Эксплуатационные требования, предъявляемые к электрическим машинам

Основные теоретические сведения

Требования к электрическим машинам

Электрические машины, как и любые другие изделия, должны удовлетворять комплексу требований для успешного выполнения своих функций. Современный уровень развития электромашиностроения характеризуется большим разнообразием электрических машин, различающихся конструкцией, рабочими характеристиками, и способностью выдерживать воздействие внешних факторов. Требования, предъявляемые к этим машинам, также весьма разнообразны и делятся на два типа: технические и экономические.

Технические требования

Технические требования включают следующие аспекты:

• Надежность: Электрическая машина должна надежно работать в условиях, для которых она предназначена, в течение срока, указанного в технических условиях (ТУ).
• Производительность: Машина должна развивать требуемую мощность при номинальных значениях напряжения, частоты вращения, КПД и других параметров, указанных в паспорте.
• Безопасность и удобство эксплуатации: Машина должна быть удобной и безопасной в эксплуатации.

Однако, формулировка технических требований не содержит конкретных данных о допустимых отклонениях параметров машины от номинальных, допустимых значениях температуры окружающей среды и влажности, а также других сведений. Эти требования изложены в соответствующих Государственных стандартах, таких как ГОСТ 183-74 «Машины электрические вращающиеся», который определяет общие технические требования ко всем вращающимся электрическим машинам. Эти требования могут дополняться другими стандартами в зависимости от назначения машины (электродвигатель или генератор), ее мощности, напряжения, условий эксплуатации и т.д.

Кроме того, отдельные отрасли хозяйства могут предъявлять дополнительные технические требования, которые регламентируются отраслевыми нормами или стандартами. Возможны также индивидуальные требования, вытекающие из конкретных условий эксплуатации электрической машины.

Классификация электрических машин

Из-за разнообразия требований к электрическим машинам, они разделяются на два вида:

• Электрические машины общего назначения: Эти машины удовлетворяют совокупности технических требований, общих для большинства случаев их применения.
• Электрические машины специального назначения: Эти машины учитывают специальные требования, обусловленные особенностями эксплуатации. К таким машинам относятся двигатели для условий повышенной температуры (например, металлургическое производство), двигатели для частых пусков и торможений, взрывозащищенные и погружные двигатели для эксплуатации в особых условиях.

Экономические требования

Экономические требования к электрическим машинам сводятся к тому, чтобы процесс преобразования энергии с их применением был экономически выгодным. Главный критерий экономичности новой электрической машины — это снижение как капитальных, так и эксплуатационных затрат по сравнению с ранее используемыми машинами.

Эксплуатационные свойства

Эксплуатационные свойства электрических машин определяются следующими факторами:

• Удобство монтажа и простота управления
• Энергетические показатели (КПД, коэффициент мощности)
• Возможность ремонта

Формулируя технические и экономические требования к электрической машине, необходимо учитывать, что новая машина должна превосходить ранее применяемую по своим технико-экономическим показателям (регулировочным свойствам, КПД, габаритам, динамическим свойствам, стоимости и т.д.).

Технические требования, предъявляемые к электрическим машинам (по ГОСТ 183-66 и 12139-66)

Номинальная мощность

1. Номинальные мощности всех видов электрических машин постоянного и переменного тока мощностью до 10000 кВт должны соответствовать ГОСТ 12139-66.

Номинальное напряжение

2. Номинальные напряжения электрических машин должны соответствовать ГОСТ 721-62.

Допустимая нагрузка при несимметрии токов

3. Допускаемая нагрузка трехфазных генераторов и синхронных компенсаторов при несимметрии токов в фазах и длительной работе устанавливается таким образом, чтобы токи в фазах не превышали номинального значения, а разность токов в фазах составляла:

• Для турбо- и гидрогенераторов – не более 10% номинального тока фазы (для гидрогенераторов с жидкостным охлаждением согласно ГОСТ 5616-63 эта величина может быть более 10% и указывается в технических условиях на каждый тип гидрогенератора);
• Для всех других генераторов и синхронных компенсаторов с явно выраженными полюсами – не более 20% номинального тока фазы.

Допускаемые отклонения напряжения и частоты

4. Допускаемые отклонения напряжения и частоты от номинальных значений. Генераторы постоянного тока и синхронные компенсаторы при номинальной частоте вращения, а генераторы переменного тока, кроме того, и при номинальном коэффициенте мощности должны развивать номинальную мощность при отклонениях напряжения от номинального на ±5%. Генераторы и синхронные компенсаторы при повышении напряжения до 110% номинального должны допускать продолжительную работу с мощностью, указанной заводом-изготовителем.

Искажение синусоидальности кривой напряжения

5. Допускаемое искажение синусоидальности кривой линейного напряжения генераторов переменного тока. Коэффициент искажения синусоидальности кривой линейного напряжения при холостом ходе и номинальном напряжении для трехфазных генераторов переменного тока 50 Гц должен быть:

• Для генераторов мощностью свыше 100 кВА – не более 5%;
• Для генераторов мощностью от 10 до 100 кВА – не более 10%.

6. Для других генераторов (однофазные; другая частота) коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения указывается в стандартах или технических условиях на эти генераторы.

Ток третьей гармонической

7. При соединении обмотки статора генератора в треугольник при номинальной мощности ток третьей гармонической не должен превышать 20% номинального тока генератора.

Кратковременная перегрузка по току

8. Электрические машины должны выдерживать в нагретом состоянии следующие кратковременные перегрузки по току без повреждений и остаточных деформаций:

• Машины постоянного тока (кроме возбудителей с отношением предельного напряжения к номинальному напряжению возбуждения более 1,6) и коллекторные машины переменного тока – перегрузку по току на 50% в течение 1 мин;
• Возбудители с отношением предельного напряжения к номинальному напряжению более 1,6 – перегрузку по току на 100% (номинального тока возбуждения возбуждаемой машины) в течение 1 мин;
• Бесколлекторные машины переменного тока мощностью 0,6 кВт и выше, кроме машин с непосредственным охлаждением, – перегрузку по току на 50% в течение 2 мин, а мощностью до 0,6 кВт – в течение 1 мин;
• Бесколлекторные машины переменного тока с непосредственным охлаждением обмоток – перегрузку по току на 50% в течение 1 мин.

Повышенная частота вращения

9. Все электрические машины должны выдерживать без повреждений и остаточных деформаций в течение 2 мин следующее повышение частоты вращения:

• Электродвигатели с последовательным возбуждением постоянного и переменного тока – на 20% сверх наибольшей, указанной на щитке электродвигателя, но не менее чем на 50% номинальной;
• Электродвигатели с регулировкой частоты вращения – на 20% сверх наибольшей, указанной на щитке электродвигателя;
• Гидрогенераторы (согласно ГОСТ 5616-63) – на 75% сверх номинальной. Эта частота вращения не должна быть менее частоты вращения, достигаемой агрегатом при полном сбросе нагрузки и при исправной системе регулирования плюс 15% номинальной частоты вращения. Если угонная частота вращения меньше повышенной (1,75 номинальной), гидрогенератор должен выдерживать фактическую угонную частоту;
• Все остальные электрические машины – на 20% сверх номинальной.

Степень искрения

10. Степень искрения (класс коммутации) электрических машин. Искрение на коллекторе оценивается по степени искрения под сбегающим краем щетки по шкале (классам коммутации), указанной в стандартах или технических условиях на отдельные виды машин.

Таблица степеней искрения электрических машин

Проверка состояния коллектора и щеток

11. Состояние коллектора и щеток проверяют по истечении определенного времени работы, которое регламентируется ГОСТ 183-66 в зависимости от режима работы машины.

Допускаемые шумы, вибрации и индустриальные радиопомехи

12. Допускаемые шумы, вибрации и индустриальные радиопомехи, создаваемые электрическими машинами, должны соответствовать нормам, оговариваемым в стандартах или технических условиях.

Допускаемые отклонения от номинальных значений

13. Допускаемые отклонения от номинальных значений показателей, установленных в соответствующих стандартах или технических условиях, регламентируются ГОСТ 183-66.

Основные определения электрических машин

Нагрузка электрической машины

1. Нагрузка — это мощность, которую электрическая машина развивает в данный момент времени. Для обозначения нагрузки, равной номинальной мощности, используется термин «номинальная мощность». Нагрузка может выражаться в единицах мощности (полной или активной), процентах или долях номинальной мощности, а также током, потребляемым или отдаваемым машиной, в амперах, процентах или долях номинального тока.

Практически неизменная нагрузка

2. Практически неизменная нагрузка — это такая нагрузка, при которой отклонения тока и напряжения якоря и мощности машины от значений, соответствующих заданному режиму работы, составляют не более ±3%, а отклонения тока возбуждения и частоты — не более ±1%.

Перегрузка

3. Перегрузка — это превышение фактической нагрузки электрической машины над ее номинальной нагрузкой. Перегрузка выражается в процентах или долях номинальной нагрузки.

Коэффициент полезного действия (КПД)

4. Коэффициент полезного действия (КПД) — это отношение полезной (отдаваемой) активной мощности электрической машины к затрачиваемой (подводимой) активной мощности.

Практически симметричная трехфазная система напряжений

5. Практически симметричная трехфазная система напряжений — это такая трехфазная система, для которой напряжение обратной последовательности не превышает 1% напряжения прямой последовательности.

Практически симметричная трехфазная система токов

6. Практически симметричная трехфазная система токов — это такая трехфазная система, для которой ток обратной последовательности не превышает 5% от тока прямой последовательности.

Практически синусоидальное напряжение

7. Практически синусоидальное напряжение — это такое напряжение, у которого коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения не превышает 5%.

Коэффициент искажения синусоидальности

8. Коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения (или тока) — это отношение корня квадратного из суммы квадратов амплитуд высших гармонических составляющих данной периодической кривой к амплитуде ее основной гармонической, выраженное в процентах.

Рабочая температура

9. Рабочая температура — это практически установившаяся температура отдельной части электрической машины, соответствующая номинальному режиму работы при неизменной температуре охлаждающей среды.

Расчетная рабочая температура

10. Расчетная рабочая температура — это температура, к которой приводят сопротивления обмоток электрической машины при подсчете потерь. Она устанавливается равной 75°С для обмоток с классами нагревостойкости А, Е и В, и 115°С — для обмоток с классами нагревостойкости F и Н.

Практически холодное состояние

11. Практически холодное состояние — это состояние, при котором температура любой части электрической машины отличается от температуры охлаждающей среды не более чем на +3°С.

Превышение температуры

12. Превышение температуры — это разница между температурой отдельной части электрической машины и температурой охлаждающей среды.

Практически установившаяся температура

13. Практически установившаяся температура — это температура, изменение которой в течение одного часа не превышает 1°С при условии, что нагрузка машины и температура охлаждающей среды остаются практически неизменными.

Правое направление вращения

14. Правое направление вращения — это вращение по часовой стрелке, если смотреть на машину со стороны присоединения ее к первичному двигателю или рабочему механизму.

Коэффициент инерции

15. Коэффициент инерции — это отношение суммы приведенного к валу двигателя момента инерции приводного механизма и момента инерции ротора (якоря) двигателя к моменту инерции ротора (якоря) двигателя.

Начальный пусковой ток

16. Начальный пусковой ток машины переменного тока — это установившееся значение тока при неподвижном роторе, номинальном подведенном напряжении, номинальной частоте и соединении обмоток, соответствующем номинальному режиму работы машины.

Начальный пусковой вращающий момент

17. Начальный пусковой вращающий момент машины переменного тока — это момент вращения, развиваемый машиной при неподвижном роторе, установившемся токе, номинальном подведенном напряжении, номинальной частоте и соединении обмоток, соответствующем номинальному режиму работы машины.

Минимальный вращающий момент

18. Минимальный вращающий момент асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором в процессе пуска — это наименьший момент вращения, развиваемый в процессе разгона двигателя от неподвижного состояния до скорости, соответствующей максимальному моменту, при номинальном напряжении, номинальной частоте и соединении обмоток, соответствующем номинальному режиму работы двигателя (или пусковому режиму для однофазных двигателей с пусковой схемой).

Максимальный вращающий момент

19. Максимальный вращающий момент двигателя переменного тока — это наибольший момент вращения, развиваемый двигателем в установившемся режиме, при номинальном напряжении, номинальной частоте и соединении обмоток, соответствующем номинальному режиму работы двигателя, а для синхронного двигателя — и при номинальном токе возбуждения.

Номинальные режимы работы и параметры электрических машин

Электрические машины выполняют функции преобразования энергии: механическую энергию в электрическую (генераторы), электрическую в механическую (двигатели), а также для изменения параметров электрической энергии, таких как частота и число фаз переменного тока, преобразование постоянного тока в переменный и изменения напряжения постоянного тока (электромашинные преобразователи).

1. ГОСТ 183-66: Стандарт содержит общие технические требования к электрическим машинам переменного тока с номинальной мощностью свыше 50 Вт (или 50 ВЧА) при частотах до 10000 Гц, а также к машинам постоянного тока с номинальной мощностью свыше 50 Вт. Данный стандарт распространяется на электрические машины общепромышленного применения. Изготовление электрических машин должно соответствовать требованиям этого и других стандартов или технических условий на конкретные виды машин.
2. Номинальный режим: Это режим работы, для которого машина предназначена заводом-изготовителем. Номинальный режим указывается на заводском щитке машины.
3. Номинальные данные электрической машины: Эти параметры (мощность, напряжение, ток, частота вращения, коэффициент мощности, КПД и другие) описывают номинальный режим работы машины. Эти данные относятся к работе машины на высоте до 1000 м над уровнем моря и при температуре охлаждающей среды до +40°C и охлаждающей воды до +30°C. В стандартах могут быть указаны другие температуры охлаждающей воды, но не более +33°C. Для машин, спроектированных до утверждения ГОСТ 183-66, использовались температуры газообразной охлаждающей среды +35°C и воды +25°C. Термин «номинальный» применяется ко всем данным, касающимся номинального режима, вне зависимости от их наличия на заводском щитке машины.
4. Номинальные режимы работы электрических машин: Номинальный режим работы должен соответствовать одному из следующих основных режимов:

• а) Продолжительный режим (S1): Машина работает с постоянной нагрузкой до достижения установившихся значений температуры всех её частей при неизменной температуре охлаждающей среды.
• б) Кратковременный режим (S2): В этом режиме машина работает с неизменной номинальной нагрузкой на протяжении 10, 30, 60 или 90 минут, после чего следует период отключения. Температура частей машины не успевает достигнуть установившихся значений, а периоды остановки достаточно длительны для полного охлаждения машины.
• в) Повторно-кратковременный режим (S3): Машина работает с кратковременными периодами номинальной нагрузки, чередующимися с периодами отключения. Продолжительность включения (ПВ) составляет 15, 25, 40 или 60 %, при этом цикл обычно равен 10 минутам. Температура частей машины не достигает установившихся значений, как в рабочие периоды, так и в периоды пауз. ПВ определяется по формуле:

ПВ = \frac{N}{N + R} \cdot 100\%

где:

R — продолжительность периода отдыха.

N — продолжительность периода работы.

• г) Перемежающийся режим (S6): В этом режиме кратковременные периоды неизменной номинальной нагрузки чередуются с периодами холостого хода (паузами). Как рабочие периоды, так и паузы не настолько длительны, чтобы температура отдельных частей машины достигла установившихся значений при неизменной температуре охлаждающей среды. Перемежающийся номинальный режим работы характеризуется относительной продолжительностью нагрузки (ПН), определяемой по формуле:

ПВ = \frac{N}{N + V} \cdot 100\%

где:

V — продолжительность холостого хода.

N — продолжительность периода работы.

• а – продолжительный режим S1;
• б – кратковременный режим S2;
• в – повторно-кратковременный режим S3;
• г – перемежающийся режим S6;
• J_м – максимальная температура.

5. В дополнение к основным режимам работы S1, S2, S3 и S6, как рекомендуемые, включены следующие режимы:

• а) повторно-кратковременный режим с частыми запусками (S4) с ПВ 15%, 25%, 40% и 60%;
• б) повторно-кратковременный режим с частыми запусками и электрическим торможением (S5) с ПВ 15%, 25%, 40% и 60%;
• в) перемежающийся режим с частыми реверсами при электрическом торможении (S7);
• г) перемежающийся режим с несколькими частотами вращения (S8).

6. В дополнительных режимах установлены следующие параметры: количество включений в час (для режимов S4 и S5), количество реверсов в час (для режима S7), количество циклов в час (для режима S8). Если в стандартах или технических условиях не указано иное, эти параметры составляют 30, 60, 120 и 240 при коэффициенте инерции 1,2; 1,6; 2,5 и 4.
7. Номинальная мощность электрической машины определяется следующим образом:

• а) для генераторов постоянного тока – полезная мощность на выводах машины;
• б) для генераторов переменного тока – полная электрическая мощность при номинальном коэффициенте мощности;
• в) для электродвигателей – полезная механическая мощность на валу;
• г) для синхронных и асинхронных компенсаторов – реактивная мощность на выводах компенсатора.

Номинальная мощность генераторов постоянного тока и электродвигателей измеряется в Вт, кВт или МВт, а генераторов переменного тока и компенсаторов – в ВА, кВА или МВА. Эти параметры указываются на заводской табличке электрической машины.

8. Номинальное напряжение электрической машины – напряжение, соответствующее её номинальному режиму работы. Для трёхфазной электрической машины это её междуфазное (линейное) напряжение. Для асинхронной машины с контактными кольцами номинальное напряжение ротора определяется как напряжение разомкнутой роторной обмотки (вторичной цепи) между контактными кольцами при неподвижном роторе и включённой на номинальное напряжение статорной обмотке (первичной цепи). Для двухфазной обмотки ротора номинальным напряжением считается наибольшее из напряжений между контактными кольцами. Для системы возбуждения с независимым возбуждением номинальное напряжение соответствует напряжению независимого источника, используемого для возбуждения.
9. Номинальное напряжение возбуждения электрической машины – это напряжение на выводах или контактных кольцах обмотки возбуждения при питании её номинальным током возбуждения и сопротивлении обмотки при постоянном токе, которое должно быть приведено к расчётной рабочей температуре.
10. Номинальный ток электрической машины – ток, соответствующий её номинальному режиму работы.
11. Номинальный ток возбуждения электрической машины – ток возбуждения, соответствующий её номинальному режиму работы.
12. Номинальное изменение напряжения электрического генератора – изменение напряжения на выводах генератора при изменении нагрузки от номинальной до нулевой, при сохранении номинальной частоты вращения. Для машин с независимым возбуждением это изменение также учитывает номинальный ток возбуждения, а для машин с самовозбуждением – расчётную рабочую температуру обмотки возбуждения и неизменное сопротивление цепи обмотки возбуждения. Это изменение выражается в процентах или долях номинального напряжения генератора.
13. Номинальные условия применения – это условия, указанные в стандарте или технических условиях для данной электрической машины, при которых она должна работать с номинальной частотой вращения.
14. Номинальная частота вращения электрической машины – частота вращения, соответствующая работе машины при номинальном напряжении, мощности или моменте, частоте тока и номинальных условиях применения.
15. Номинальное изменение частоты вращения электродвигателя – это изменение частоты вращения при номинальном напряжении на его выводах (для двигателей переменного тока также при номинальной частоте) при изменении нагрузки:

• a) для двигателей, допускающих нулевую нагрузку, – от номинальной нагрузки до нулевой;
• б) для двигателей, не допускающих нулевой нагрузки, – от номинальной нагрузки до 1/4 номинальной нагрузки.

Изменение частоты вращения выражается в процентах или долях номинальной частоты вращения.