Мир инженера

информация для инженеров и проектировщиков

Режимы работы асинхронного двигателя

Приветствую тебя, дорогой и уважаемый читатель сайта “world-engineer.ru”. В одной из статей посвященной шаровым кранам с электроприводом я затронул вопрос о работе асинхронного двигателя и пообещал рассказать о нём в другой статье. Так что в этой статье вы узнаете принцип работы асинхронного двигателя.

Асинхронный двигатель предназначен для работы в продолжительном режиме работы (условное обозначение S1), при котором нагрузка, приложенная к валу и условия охлаждения двигателя практически постоянны в промежутке времени, достаточном для нагрева двигателя до установившейся температуры.

Правильный расчет усредненных величин КПД и коэффициента мощности особенно важен при выборе геометрических размеров, расчета потерь, нагрева и охлаждения, и выборе установленной мощности стандартных двигателей, применяемых для работы в кратковременных и повторно-кратковременных режимах.

Для асинхронных двигателей совокупность кратковременных, повторно-кратковременных и перемежающихся режимов работы подразделяется на 7 групп с условными обозначениями S2…S8.

Кратковременный режим (S2), режим при, котором двигатель не успевает достигнуть номинальной температуры нагрева частей за время работы при постоянной нагрузке, и успевает охладиться до температуры окружающей среды за время пауз.

Повторно-кратковременный режим (S3) работы асинхронного двигателя, характерен для условий работы, при котором продолжительность цикла (10 мин) намного больше времени пуска (т.е. переходной процесс при пуске не влияет на нагрев двигателя и не учитываются). Продолжительность рабочего времени в течении цикла, задается в процентах от времени цикла 5%, 25%, 40% и 60%.

В режимах (S4), в отличие от (S3), продолжительность цикла настолько мала, что процессы, происходящие во время пуска (увеличение потерь из за многократного превышения величин пусковых токов над номинальным), оказывают непосредственное влияние на нагрев машины. Длительность цикла, в этом случае, определяется продолжительностью рабочего времени в процентах от времени цикла и числом включений в час. Поскольку характер переходного процесса во многом определяется динамической нагрузкой на валу, дополнительно задается допускаемый коэффициент инерции (отношение суммы моментов инерции ротора и приведенного к скорости вращения ротора, момента инерции приводного механизма к моменту инерции ротора), на который рассчитан двигатель из условий нормального нагрева.

Режимы работы асинхронного двигателя, при которых в конце каждого цикла предусмотрено электрическое торможение двигателя обозначаются (S5). Продолжительности включения в этом случае, рассчитывается с учетом времени электрического торможения.

Перемежающийся режим (S6) повторяет условия работы режима (S3) с учетом того что, в этом режиме допускается реверс с электрическим торможением или переход на другую скорость вращения. Учет пусковых потерь на нагрев двигателя не производится.

Перемежающийся режим (S7) повторяет условия работы режима (S4) с учетом того что, в этом режиме допускается реверс с электрическим торможением или переход на другую скорость вращения.

Перемежающийся режим (S8) повторяет условия работы режима (S7) с учетом того что, в этом режиме допускается работа двигателя на нескольких разных скоростях вращения с разными величинами нагрузки на валу.

Особенности определения установленной мощности в кратковременном (S2) и повторно-кратковременном режиме эксплуатации (S3, S6)

В кратковременном (S2) и повторно-кратковременных режимах эксплуатации (S3, S6) электродвигатели могут работать с большей установленной мощностью, чем в длительном режиме работы (S1).

Возможное значение величины превышения мощности рекомендуется определять из условия сохранения перегрузочной способности асинхронного двигателя по максимальному моменту в пределах:

При больших числах включения и больших маховых массах определение мощности рекомендуется производить исходя из:

относительной продолжительности включения;
частоты включения;
величины внешнего момента инерции;
нагрузочной диаграммы привода;
типа торможения.

Рекомендуемые коэффициенты превышения установленной мощности

В настоящее время отменен ГОСТ 183-74 Машины электрические вращающиеся. Общие технические условия. И теперь взамен этого ГОСТ, действует ГОСТ Р 52776-2007 (МЭК 60034-1-2004) Машины электрические вращающиеся. Номинальные данные и характеристики.

Согласно, актуальному ГОСТ режим работы асинхронного двигателя (электрических машин) выбирается из типовых режимов от S1 до S10:

S1 – продолжительный режим. Работа асинхронного двигателя с постоянной нагрузкой и продолжительностью;

S2 – кратковременный режим. Работа асинхронного двигателя с постоянной нагрузкой в течении определенного времени. Вариант обозначения S2 60 мин;

S3 – повторно-кратковременный периодический режим. Работа асинхронного двигателя при последовательных одинаковых рабочих циклах. Вариант обозначения S3 25%;

S4 – повторно-кратковременный периодический режим с пусками;

S5 — повторно-кратковременный периодический режим с электрическим торможением;

S6 — непрерывный периодический режим с кратковременной нагрузкой;

S7 — непрерывный периодический режим с электрическим торможением;

S8 — непрерывный периодический режим с взаимозависимыми изменениями нагрузки и частоты вращения;

S9 — режим с непериодическими изменениями нагрузки и частоты вращения;

Читать еще: Что такое xer для двигателя

S10 — режиме дискретными постоянными нагрузками и частотами вращения.

Более подробную информацию можете изучить в ГОСТ Р 52776-2007 (МЭК 60034-1-2004) Машины электрические вращающиеся. Номинальные данные и характеристики.

Режимы работы ЭП

Нагрев и охлаждение двигателей в ЭП

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

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

Решение этого уравнения дает зависимость изменения превышения температуры двигателя во времени. Зависимости имеет экспоненциальный характер (рис. 17.2):

где: rуст — установившееся превышение температуры, °С,

rнач — начальное превышение температуры, °С,

Т – постоянная времени нагревания,

Рис. 17.2. Кривые нагрева и охлаждения электродвигателя

Номинальные режимы работы электродвигателей

Режимы работы стандартизованы. Различают три основных режима: длительный (обозначается символом S1), кратковременный (S2) и 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 и 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. 17.3.

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

Рис. 17.3. Нагрузочные диаграммы для длительного режима с постоянной нагрузкой (а) и с переменной нагрузкой (б)

охлаждающей среды (рис. 17.4, 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. Примеры нагрузочных диаграмм и кривых нагрева для этих режимов приведены на рис. 17.4.

Рис. 17.4. Нагрузочные диаграммы и диаграммы нагрева для кратковременного режима работы (а) и для повторно-кратковременного режима работы (б)

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

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

Двигатель мощностью PН1 с ПВ1 может быть использован при другой ПВ2. Мощность Р2, на которую можно при этом нагружать двигатель, определяется приближенным соотношением

После несложной процедуры регистрации Вы сможете пользоваться всеми сервисами и создать свой веб-сайт.

16.3. Основные режимы работы электроприводов

Длительность работы и ее характер определяют рабочий режим привода. Для электропривода принято различать три основных режима работы: продолжительный, кратковременный и повторно-кратковременный.

Продолжительный режим (согласно ГОСТ 183-74) — это режим работы такой длительности, при которой за время работы двигателя температура всех устройств электропривода достигает установившегося значения (рис. 16.4, а).

В качестве примеров механизмов с длительным режимом работы можно назвать центробежные насосы насосных станций, вентиляторы, компрессоры, конвейеры непрерывного транспорта, дымососы, бумагоделательные машины, машины для отделки тканей и т. д.

При кратковременном режиме рабочий период относительно краток (рис. 16.4, б) и температура двигателя не успевает достигнуть установившегося значения. Перерыв же в работе исполнительного механизма достаточно велик для того, чтобы двигатель успевал охладиться практически до температуры окружающей среды. Такой режим работы характерен для самых различных механизмов кратковременного действия: шлюзов, разводных мостов, подъемных шасси самолетов и многих других.

При повторно-кратковременном режиме (рис. 16.4, в) периоды работы чередуются с паузами (остановка или холостой ход), причем ни в один из периодов работы температура двигателя не достигает установившегося значения, а во время снятия нагрузки двигатель не успевает охладиться до температуры окружающей среды.

Характерной величиной для повторно-кратковременного режима является отношение рабочей части периода Т’ ко всему периоду Т. Эта величина именуется относительной продолжительностью работы (ПР %) или относительной продолжительностью включения (ПВ %). Примерами механизмов с повторно-кратковременным режимом работы могут служить краны, ряд металлургических станков, прокатные станы, буровые станки в нефтяной промышленности и т. д.

Читать еще: Что такое двигатель azm

В соответствии с основными видами режимов работы электропривода различно определяется и номинальная мощность электродвигателя. Условия нагревания и охлаждения двигателя при повторно-кратковременном режиме существенно отличаются от условий работы в продолжительном режиме.

Например, условия охлаждения обмотки возбуждения двигателя постоянного тока параллельного возбуждения практически остаются неизменными и при остановке двигателя, а условия охлаждения якоря при остановке сильно ухудшаются. По этой причине двигатель постоянного тока, рассчитанный для продолжительного режима на неизменные условия охлаждения, при повторно-кратковременном режиме будет использоваться нерационально; при предельно допустимом нагреве обмотки якоря и коллектора обмотка возбуждения будет нагреваться значительно ниже допустимой температуры.

Следовательно, целесообразно для повторно-кратковременного режима изготовлять двигатели специальных типов. Руководствуясь этим, электротехническая промышленность изготовляет крановые электродвигатели, рассчитанные на три различных номинальных режима: продолжительный, кратковременный и повторно-кратковременный. Соответствующее указание делается на табличке электродвигателя; под его номинальной мощностью следует понимать полезную механическую мощность на валу в течение времени, соответствующего его номинальному режиму, т. е. продолжительно, кратковременно или же повторно-кратковременно при определенной продолжительности включения.

В течение весьма короткого промежутка времени двигатель может развивать мощность значительно большую, чем номинальная. Мгновенная перегрузочная мощность двигателя — это наибольшая мощность на валу в течение весьма малого промежутка времени, развиваемая двигателем без каких-либо повреждений. Такая мощность определяется в большинстве случаев электрическими свойствами двигателя (максимальным моментом у асинхронных двигателей или условиями коммутации у двигателей постоянного тока), а иногда и механической конструкцией двигателя. Мгновенные перегрузочные свойства электродвигателя обычно характеризуются коэффициентом перегрузки по моменту λ_мом, т. е. отношением максимального кратковременно допустимого перегрузочного момента к номинальному: λ_иоы = M_max/М_ном. Для большинства электродвигателей λ_мом ≈ 2 (у специальных электродвигателей λ._мом = 3 ÷ 4).

Часто по условиям работы привода важна перегружаемость электродвигателя не мгновенная, а на определенный, относительно короткий промежуток времени. В соответствии с этим требованием указывается кратковременная перегрузочная мощность двигателя (временная мощность) — мощность, развиваемая двигателем в течение определенного ограниченного промежутка времени (5, 10, 15, 30 мин и т. д.), после чего двигатель должен быть отключен на столько времени, чтобы он успел охладиться до температуры окружающей среды. Для одного и того же двигателя соотношения между его продолжительной, перегрузочной и кратковременной перегрузочной мощностями зависят от электрической характеристики и конструкции двигателя.

Режимы работы электродвигателей S1-S10 по ГОСТ Р 52776-2007 (МЭК 60034-1-2004) Машины электрические вращающиеся

S 1 – продолжительный режим работы электродвигателя;
S 2 – кратковременный режим работы электродвигателя;
S 3 – периодический повторно-кратковременный режим работы электродвигателя;
S 4 – повторно-кратковременный режим работы электродвигателя с влиянием пусковых процессов;
S 5 – Повторно-кратковременный режим работы электродвигателя с электрическим торможением и влиянием пусковых процессов;
S 6 – перемежающийся режим работы электродвигателя – последовательность циклов;
S 7 – Перемежающийся режим работы электродвигателя с влиянием пусковых токов и электрическим торможением;
S 8 — Периодический перемежающийся режим работы электродвигателя с периодически изменяющейся частотой вращения;
S 9 — режим работы электродвигателя с непериодическими изменениями, нагрузки и частоты вращения;
S10 — режим работы электродвигателя с дискретными постоянными нагрузками и частотами вращения;

ГОСТом предусмотрено 10 номинальных режимов для электродвигателей, которые обозначаются как S 1- S 10, их описание приведено ниже.

S 1 – продолжительный режим работы электродвигателя , характеризуется работой электродвигателя при постоянной нагрузке (Р) и потерях ( Р V ) на протяжении длительного времени, пока все части машины не достигнут неизменной температуры (Ɵ max = Ɵ нагр ).

На выше приведенном рисунке Ɵ – температура внешней среды.

S 2 – кратковременный режим работы электродвигателя – это работа электродвигателя на протяжении небольшого отрезка времени (Δ t_p ) при постоянной нагрузке ( P ). При работе за определенное время (Δ t_p ) составляющие двигателя не успевают нагреваться до установившейся температуры (Ɵ _max ), после этого машину останавливают и она охлаждается до температуры внешней среды (превышая не более чем на 2 0 С).

S 3 – периодический повторно-кратковременный режим работы электродвигателя, представляет собой последовательность одинаковых циклов, работа в которых происходит при постоянной, неизменной нагрузке. За это время электродвигатель не успевает нагреться до максимальной температуры и при останове не охлаждается до температуры окружающей среды. Не учитываются потери, возникшие при запуске двигателя (пусковой ток не оказывает большого влияния), то есть они не нагревают детали машины. Длительность цикла не превышает десяти минут.

Где Δ t_p – время работы двигателя; Δ t_R – время простоя, охлаждения; Ɵ_нагр1 – температура двигателя при максимальном охлаждении во время цикла; Ɵ_нагр2 – максимальная температура нагрева.

Читать еще: Большие обороты двигателя форд мондео

Продолжительность включения (ПВ) характеризует данный режим работы и находится по формуле:

Существуют нормированные значения ПВ: 60%, 40%, 25%, 15%.

Указанные в каталогах мощности приводятся для «Продолжительного режима работы ( S 1)». Если же двигатель будет работать в других режимах, к примеру, S 2 или S 3, то нагревание его будет происходить медленнее, что позволит увеличить нагрузку на некоторое время. Для режима S 2 допускается увеличение нагрузки на 50% на период времени 10 минут, 25% — 30 минут, 10% — 90 минут. Для работы механизма в режиме S 3 лучше всего применять приводной асинхронный двигатель с повышенным скольжением.

S 1 – S 3 являются основными режимами работы, а S 4 — S 10 были введены для расширения возможностей первых, и предоставления более широкого ряда электродвигателей под конкретные задачи.

S 4 – повторно-кратковременный режим работы электродвигателя с влиянием пусковых процессов, представляется в виде циклической последовательности, в каждом цикле выполняется пуск двигателя за время (Δ t_d ), работа двигателя при постоянной нагрузке в течении (Δ t_p ), за эти промежутки времени машина не успевает достичь максимальной температуры (установившейся), а за время паузы (Δ t_R ) не остывает до внешней среды.

S 5 – Повторно-кратковременный режим работы электродвигателя с электрическим торможением и влиянием пусковых процессов включает в себя те же характерности режима, что и S 4, с осуществлением торможения электродвигателя за время (Δ t_F ).

Этот режим работы характерен для электропривода лифтов.

S 6 – перемежающийся режим работы электродвигателя – последовательность циклов, при которой работа происходит в течении времени (Δ t _р) с нагрузкой, и время (Δ t_V ) работает на холостом ходу. Двигатель не нагревается до предельной температуры.

S 7 – Перемежающийся режим работы электродвигателя с влиянием пусковых токов и электрическим торможением, особенностью является отсутствие пауз в работе, что обеспечивает 100% периодичность включения. Описывается работа в данном режиме последовательными циклами с достаточно долгим пуском (Δ t_d ), нормальной работой при неизменной нагрузке и торможением двигателя.

S 8 — Периодический перемежающийся режим работы электродвигателя с периодически изменяющейся частотой вращения. Так же как и предыдущий режим, этот не содержит пауз, соответственно ПВ=100%. Реализация данного S 8 режима происходит в асинхронных двигателях при переключении пар полюсов. Каждый последовательный цикл состоит из времени разгона (Δ t_d ), работы (Δ t _р) и торможения (Δ t_F ), но при разных нагрузках, а соответственно при разных скоростях вращения ротора ( n ).

S 9 — режим работы электродвигателя с непериодическими изменениями, нагрузки и частоты вращения. Режим, при котором обычно нагрузка и частота вращения изменяются непериодически в допустимом рабочем диапазоне. Этот режим часто включает в себя перегрузки, которые могут значительно превышать базовую нагрузку Для этого типа режима постоянная нагрузка, выбранная соответствующим образом и основанная на типовом режиме S1, берется как базовая (см. рисунок ниже) для определения перегрузки.

S10 — режим работы электродвигателя с дискретными постоянными нагрузками и частотами вращения Режим, состоящий из ограниченного числа дискретных нагрузок (или эквивалентных нагрузок) и, если возможно, частот вращения, при этом каждая комбинация нагрузки/частоты вращения сохраняется достаточное время для того, чтобы машина достигла практически установившегося теплового состояния (рисунок ниже). Минимальная нагрузка в течение рабочего цикла может иметь и нулевое значение (холостой ход, покой или бестоковое состояние). Для этого типового режима постоянная нагрузка, выбранная в соответствии с типовым режимом S1, принимается за базовую для дискретных нагрузок. Дискретные нагрузки являются, как правило, эквивалентной нагрузкой, интегрированной за определенный период времени. Нет необходимости, чтобы каждый цикл нагрузки точно повторял предыдущий, однако каждая нагрузка внутри цикла должна поддерживаться достаточное время для достижения установившегося теплового состояния, и каждый нагрузочный цикл должен интегрированно давать ту же вероятность относительного ожидаемого термического срока службы изоляции машины.

Длительность рабочего цикла, характер действующей нагрузки, ее величина, потери при пуске, торможении и во время установившегося режима работы, способ охлаждения — все эти параметры описывают режимы работы электродвигателей. Возможные комбинации выше приведенных характеристик имеют огромное разнообразие и потому изготовление двигателей для каждого из них не целесообразно. По наиболее часто использованным и востребованным характерам работы были выделены номинальные режимы, для которых собственно и изготовляются серийные электродвигатели. Параметры электрической машины, которые указаны в паспорте, характеризуют ее работу в одном из номинальных режимов. Изготовитель гарантирует нормальную, безотказную работу эл. двигателя в номинальном режиме при номинальной нагрузке. Необходимо обязательно учитывать режим работы электропривода при выборе двигателя, это обеспечит надежную работу механизма.