Что такое длительный режим работы двигателя
Условия и номинальные режимы работы тяговых двигателей
Описание электропоездов и электровозов, расписание поездов, фотографии
§ 28. Условия и номинальные режимы работы тяговых двигателей
Условия работы тяговых двигателей и требования, предъявляемые к ним. Тяговые двигатели, служащие для превращения электрической энергии в механическую, во время работы подвергаются воздействию динамических сил, возникающих при движении колес по неровностям пути, и вибрациям, которые особенно велики в зимних условиях, когда верхнее строение пути обладает повышенной жесткостью. Инерционные динамические ускорения достигают 3£ при рамном и 15§ при опорно-осевом подвешивании тягового двигателя. При опорно-осевом подвешивании и жесткой передаче динамические ускорения на поверхности якоря достигают 25§
Конструкция тягового двигателя, его подвешивание и передача должны обеспечивать наименьшее динамическое воздействие подвижного состава на путь и пути на двигатель, что особенно важно при высоких скоростях движения. Для этого в передаче желательно применять эластичные элементы, а массу самого двигателя максимально снижать. На пассажирских локомотивах и моторных вагонах, рассчитанных на движение с высокими скоростями, применяют рамное подвешивание двигателей.
При трогании электровоза с места ток тяговых двигателей может достигать двойного номинального, а при снижении нагрузки частота вращения — превышать более чем в 2 раза номинальное значение. Особенно высокая частота вращения возникает при боксовании колесных пар.
Механическая прочность якоря должна соответствовать частоте его вращения, превышающей наибольшую на 25% при параллельном и на 35% при последовательном соединении двигателей. В диапазоне нагрузок 75—125% номинальной не-
допустимо расхождение частот вращения отдельных двигателей при полном возбуждении более чем на 3%, а в случае предельно ослабленного — более чем на 4%. Поэтому магнитные материалы двигателей должны иметь стабильные характеристики, а узлы — высокую точность сборки.
Двигатели подвержены и атмосферным воздействиям, в них попадает влажный воздух и пыль. На зажимах двигателей возникают перенапряжения, вызванные атмосферными разрядами, а также резкими изменениями тока.
На э.п.с. двигатель расположен в пространстве, ограниченном габаритами приближения подвижного состава к пути, расстоянием между колесными центрами, зависящим от ширины колеи, между другими частями экипажа. Поэтому двигатель должен иметь наименьшие, согласующиеся с общей конструкцией экипажа габаритные размеры и быть доступным для обслуживания. Резкие изменения температуры от —50 до +40 °С и влажности воздуха способствуют отсы-рению изоляции и конденсации влаги на коллекторе, щеткодержателях и поверхности изоляции. Иногда это сопровождается обледенением, коллектор покрывается инеем, что затем вызывает сильное искрение при работе двигателя. Пыль, поднимающаяся с пути при движении, угольная пыль от истирающихся щеток, влажный воздух и снег приводят к загрязнению изоляции и снижению ее диэлектрической прочности.
Тяговые двигатели э.п.с. постоянного тока должны надежно работать при повышении напряжения на токоприемнике на 21% сверх номинального значения, а при наличии электрического торможения — на 27%, двигатели э.п.с. переменного тока — при повышении напряжения в контактной сети на 16% или понижении его на 24%. Необходимо, чтобы двигатели устойчиво работали при ослабленном
возбуждении и нестационарных процессах в их цепях. Поэтому к их изоляции предъявляют высокие требования в отношении электрической и механической прочности, теплостойкости и влагостойкости. Этим требованиям удовлетворяют изоляционные материалы классов нагре-востойкости В, И и Н. Изоляция обмоток относительно корпуса и между обмотками должна выдерживать в процессе испытаний при частоте 50 Гц, номинальном напряжении относительно корпуса свыше 750 В напряжение
итп = 2,25 ит + 2000 В,
где 1)т — номинальное напряжение на токоприемнике э.п с. постоянного тока, равное напряжению контактной сети £/с, или наибольшее напряжение, которое может быть подано на группу двигателей э.п.с. переменного тока.
Непрерывный рост грузонапряженности на электрифицированных железных дорогах СССР требует повышения мощности тяговых двигателей. В ближайшей перспективе будут необходимы для грузового движения тяговые двигатели с часовой мощностью до 1000 кВт на ось, а для скоростных электровозов до 1200— 1300 кВт. При этом повышение мощности тяговых двигателей не должно сопровождаться увеличением нагрузки от колесной пары на рельсы, которая при существующих типах рельсов для грузовых электровозов в СССР ограничена значениями 230—250 кН (23—25 тс).
Как известно, мощность коллекторного тягового двигателя постоянного тока ограничена потенциальными условиями на коллекторе, диаметром и линейной нагрузкой якоря. Максимальный диаметр якоря ограничивается наибольшей частотой его вращения, повышение линейной нагрузки — теплостойкостью изоляционных материалов. Поэтому коллекторные тяговые двигатели мощностью свыше 900 кВт на ось не обеспечивают достаточно высокой эксплуатационной надежности. Двигатели со щетками и коллекторами подвержены также износу и аварийным явлениям в виде круговых огней и перебросов электрической дуги, эксплуатационные расходы на такие двигатели высокие Статистика показывает, что на ремонт коллекторных тяговых машин расходуется до 8 тыс. руб. на
1 млн км пробега. Из них примерно 50% приходится на ремонт коллекторов и щеточного аппарата.
Номинальные режимы работы тяговых двигателей. Тяговые двигатели электровозов и электропоездов постоянного тока характеризуют двумя номинальными напряжениями: на их зажимах (Уд и на токоприемнике локомотива UT. Стандартом установлены следующие номинальные напряжения на токоприемниках э.п.с. постоянного тока: 250, 550, 750, 1500 и 3000 В. Для э.п.с. отечественных дорог постоянного тока принято номинальное напряжение на токоприемниках ном — 3000 В, на зажимах тяговых двигателей с/д ном = 1500 и 750 В. Построить тяговые двигатели с (Уд ном = = 3000 В принципиально возможно, но это экономически не оправдано, так как при снижении напряжения на зажимах двигателя до оптимального значения уменьшаются его масса, расход изоляционных и конструктивных материалов
Номинальное напряжение на зажимах двигателей, применяемых на э.п.с. переменного тока, устанавливают для машин каждого типа на основании технико-экономических расчетов с учетом их мощности, надежности, технологических особенностей изготовления. Обычно для тяговых двигателей мощностью 800—1000 кВт устанавливают (Уд иом = 7504-1100 В.
Тяговые двигатели в условиях эксплуатации работают с переменной нагрузкой. Для сравнительной оценки их работы установлены два номинальных режима: продолжительный и часовой.
Продолжительной называют наибольшую развиваемую на валу двигателя мощность, с которой при нормально действующей вентиляции, закрытых коллекторных смотровых люках и номинальном напряжении на зажимах двигатель может работать длительно, при этом превышение температуры его частей над температурой окружающего воздуха не больше установленного нормами. В этом режиме превышение температуры частей двигателя достигает установившегося значения практически через 3—6 ч, после чего все выделяющееся тепло отдается охлаждающему воздуху
Часовой называют наибольшую развиваемую на валу двигателя мощность, при
которой работа его в условиях нормально действующей вентиляции, закрытых коллекторных смотровых люков и нормальном напряжении на зажимах, начиная от холодного состояния в течение 1 ч, не сопровождается превышением температуры его узлов, большим установленного нормами. Допустимое превышение температуры частей машины над температурой окружающего воздуха до 40 °С, например, с изоляцией класса Н как в продолжительном, так и в часовом режиме соответствует для обмотки якоря 160, обмотки возбуждения 180, коллектора 105 °С. Для изоляции класса F оно равно соответственно 140, 155 и 95 °С. Двигатель считается холодным, если температура его частей отличается от температуры окружающего воздуха не более чем на ± 3 °С.
Соотношение продолжительной и часовой мощностей определяет эффективность вентиляции тягового двигателя. Часовой режим характеризует теплоемкость двигателей и используется для их сравнительной оценки и проведения контрольных испытаний.
Для большинства современных тяговых двигателей удельный расход воздуха (отношение полного расхода воздуха к потерям мощности в двигателе) равен 2,1—2,7 м3/мин на 1 кВт.
Повышение теплопроводности изоляционных материалов, совершенствование конструкции и технологии изготовления обмоток, рациональное конструктивное выполнение воздухопроводов и распределение воздушных потоков в двигателе позволяют уменьшить размеры двигателя, что уменьшает разницу между значениями часового и продолжительного тока.
На отечественных электровозах дорог постоянного тока тяговые двигатели имеют мощность 400—750 кВт на одну колесную пару. У тяговых двигателей электровозов переменного тока мощность на одну колесную пару составляет 700—835 кВт; планируется ее увеличение до 900—1100 кВт. Увеличить мощность на ось на электровозах переменного тока возможно, потому что их тяговые двигатели соединены, как правило, параллельно, а это позволяет реализовать более высокий коэффициент сцеп-
ления и снижает опасность разносного боксования. Для пассажирских электровозов применяют тяговые двигатели мощностью 400—850 кВт.
Моторные вагоны электропоездов имеют тяговые двигатели мощностью 165— 240 кВт.
Справочник
Типовые режимы работы электродвигателя 09.07.2006 14:22
Определение номинальных данных:
для типовых режимов S1– S8 за номинальную мощность принимают установленное значение постоянной нагрузки в ваттах:
для типового режима S9 за номинальную мощность принимают значение, соответствующее полной нагрузке.
Если электродвигатель предназначен для работы в непериодических режимах при изменяющихся нагрузках и с изменяющейся частотой вращения, включая перегрузки, то номинальные данные для типового непериодического режима должны базироваться на типовом режиме S9.
Продолжительный режим работы — типовой режим S1
Продолжительный режим работы электродвигателя (S1) – режим работы с постоянной нагрузкой и продолжительностью, достаточной для достижения теплового равновесия, см. рис. (N – работа при постоянной нагрузке; Omax— максимальная достигнутая температура).
Стандартный режим для большинства асинхроных общепромышленых электродвигателей
Кратковремнный режим работы — типовой режим S2
Кратковременный режим (типовой режим S2) – режим работы электродвигателя с постоянной нагрузкой в течение определенного времени, недостаточного для достижения теплового равновесия, за которым следует состояние покоя в течение времени, достаточного для того, чтобы температура машины сравнялась с температурой охлаждающей среды с точностью до 2 К, см. рис. (N – работа при постоянной нагрузке; Omax– максимальная температура, достигнутая в течение цикла).
В соответствии с ГОСТ 183 длительность периода неизменной номинальной нагрузки 10, 30, 60 и 90 мин.
Периодический кратковременный режим работы — типовой режим S3
Периодический кратковременный режим (типовой режим S3) – последовательность одинаковых рабочих циклов, каждый из которых состоит из периода работы с постоянной нагрузкой и периода покоя, см. рис. (N – работа при постоянной нагрузке; R – состояние покоя; Omax– максимальная температура, достигнутая в течение цикла).
В этом режиме цикл работы таков, что пусковой ток не оказывает заметного влияния на превышение температуры. Продолжительность цикла недостаточна для достижения теплового равновесия.
Продолжительность включения (ПВ), %: ПВ = 100 N/(N+R).
В соответствии с ГОСТ 183 продолжительность включения (ПВ) 15, 25, 40 и 60 %; продолжительность одного цикла принимают равной 10 мин.
Периодичекий кратковременный режим с пусками — типовой режим S4
Периодический кратковременный режим электродвигателя с пусками (типовой режим 54) – последовательность одинаковых рабочих циклов, включающих достаточно длительный период пуска, период работы с постоянной нагрузкой и период покоя, см. рис. (D – пуск; N – работа при постоянной нагрузке; R – состояние покоя; Omax– максимальная температура, достигнутая в течение цикла).
Продолжительность включения, %: ПВ = 100 (D+N) /(D+N+R).
В соответствии с ГОСТ 183 продолжительность включений (ПВ): 15, 25, 40 и 60%; число включений в час 30, 60, 120 и 240 при коэффициенте инерции FI, равном 1,2; 1,6; 2,0; 2,5; 4,0; 6,3 и 10.
Периодический кратковременный режим с электрическим торможением — типовой режим S5
Периодический кратковременный режим с электрическим торможением (типовой режим S5) – последовательность одинаковых рабочих циклов электродвигателя, каждый из которых состоит из периода пуска, периода работы с постоянной нагрузкой, периода быстрого электрического торможения и периода покоя, см. рис. (D –пуск; N – работа при постоянной нагрузке: R – состояние покоя; Omax– максимальная температура, достигнутая в течение цикла; F –электрическое торможение). Продолжительность цикла недостаточна для достижения теплового равновесия.
Продолжительность включения, %: ПВ=100(Д+ N+ F)/(D+ N + F + К).
В соответствии с ГОСТ 183 продолжительность включения (ПВ) 15, 25, 40 и 60%; число включений в час 30, 60, 120 и 240 при коэффициенте инерции равном 1,2;. 1,6; 2,0; 2,5 и 4,0.
Периодический непрерывный режим с кратковременной нагрузкой — типовой режим электродвигателя S6
Периодический непрерывный режим работы электродвигателя с кратковременной нагрузкой – последовательность одинаковых рабочих циклов, каждый из которых состоит из периода работы с постоянной нагрузкой и периода холостого хода, см. рис. (N – работа при постоянной нагрузке; V – холостой ход; Omax– максимальная температура, достигнутая в течение цикла). Период покоя отсутствует. Продолжительность цикла недостаточна для достижения теплового равновесия.
Продолжительность включения, %: ПВ = 100 N/(N+ V).
В соответствии с ГОСТ 183 продолжительность включения (ПВ) 15, 25, 40 и 60%; продолжительность одного цикла принимают равной 10 мин.
Периодический непрерывный режим работы электродвигателя с злектрическим торможением — типовой режим S7
Периодический непрерывный режим с электрическим торможением (типовой режим S7) – последовательность одинаковых рабочих циклов, каждый из которых состоит из периода пуска, периода работы с постоянной нагрузкой и периода электрического торможения, см. рис. (D – пуск; N – работа при постоянной нагрузке; F – электрическое торможение; Omax– максимальная температура, достигнутая в течение цикла). Период покоя отсутствует. Продолжительность цикла недостаточна для достижения теплового равновесия. Продолжительность включения ПВ = 100%. В соответствии с ГОСТ 183 число реверсов при электрическом торможении в час 30, 60, 120 и 240 при коэффициенте инерции FI, равном 1,2; 1,6; 2,0; 2,5 и 4,0.
Периодический непрерывный режим с одновременным изменением нагрузки и частоты вращения электродвигателя — типовой режим S8
Периодический непрерывный режим с одновременным изменением нагрузки и частоты вращения (типовой режим S8) – последовательность одинаковых рабочих циклов, каждый из которых состоит из периода работы с постоянной нагрузкой, соответствующей заданной частоте вращения, за которым следует период или несколько периодов работы с другими постоянными нагрузками, соответствующими различным частотам вращения (которые достигаются, например, изменением числа полюсов в случае асинхронных двигателей), см. рис. (F1, F2 — электрическое торможение; D –пуск; N1, N2, N3 – работа при постоянных нагрузках; Omax– максимальная температура, достигнутая в течение цикла). Период покоя отсутствует Продолжительность цикла недостаточна для достижения теплового равновесия.
ПВ = 100 (D + N1) (D + N1 + F1+ N2+ F2+ N3);
ПВ = 100 (F1 + N2) (D + N1 + F1+ N2+ F2+ N3);
ПВ = 100 (F2 + N3) (D + N1 + F1+ N2+ F2+ N3);
В соответствии с ГОСТ 183 число циклов в час 30, 60, 120 и 240 при коэффициенте инерции FI равном 1,2; 1,6; 2,0; 2,5 и 4,0.
Режим работы электродвигателя с непериодическим изменением частоты вращения и нагрузки — типовой режим S9
Режим с непериодическими изменениями нагрузки и частоты вращения (типовой режим S9) –режим работы, при котором нагрузка и частота вращения обычно изменяются непериодически в пределах допустимого рабочего диапазона, см. рис. (D – пуск; L – работа при переменной нагрузке; F –электрическое торможение; R – состояние покоя; S – работа при перегрузке; Ср – полная нагрузка,Omax– максимальная температура, достигнутая в течение цикла). Этот режим часто включает перегрузки, которые могут значительно превышать полную нагрузку.
Для типового режима электродвигателя S9 значения, соответствующие полной нагрузке, необходимо рассматривать в качестве основы для определения перегрузки.
Режимы работы электрических машин
Режим работы электрической машины — это установленный порядок чередования периодов, характеризуемых величиной и продолжительностью нагрузки, отключений, торможения, пуска и реверса во время ее работы.
Режимы работы электродвигателей в электроприводах различных рабочих машин разнообразны и определяются технологическими процессами, реализуемыми этими рабочими машинами. Для иллюстрации этих режимов работы используют нагрузочные диаграммы.Такая диаграмма представляет собой графически выраженную зависимость параметра, характеризующего нагрузку приводного двигателя (мощности Р, момента М или силы потребляемого тока I) от продолжительности t отдельных этапов, составляющих время работы электропривода. В действительности нагрузочная диаграмма двигателя может иметь вид графика любой формы: прямой горизонтальной линии, если нагрузка двигателя в рассматриваемый отрезок времени не изменялась, либо кривой линии с плавным переходом от одного уровня нагрузки к другому, если нагрузка изменялась. Плавность перехода уровней нагрузки обусловлена инерционностью процессов в электроприводе. Для упрощения расчета требуемой мощности двигателя криволинейный график нагрузочной диаграммы разбивают на прямолинейные участки, в пределах которых нагрузка условно остается неизменной (рис. 2.10). Чем больше участков с различной нагрузкой, тем меньше ошибка такой замены, но тем сложнее последующие расчеты.
Согласно действующему стандарту ГОСТ 183—74 существует три основных режима работы двигателей, различающиеся характером изменения нагрузки.
Продолжительный режим S1
1. Продолжительный режим S1 — когда при неизменной номинальной нагрузке Рном работа двигателя продолжается так долго, что температура перегрева всех его частей успевает достигнуть установившихся значений τуст (тау установившееся).
Различают продолжительный режим с неизменной нагрузкой Р = const (рис. 2.11, а) и продолжительный режим с изменяющейся нагрузкой (рис.2.11, б). Например, электроприводы насосов, транспортеров, вентиляторов работают в продолжительном режиме с неизменной нагрузкой, а электроприводы прокатных станков, металлорежущих станков и т.п. работают в продолжительном режиме с изменяющейся нагрузкой.
Кратковременный режим S2
2. Кратковременный режим S2 — когда периоды неизменной номинальной нагрузки чередуются с периодами отключения двигателя (рис. 2.11, в).
При этом периоды работы (нагрузки) двигателя tр настолько кратковременны, что температуры нагрева всех частей двигателя не достигают установившихся значений, а периоды отключения двигателя настолько продолжительны, что все части двигателя успевают охладиться до температуры окружающей среды (допускается превышение температуры не более чем на 1 ºС).
Стандартом установлена длительность периодов нагрузки 10; 30; 60 и 90 мин. В условном обозначении кратковременного режима указывается продолжительность периода нагрузки, например S2 — 30 мин.
В кратковременном режиме работают электроприводы шлюзов, разного рода заслонок, вентилей и других запорных устройств, регулирующих подачу рабочего вещества (нефть, газ, вода и др.) посредством трубопровода к объекту потребления.
Повторно-кратковременный режим S3
3. Повторно-кратковременный режим S3 — когда кратковременные периоды работы двигателя tр чередуются с периодами отключения двигателя (паузами) tп, причем за период работы tp превышение температуры не успевает достигнуть установившихся значений, а за время паузы части двигателя не успевают охладиться до температуры окружающей среды. Общее время работы двигателя в повторно-кратковременном режиме разделяется на периодически повторяющиеся циклы продолжительностью
При повторно-кратковременном режиме работы график нагревания двигателя имеет вид пилообразной кривой (рис. 2.11, г). При достижении двигателем установившегося значения температуры перегрева, соответствующего повторно-кратковременному режиму τуст.к, температура перегрева двигателя продолжает колебаться от τmin до τmax . При этом τуст.к меньше установившейся температуры перегрева, которая наступила бы, если режим работы двигателя был продолжительным (τуст.к
РЕЖИМ РАБОТЫ АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ.
При выборе электродвигателя следует учитывать режим работы электродвигателя. В технических каталогах производителей указанны параметры электродвигателя при режиме работы S1 кроме двигателей с повышенным скольжением. Электродвигатель работающий в режимах S2 или S3 допускает большую мощность подключения на валу. Например при режиме S2 мощность может быть увеличена на 50 % от номинальной на 10 минут работы электродвигателя, на 25% на 30 минут работы и на 10 % на 90 минут работы. Режим работы электродвигателя S3 применяется для электродвигателей повышенного скольжения.
Международная классификация предусматривает 8 номинальных режимов работы электродвигателя с условными обозначениями S1 — S8 .
Продолжительный режим работы электродвигателя S1 — работа машины при неизменной нагрузке достаточно длительное время для достижения неизменной температуры всех ее частей.
Кратковременный режим работы электродвигателя S2 — работа машины при неизменной нагрузке в течение времени, недостаточного для достижения всеми частями машины установившейся температуры, после чего следует остановка машины на время, достаточное для охлаждения машины до температуры, не более чем на 2°С превышающей температуру окружающей среды.
Для кратковременного режима работы нормируется продолжительность рабочего периода 15, 30, 60, 90 мин.
Повторно-кратковременный режим работы электродвигателя S3 — последовательность идентичных циклов работы, каждый из которых включает время работы при неизменной нагрузке, за которое машина не нагревается до установившейся температуры, и время стоянки, за которое машина не охлаждается до температуры окружающей среды.
В этом режиме цикл работы таков, что пусковой ток не оказывает заметного влияния на превышение температуры. Продолжительность цикла недостаточна для достижения теплового равновесия и не превышает 10 мин. Режим характеризуется величиной продолжительности включения в процентах:
ПВ = (tр / (tр + tп)) х 100%
Нормируемые значения продолжительности включения: 15, 25, 40, 60 %, или относительные значения продолжительности рабочего периода: 0,15; 0,25; 0,40; 0,60.
Для режима S3 номинальные данные соответствуют только определенному значению ПВ и относятся к рабочему периоду.
Режимы работы электродвигателей S1 — S 3 являются в настоящее время основными, номинальные данные на которые включаются отечественными производителями в каталоги и паспорт машины.
Номинальные режимы работы электродвигателей S4 — S8 введены для того, чтобы впоследствии упростить задачу эквивалентирования произвольного режима номинальным, расширив номенклатуру последних.
Повторно-кратковременный режим работы электродвигателя с влиянием пусковых процессов S4 — последовательность идентичных циклов работы, каждый из которых включает время пуска, достаточно длительное для того, чтобы пусковые потери оказывали влияние на температуру частей машины, время работы при постоянной нагрузке, за которое машина не нагревается до установившейся температуры, и время стоянки, за которое машина не охлаждается до температуры окружающей среды.
Повторно-кратковременный режим работы электродвигателя с влиянием пусковых процессов и электрическим торможением S5 — последовательность идентичных циклов работы, каждый из которых включает достаточно длительное время пуска, время работы при постоянной нагрузке, за которое машина не нагревается до установившейся температуры, время быстрого электрического торможения и время стоянки, за которое машина не охлаждается до температуры окружающей среды.
Перемежающийся режим работы электродвигателя с влиянием пусковых процессов и электрическим торможением S7 — последовательность идентичных циклов, каждый из которых включает достаточно длительный пуск, работу с постоянной нагрузкой и быстрое электрическое торможение. Режим не содержит пауз.
Перемежающийся режим работы электродвигателя с периодически изменяющейся частотой вращения S8 — последовательность идентичных циклов, каждый из которых включает время работы с неизменной нагрузкой и неизменной частотой вращения, затем следует один или несколько периодов при других постоянных нагрузках, каждой из которых соответствует своя частота вращения (например, этот режим реализуется при переключении числа пар полюсов асинхронного двигателя). Режим не содержит пауз.
