за время разбега ∆А_p (Дж) и торможения ∆А_т (Дж). Эти потери в переходные периоды, когда частота вращения машины меньше номинальной, значительно превышают потери энергии в двигателе при работе с постоянной частотой вращения. Кроме того, при неподвижном роторе в период паузы ухудшается теплоотдача двигателя, что учитывается при расчете введением некоторого коэффициента v. Этот коэффициент зависит от способа вентиляции двигателей и может   быть принят следующим: для закрытого двигателя с независимым охлаждением (способ охлаждения IC46) 0,9—1, для закрытого двигателя с охлаждением от собственного вентилятора (IC0141) 0,45—0,55, для защищенного двигателя с самовентиляцией (IC01) 0,25—0,35.

Ограничение по частоте включений двигателя вводится для того, чтобы не допустить чрезмерный перегрев его. Значение z можно определить из следующего выражения, которое используется в основном для двигателей малой мощности до 10—15 кВт:

               (67)

где ∆р_ном, ∆р_с — потери мощности в электродвигателе при номинальной и фактической   нагрузках, Вт; ПВ=(t_p/t_p+t_х) ∙100 — продолжительность включения, %.

При работе асинхронного двигателя с номинальной нагрузкой допустимое число включений в час равно:

               (68)

Допустимая частота включений во многом зависит от момента инерции ротора двигателя. С увеличением мощности двигателя возрастает его момент инерции и z уменьшается. Мощность двигателей механизмов с большими статическими моментами сопротивления выбирают больше номинальной мощности механизма для сокращения времени пуска.

На практике не рекомендуется использование асинхронных электродвигателей, предназначенных для работы в режиме S1, для частого пуска механизмов, имеющих приведенный момент инерции, значительно больший, чем момент инерции самого двигателя. Для этих двигателей при максимально допустимом статическом моменте сопротивления механизма разрешается не более двух пусков в час.

Двигатели, используемые в повторно-кратковременных режимах S3 — S8, имеют соответствующую отметку на табличке (см. рис. 33).

Рис. 34. Графики работы асинхронного двигателя: а — кратковременный режим; б — повторно-кратковременный режим с переменной мощностью; в — повторно-кратковременный режим с постоянной мощностью