РАЗДЕЛ 2
АНАЛИТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЖИМОВ РАБОТЫ АСИНХРОННЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ ПОД ВЛИЯНЕМ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ
2.1. Постановка вопроса
Агропромышленный комплекс, включающий в себя производство и переработку сельскохозяйственной продукции, отличается от промышленного производства в части электроснабжения тем, что сети имеют большую протяженность; к одним и тем же электрическим сетям подключена производственная и бытовая нагрузка, последняя носит явно выраженный несимметричный характер; уровень технического обслуживания электрооборудования в агропромышленном комплексе значительно ниже, чем в промышленном производстве; отсутствие инвестиций в сельскую электроэнергетику приводит к снижению надежности электропитания потребителей и качества электрической энергии.
В эксплуатационных условиях сельскохозяйственного производства на электродвигатели привода рабочих машин технологических линий оказываются следующие воздействия [5]:
- перегрузки на валу;
- понижение напряжения;
- несимметрия напряжения;
- неполнофазное питание;
- повышение напряжения;
- повышение температуры окружающей среды;
- ухудшение условий охлаждения;
- толчки, удары, вибрации со стороны рабочих машин;
- агрессивность окружающей среды;
- повышение влажность окружающей среды.
Указанные эксплуатационные воздействия могут проявляться как одиночно, так и совокупно в различном сочетании. В последнем случае режим работы электродвигателя резко ухудшается.
Основной характеристикой эксплуатационной надежности электродвигателя является его работоспособность, т.е. состояние, позволяющее электродвигателю выполнять заданные функции в указанных пределах.
Для оценки работоспособности электродвигателя вводим два диагностических параметра - механическую мощность на валу электродвигателя и расход ресурса изоляции обмоток.
Механическую мощность на валу будем определять как произведение механического момента, развиваемого электродвигателем, на угловую скорость вращения ротора, т.е.
Р2 = М??,(2.1)где М - механический момент, Н?м;
? - угловая скорость, с-1;
Р2 - механическая мощность, Вт.
Расход ресурса изоляции обмоток будем определять через скорость теплового износа изоляции. Как известно, номинальный ресурс изоляции установлен в размере 20 000 базовых часов (бч) ?7?. Поэтому расход ресурса изоляции измеряем в базовых часах за астрономический час, т.е.
?? ? = . Тогда, используя [5], имеем следующее:
(2.2)где В - коэффициент, характеризующий класс изоляции, К;
?н - абсолютная длительно допустимая температура изоляции данного класса, К;
?1 - текущая абсолютная температура изоляции обмотки, К;
?Н - номинальная скорость теплового износа изоляции, бч/ч;
? - скорость теплового износа изоляции, бч/ч.
Выразим угловую скорость вращения ротора через скольжение:
? = ?н ,(2.3)где ?н - номинальная угловая скорость электродвигателя, с-1;
s - скольжение;
sн - номинальное скольжение;
? - угловая скорость вращения ротора, с-1.
Подставим (2.3) в (2.1) и получим выражение механической мощности на валу в функции скольжения:
Р2 = М??н ?.(2.4) Введем величины, характеризующие эксплуатационные воздействия (таблица 2.1).
Таблица 2.1 - Обозначения эксплуатационных воздействий
п/пЭксплуатационное воздействиеХарактеризующая величинаосновнаяпроизводная1Перегрузка на валуМомент сопротивления рабочей машины МсКоэффициент загрузки по отношению к номинальному моменту сопротивления kз = Скольжение электродвигателя sСила тока I Таблица 2.1 (продолжение)
п/пЭксплуатационное воздействиеХарактеризующая
величинаосновнаяпроизводнаяКратность силы тока по отношению к номинальному значению k = 2Понижение напряженияДействующее значение напряжения UКратность напряжения по отношению к действующему номинальному ku = 3Несимметрия напряженияДействующие значения напряжений симметричных составляющих прямой, обратной и нулевой последовательностей
U1, U2 и U0Кратность напряжений симметричных составляющих прямой, обратной и нулевой последовательностей по отношению к номинальному фазному напряжению ku1 = ,
ku2 = , ku0 = 4Неполнофазное питаниеТо жеТо же
Таблица 2.1 (продолжение)
п/пЭксплуатационное воздействиеХарактеризующая
величинаосновнаяпроизводная5Повышение напряженияДействующее значение напряжения
UКратность напряжения по отношению к действующему номинальному ku = 6Повышение температуры окружающей средыТемпература
окружающей среды
?СР-7Ухудшение теплоотдачи электродвигателяТеплоотдача
электродвигателя
Л-8Толчки, удары, вибрация со стороны рабочих машин-Сопротивление изоляции постоянному току Ru9Агрессивность окружающей среды-То же 10Влажность окружающей среды-То же
Исследуем, как будет изменяться работоспособность электродвигателя в зависимости от эксплуатационных воздействий.
2.2. Анализ тепловых процессов в электродвигателе
Для анализа тепловых процессов будем рассматривать электродвигатель как систему двух тел: обмотки и стали ?5?. Тепловая схема замещения электродвигателя приведена на рис.2.1.
На рис.2.1 введены следующие условные обозначения:
С1 - теплоемкость обмотки, Дж/?С;
С2 - теплоемкость стали, Дж/?С;
Р1 - потери активной мощности в обмотке, Вт;
Р2 - потери активной мощности в стали, Вт;
?1 - превышение температуры обмотки, ?С;
?2 - превышение температуры стали, ?С;
Сср - теплоемкость окружающей среды, Дж/?С;
?ср - температура окружающей среды, ?С;
Л1, Л2, Л12 - тепловые проводимости соответственно между обмоткой и окружающей средой, сталью и окружающей средой, обмоткой и сталью, Дж/(с??С).
Запишем уравнения теплового баланса:
С1 + Л1?1 + Л12(?1 - ?2) = (1 + ??1)Р10;
С2 + Л2?2 + Л12(?2 - ?1) = Р2,(2.5)
(2.6)где Р10 - потери активной мощности в обмотке статора при температуре о