Выбор конструктивного исполнения электродвигателей

С учётом многообразия условий, в которых находятся на электростанциях двигатели системы СН, серьезное внимание уделяется правильному выбору двигателей по конструктивному исполнению [1, 4].

Отечественная промышленность выпускает двигатели четырёх основных форм исполнения (открытые, защищенные, закрытые, взрывозащищённые). Системы охлаждения также могут быть подразделены на четыре основные группы (естественную, принудительную продуваемую, закрытую обдуваемую и замкнутую).

Можно рекомендовать выбор конструктивного исполнения двигателей, исходя из данных микроклимата тех помещений, в которых предполагается установка рассматриваемых двигателей. С другой стороны, заранее можно считать известными места размещения в цехах ЭС рабочих машин, обеспечивающих нормальное функционирование основных агрегатов в системах топливоприготовления и топливоподачи, золоудаления, теплоснабжения промышленных предприятий и населённых пунктов. Исходя из этой предпосылки, проще рекомендовать выбор того или иного исполнения двигателей по группам рабочих машин.

В материалах проектных организаций [2], а также в [4] представлены основные типы рабочих машин и электродвигатели, предусмотренные к комплектации в качестве привода. Для механизмов тягодутьевого тракта (ДС, ДВ) рекомендуются АД серий ДАЗО, АО2, АС2; для сетевых насосов (СН) – двигатели серий А, АЗ, 2АЗМ; для питательных насосов – двигатели серий 2АЗМ, 2АВ, АТМ, АТД; для конденсатных насосов – (КН) – двигатели серий АОЗ, АОВ, АВК, 2АЗМ; для осевых насосов разного назначения – ВАН, АВ, ДВДА, ВАЗ (для привода ГЦН АЭС); для центробежных насосов разного назначения – А, 2АЗМ, ВАО, АОЗ, АВ, ДАП и др.; для привода углеразмольных и пылеприготовительных рабочих машин рекомендуются электродвигатели серий ДАЗО, АКН, АКЗ, АОЗ; для привода резервных возбудителей – двигатели серий ДА, АДН, ДАЗ, АСЗ, АТК. Как правило, на электростанциях используются АД закрытого исполнения. Для механизмов с большим начальным моментом сопротивления (транспортеры, дробилки, мельницы) рекомендуется применять АД с повышенным пусковым моментом, серий 4АР, АДО.

Определение номинальной мощности электродвигателей собственных нужд

Мощность на валу электродвигателя (расчётная мощность) определяется по параметрам рабочей машины, для привода которой используется рассматриваемый электродвигатель.

Вентиляторы (дымососы)

Расчётная мощность на валу, кВт, определяется по формуле:

(1)

где Q – расход (производительность) рабочей машины, м³/ч; H – напор (давление), кгс/м²; h_В – КПД вентилятора (дымососа), о.е.; h_пер - КПД передачи (0,98 – муфта; 0,95 – клиноременная передача; 0,9 – плоскоременная передача); при отсутствии передачи h_пер = 1,0 о.е..

Формула (1) справедлива для перемещения воздуха (газа) стандартной температуры t = 20°С. Если температура отличается от стандартной, то

(2)

где t – реальная температура перемещаемого воздуха (газа).

Установленная (номинальная) мощность электродвигателя, кВт, определяется по формуле:

 

(3)

Где К = 1,1…1,3 – коэффициент запаса с учетом условий пуска агрегата двигатель-механизм. Полученная мощность округляется до ближайшего стандартного значения. Следует отметить, что для ряда механизмов СН с тяжелыми условиями пуска (тягодутьевые механизмы) значение коэффициента К может доходить до 2.0, т.к. приходится значительно завышать мощность двигателя. В каждом конкретном случае окончательно этот вопрос решается после проверки предварительно выбранного двигателя по условиям пуска.

Насосы

Мощность, кВт,

(4)

где G – производительность, кг/ч; G = γ×Q, если γ – плотность перекачиваемой жидкости, кг/м³; Q – объемная производительность, м³/ч; Н – полный напор, м. вод. ст., h_н – КПД насоса, о.е..

Номинальная мощность двигателя определяется по формуле (3). Полученное значение мощности округляется до ближайшего стандартного.

Компрессоры

Мощность, кВт,

(5)

где Q – производительность, м³/ч; А – работа сжатия 1 м³ газа от давления 1 кгс/см² до конечного давления, кгс×м; h_к – КПД компрессора, о.е..

Исходные данные по параметрам машин могут быть заданы в каталогах и справочниках в единицах измерения, отличных от приведенных в формулах (1), (4), (5). В данном случае их придется перевести с учетом соотношений, приведенных в табл.1 [3].

Таблица 1. Соотношения единиц измерения величин

Единицы массы

1 кгс×с2/м = 9,81 кг 1 кг = 0,102 кгс×с2/м

Единицы силы

1 кгс = 9, 81 Н 1 Н = 0,102 кгс

Единицы давления

1 кгс/см2 = 735,6 мм рт. ст. = 1 атм техн. = 0,9678 атм физ. = 0, 981 бар

1 кгс/см2 = 98066,5 Па = 0,1 МПа = 10 м вод. ст.

1 мм рт. ст. = 133,3 Па = 13,6 мм вод. ст.

1 мм вод. ст. = 10-4 кгс/см2 = 9,81 Па

1 Н/м2 = 1 Па = 10-5 бар = 7,5.10-3 мм рт.ст. = 0,102 мм вод. ст.

1 бар = 1,02 кгс/см2 = 1,02 атм техн. = 750 мм рт.ст. = 105 Па = 0,1 МПа

В таблице представлены: Н – ньютон, Па – паскаль, мм вод. ст. – миллиметры водяного столба, мм рт. ст. – миллиметры ртутного столба.

2.4. Проверка предварительно выбранного двигателя по
условиям пуска

В пусковом режиме фактически участвует кинематически связанная система электродвигатель - рабочая машина, или агрегат СН. В такой ситуации задача исследования процесса изменения частоты вращения сводится к определению характера изменения частоты вращения одного из них.

В системе СН электростанций подавляющее большинство агрегатов являются вращающимися. При этом изменение частоты вращения любого элемента может быть определено из уравнения движения.

(6)

где М – вращающий момент электродвигателя, М_с – момент сопротивления рабочей машины, J_пр. – приведенный момент инерции агрегата, ω – угловая частота вращения, М_изб. – избыточный или динамический момент. Все элементы формулы (6) выражаются в именованных единицах.

В каталогах и справочниках момент инерции задается для каждого элемента вращающегося агрегата в отдельности. Частоты вращения двигателя и рабочей машины могут быть разными. В этом случае моменты инерции приводят к одной частоте вращения – частоте вращения двигателя.

(7)

С учетом того, что ω = 2×π×n/60, где n – частота вращения, об/мин, уравнение (7) запишется в виде

В справочных материалах часто вместо момента инерции J приводится значение махового момента GD². Между ними существует следующая связь [2], [4]:

если J и GD² выражены в кг×м², и

если J – в кг×м² , а GD² - в Н×м² ,

здесь g = 9,81 м/с² – ускорение свободного падения.

Чаще всего для удобства пользования уравнение движения представляют в относительных единицах. Для этого все моменты в выражении (6) приводят к номинальному моменту двигателя (М_н), а частоты вращения – к синхронной частоте вращения двигателя (n_c).

Уравнение движения примет вид:

(8)

где m_изб. – относительное значение избыточного момента, n_* - относительное значение частоты вращения, T_J – механическая постоянная времени агрегата, с.

Механическая постоянная времени агрегата может быть выражена через номинальную мощность двигателя

(9)

где Р_н – в кВт; n_c и n_н – соответственно синхронная и номинальная частота вращения двигателя, об/мин; маховой момент GD² – выражен в Н×м², а при выражении GD² в кг×м² знаменатель формулы (9) не содержит множителя 9,81.

В проектной практике для определения T_J, с встречается другое выражение:

(10)

где J_дв и J_р.м. – в кг×м²; n_с - в об/мин; Р_н – в кВт; 98,7 – переводный коэффициент.

Уравнение движения может быть записано и через скольжение (n_*=1-s):

. (11)

Уравнение движения позволяет определить длительность перехода машинного агрегата от одной частоты вращения к другой

или . (12)

Таким образом, уравнение движения позволяет определить время пуска машинного агрегата из неподвижного состояния до номинальной частоты вращения, если n_*1 = 0 и n_*2 = n_н.

2.4.1. Механическая характеристика асинхронного двигателя

Решение уравнения движения для определения времени пуска машинного агрегата предполагает использование механических характеристик двигателей m = ¦(n_*) или m = ¦(s) и механических характеристик рабочих машин m_с = ¦(n_*) или m_с = ¦(s).

Зависимость вращающего момента асинхронного двигателя от скольжения при номинальном напряжении на его зажимах может быть представлена упрощенной характеристикой [5]:

(13)

а для крупных АД еще проще:

(14)

где s – текущее значение скольжения, s_кр. - критическое скольжение, соответствующее максимальному относительному моменту (m_max=b_ном), b_ном – кратность максимального момента АД. Величина критического скольжения находится из выражения

где s_ном – номинальное скольжение, которое задается в каталогах или может быть определено по синхронной и номинальной частотам вращения по формуле s_ном = (n_c-n_н)/n_c.

Выражения для вращающего момента АД имеют большую погрешность в области скольжений 1 ³ s > s_кр. для современных мощных АД, используемых в системе СН электростанций. Поэтому рабочая характеристика, построенная по выражению (13) или (14), в указанной области уточняется по двум точкам с использованием паспортных данных. Для скольжения s =1 из каталога берется кратность пускового (начального) момента двигателя (m_нач = M_нач/M_н). Вторую корректирующую точку кривой берут для скольжения s = 0,5 по следующей рекомендации [4], [6]: m_0,5 = 1,1×m_нач. Кривая вращающего момента строится на бумаге в масштабе, удобном для практического использования (рис. 1), причем в области уточнения проводится плавная линия через названные выше точки и точку m = m_max.

Широкие возможности по проведению инженерных расчетов современных математических программных продуктов, таких как MathCad, позволяют использовать два отдельных аппроксимирующих аналитических выражения для двух вышеназванных областей моментной характеристики [15]. С помощью двух уравнений удается добиться достаточно точной аппроксимации кривой момента вращения АД.

2.4.2. Механическая характеристика рабочей машины

В общем случае изменение момента сопротивления любых вращающихся рабочих машин в функции частоты вращения может быть представлено известной зависимостью

(15)

где m_c – относительный момент сопротивления механизма (Мс/Мс_ном), m_{с нач} – относительный начальный (статический) момент сопротивления, р – показатель степени, определяемый типом рабочей машины и условиями ее работы, n – частота вращения рабочей машины.

Для упрощения и удобства анализа уравнения движения момент сопротивления рабочей машины выражают в долях номинального момента двигателя, а частоту вращения рабочей машины – в долях синхронной частоты вращения двигателя. В этом случае выражение (15) согласно [5] приобретает вид

(16)

где к_з = Р / Р_н – коэффициент загрузки, равный отношению расчетной мощности на валу рабочей машины Р к номинальной мощности двигателя Р_н. Запись механической характеристики в функции скольжения имеет вид

(17)

Для построения обобщенных рабочих (механических) характеристик наиболее распространенных рабочих машин можно пользоваться следующими рекомендациями [7].

Характеристика момента сопротивления для дымососов и вентиляторов при полной загрузке механизма рассчитывается по формуле

(18)

где m_с.нач.= 0 ¸ 0,15.

Обобщенная характеристика момента сопротивления насосов будет иметь разный вид в зависимости от условий работы: пуск насосов на закрытую задвижку; пуск насосов при открытой задвижке на сеть, не имеющую статической составляющей напора и имеющую ее.

При пуске насоса на закрытую задвижку момент сопротивления определяется по формуле (18), но коэффициент загрузки при этом рассчитывается по выражению

(19)

где Р_о – мощность, потребляемая насосом при номинальной частоте вращения и расходе, равном нулю, кВт (из каталожных или паспортных данных), Р_н – номинальная мощность двигателя, кВт.

При пуске насоса при открытой задвижке на сеть, не имеющую статического напора, момент сопротивления описывается формулой (18).

При пуске насоса при открытой задвижке на сеть, имеющую статическую составляющую напора (при наличии обратного клапана), момент сопротивления определяется следующим образом. Весь диапазон скольжения (от 1 до 0) разбивается на три интервала: 0 £ (1-s) £ 0,1; 0,1£ (1-s) £ n_M и (1-s) > n_M, где - относительное значение частоты вращения, при котором открывается обратный клапан. Причем Н₀ – напор, развиваемый насосом при номинальной частоте вращения и расходе, равном нулю (по каталожным или паспортным данным), Н_ст – статическое противодавление. Для каждого из интервалов рекомендуется пользоваться своим выражением для определения момента сопротивления:

при 0 £ (1-s) £ 0,1; (20)

при 0,1£ (1-s) £ n_M ; (21)

и при (1-s) > n_M

. (22)

В формулах (16) ¸ (20) для характеристик насосов значение m_{с нач.} рекомендуется брать равным 0,14.

Кривая момента сопротивления механизма строится на том же рисунке, что и вращающий момент двигателя, в том же масштабе (рис.1). Это позволяет графическим путем определить относительные значения избыточного момента во всем диапазоне изменяющегося скольжения.

2.4.3. Определение времени пуска агрегата

Для успешного разворота агрегата (пуска из остановленного состояния) должно выполняться условие m > m_c за весь период пуска, то есть значения избыточного (динамического) момента должны быть положительными. Время пуска должно быть ограничено, так как повышенные пусковые токи могут привести к перегреву обмоток ротора и статора сверх допустимых значений температур. Определяющим для двигателей СН является нагрев обмоток статора.

Таким образом, проверка предварительно выбранного двигателя по условиям пуска заключается в определении времени пуска и температуры обмотки статора к концу пуска. Если нагрев обмотки за пуск происходит до предельно допустимой температуры, необходимо принимать меры по сокращению времени пуска. В одних случаях это достигается изменением пускового режима рабочей машины (например, запретом пуска на одной из частот вращения у двухскоростных двигателей; пуском только при закрытых направляющих аппаратах системы регулирования производительности и т.д.), в других случаях приходится прибегать к увеличению номинальной мощности двигателя (для увеличения значения избыточного момента).

Рис.1. Механические характеристики электродвигателя и рабочей машины:
1 – m_дв, построенная по формуле; 2 – m_дв, скорректированная по каталожным данным;
3 – m_с рабочей машины

Рис.2. Характеристика избыточного момента

 

Следует помнить, что АД, применяемые на электростанциях, согласно ПТЭ должны, как правило, допускать два пуска подряд из холодного состояния или один пуск из горячего состояния. Это требование эксплуатации учитывается при расчете нагрева обмоток статора.

По рекомендациям проектных организаций [2] двигатели рабочих машин, участвующих в самозапуске, должны быть проверены по условиям пуска из неподвижного состояния при напряжении на зажимах
U = 0,8×U_н. Чтобы учесть факт пониженного напряжения на зажимах необходимо скорректировать кривую вращающего момента двигателя умножением значений относительного момента на величину Кu², где Кu = U/Uн – коэффициент напряжения. При Кu = 0,8 получаем Кu² = 0,64, а значения вращающего момента АД при пониженном напряжении m¢ = Кu²×m = 0,64×m.

Наиболее точно время пуска можно определить графоаналитическим способом. Для этого строят кривые момента двигателя и момента сопротивления рабочей машины на одном рисунке, в одном масштабе, причем кривая вращающего момента строится с учетом уровня напряжения (Кu = 1,0 или Кu = 0,8). Строится кривая избыточного момента, точки которой получаются вычитанием значений момента сопротивления из значений вращающего момента двигателя при разных значениях скольжения s_i. Кривая избыточного момента переносится на отдельный рисунок (рис.2). Весь диапазон скольжения за пуск (от 1 до 0) разбивается на интервалы Ds_i. Для практических расчетов в рамках курсового проекта Ds_i можно принять равным - 0,1, то есть диапазон разбить на 10 равных частей.

Тогда время пуска определится по выражению

, (23)

где T_J – механическая постоянная времени агрегата двигатель - рабочая машина, Ds_i = s _(i+1) - s_i – приращение скольжения, равное разности граничных значений скольжения на i-м интервале (Ds_i - отрицательное), - среднее значение относительного избыточного момента на i-м интервале скольжения.

Иногда в технических условиях, ГОСТах или каталогах дается величина среднего относительного вращающего момента двигателя за время пуска. В этом случае время пуска с достаточной степенью точности можно определить по выражению

, (24)

где m_ср. – среднее значение относительного вращающего момента за время пуска, к_з – коэффициент загрузки, m_{с ср.} – среднее значение относительного момента сопротивления за время пуска, но приведенное к номинальному моменту сопротивления рабочей машины, то есть m_с = Мс/Мс_н.

Среднее значение момента сопротивления m_{с ср.} определяется из каталогов, справочников или заводских характеристик рабочих машин. При отсутствии указанных данных можно воспользоваться следующими рекомендациями [2]:

m_{с ср.} = 1 для рабочих машин с постоянным моментом сопротивления; m_{с ср.} = 0,33 для рабочих машин с вентиляторной характеристикой при m_{с нач.} = 0; m_{с ср.} = 0,42 для рабочих машин с вентиляторной характеристикой при m_{с нач.} = 0,15.

Последнее из приведенных значений может быть использовано и для насосов, работающих на закрытую задвижку или с открытой задвижкой на сеть без статического напора (противодавления).

2.4.4. Определение нагрева обмотки статора за время пуска

Превышение температуры обмотки статора за время пуска (для одного пуска из холодного состояния) над температурой охлаждающей среды, °С, определяется по выражению [6]

, (25)

где К_i – кратность пускового тока, j – плотность тока в статорной обмотке, А/мм², К_u – коэффициент напряжения, t_п^¢ – время пуска с учетом коэффициента напряжения, с.

При количестве пусков n из холодного состояния (n > 1) используется выражение

, (26)

где К_п – коэффициент, зависящий от числа пусков, следующих друг за другом. Значения К_п представлены в табл.2.

Таблица 2. Значения коэффициентов Кп

Число пусков, следующих друг за другом	Кп
	0,58
	0,42

Должно выполняться условие J £ J_доп., где J_доп. – предельно допустимое превышение температуры обмотки статора над температурой охлаждающей среды. Значения J_доп. (ГОСТ 183-74) в зависимости от класса нагревостойкости применяемой в двигателе изоляции приведены в табл.3.

Таблица 3. Значения допустимых превышений температуры обмотки статора

Класс нагревостойкости изоляции	A	E	B	F	H
Jдоп., °С

Пример выбора электродвигателя к дымососу блока 300 мВт приведен в приложении 1. Каталожные параметры мощных тягодутьевых механизмов приведены в приложении 5.

⇐ Предыдущая123456789Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: