2.5.5. Moc silnika przy pracy okresowej długotrwałej (S6, S7, S8)

Jeżeli wymagany przez urządzenie napędzane przebieg obciążenia w czasie nie odpowiada ani pracy ciągłej, ani pracy okresowej przerywanej o czasie trwania cyklu równym lub mniejszym niż 10 minut, to moc znamionową silnika należy dobrać metodą technicznie uzasadnioną, z zachowaniem wymagań podanych w punktach: 2.5.1. i 2.5.8. Jeżeli nie dotyczy to napędów, dla których są produkowane specjalne silniki (np. napęd wirówek cukrowniczych), to przy doborze należy posłużyć się metodą kolejnych przybliżeń, np. metodą średnich strat.

W uzasadnionych przypadkach dopuszcza się dobór mocy silnika jedną z metod uproszczonych:

1. Metoda prądu zastępczego – oparta na założeniu, że wyznaczony prąd zastępczy Iz o stałej wartości wydzieli w silniku taką samą ilość ciepła co prąd rzeczywisty o natężeniu zmiennym. Dobór silnika powinien uwzględniać warunek:

In ≥Iz (5)

2. Metoda momentu zastępczego – oparta na założeniu, że moment obrotowy silnika jest proporcjonalny do jego prądu. Warunek ten jest zachowany, np. w silnikach komutatorowych prądu przemiennego, w silnikach indukcyjnych na roboczej części charakterystyki mechanicznej. Dobór silnika powinien uwzględniać warunek:

Mn ≥Mz (6)

3. Metoda mocy zastępczej – oparta jest na założeniu, że moc oddawana przez silnik jest proporcjonalna do prądu. Warunek ten jest zachowany w silnikach bocznikowych i obcowzbudnych prądu stałego. Warunek ten jest również zachowany w silnikach indukcyjnych z zastrzeżeniem, że praca odbywa się wyłącznie na części roboczej charakterystyki mechanicznej. Nie zaleca się stosować tej metody do silników indukcyjnych przy pracy z dużą liczbą rozruchów i hamowania. Dobór silnika powinien uwzględniać warunek:

Pn ≥Pz (7)

2.5.6. Moc silnika przy pracy nieokresowej (S9)

Jeżeli wymagany przez urządzenie napędzane przebieg obciążenia w czasie nie odpowiada ani pracy ciągłej ani pracy okresowej przerywanej, ani pracy okresowej długotrwałej, to moc znamionową silnika należy dobrać metodą technicznie uzasadnioną, z zachowaniem wymagań podanych w punktach 2.5.1. i

2.5.2. Zaleca się stosować metody doboru jak w punktach 2.5.2. – 2.5.5.

2.5.7. Moc silnika przy pracy z określonymi obciążeniami stałymi (S10)

Jeżeli przebieg pracy urządzenia napędzanego, obejmujący nie więcej niż cztery określone wartości obciążenia (lub obciążenia równoważnego), z których przy każdej wartości obciążenia, trwającego dostatecznie długo, silnik elektryczny może osiągnąć równowagę cieplną, to wartością mocy silnika, do określonych obciążeń stałych jest odpowiednio dobrana (np. metodą uśrednioną) wartość obciążenia stałego, jak dla rodzaju pracy S1 (załącznik 3, 4).

2.5.8. Moc silnika z regulacją prędkości obrotowej

Moc silnika należy dobrać na podstawie porównania mocy wymaganej przez urządzenie napędzane na najbardziej charakterystycznych stopniach prędkości z mocą silnika odpowiadającą tym stopniom prędkości. Należy przy tym uwzględnić rodzaj pracy (ciągła, dorywcza, okresowa przerywana, okresowa długotrwała, nieokresowa) oraz wymagania według punktu 2.5.1.

Przy doborze mocy silnika należy uwzględnić rodzaj przewietrzania silnika (wentylator na wale silnika lub przewietrzanie z wentylatora napędzanego oddzielnym silnikiem, niezależnym od zmiany prędkości obrotowej silnika regulowanego). Nie zaleca się stosowania silników o przewietrzaniu własnym do głębokiej regulacji obrotów.

2.6. Moment obrotowy

Przy dobieraniu silnika należy sprawdzić, czy przy dopuszczalnym spadku napięcia w sieci zasilającej, różnica między minimalnym momentem rozruchowym silnika a momentem oporowym napędzanego urządzenia jest wystarczająca do nadania w wymaganym czasie odpowiedniej prędkości obrotowej, a ponadto, czy moment obrotowy silnika jest wystarczający do pokonania krótkotrwałych oporów występujących w zwykłych warunkach pracy. Jeżeli warunki te nie są spełnione, należy wybrać inny rodzaj silnika, np. z powiększonym momentem rozruchowym lub dobrać silnik o większej mocy.

2.7. Wytrzymałość mechaniczna

Budowa silnika powinna być dostosowana do następujących sił zewnętrznych:

1. Działających wzdłuż osi wału silnika;

2. Działających prostopadle do osi silnika, np. naciąg pasa;

3. Działających na silnik przeznaczony do przybudowania lub wbudowania do urządzenia napędzanego.

3. Dobór wyposażenia do silników elektrycznych – wytyczne (załącznik 3)

3.1. Urządzenia rozruchowe

3.1.1. Dobór urządzeń rozruchowych

Dobór urządzeń rozruchowych powinien uwzględniać:

1. Rodzaj silnika i jego dane znamionowe;

2. Rodzaj urządzenia napędzanego, wartość i przebieg momentu rozruchowego, potrzebnego do jego uruchomienia, przewidywany czas rozruchu i częstość rozruchów (cykl rozruchów);

3. Warunki otoczenia w miejscu zainstalowania silnika i urządzenia rozruchowego;

4. Stopień zautomatyzowania napędu;

5. Rodzaj i parametry sieci zasilającej;

6. Rodzaj i parametry energoelektronicznego układu regulacyjnego, w przypadku jego zainstalowania.

Zaleca się, jeżeli warunki napięciowe, układ sieci zasilającej i wymagania napędzanych urządzeń na to pozwalają, stosować rozruch bezpośredni.

3.1.2. Prąd rozruchu silników

Urządzenie rozruchowe należy dobrać tak, aby stosunek największej wartości prądu rozruchu silnika podczas rozruchu urządzenia napędzanego do prądu znamionowego silnika nie przekraczał wartości podanych w tabeli 1.

Tabela 1.

Moc znamionowa silnika1) Do 5 Powyżej 5 i nie więcej niż 100 wyrażona w kW

Stosunek prądu rozruchu do prądu znamionowego silnika 2.5 2.2

1)

Dla silników o mocy znamionowej powyżej 100 kW stosunku prądów nie normalizuje się.

Dopuszcza się inny stosunek prądu rozruchowego do prądu znamionowego podany w tabeli 1., jeżeli prąd rozruchu nie przekracza następujących wartości:

• 60 A – przy napięciu zasilania 380 V, dla silników prądu przemiennego;

• 100 A – przy napięciu zasilania 220 V, dla silników prądu przemiennego;

• 40 A – przy napięciu zasilania 220 V, dla silników prądu stałego.

3.1.3. Spadek napięcia

Dobór sposobu rozruchu i urządzenia rozruchowego, powinien zapewnić takie ograniczenie prądu rozruchowego silnika, aby występujący przy jego uruchomieniu spadek napięcia nie miał ujemnego wpływu na przebieg jego rozruchu ani na pracę innych odbiorników zasilanych z tej samej sieci.

3.2. Urządzenia sterujące

3.2.1. Dobór urządzeń sterujących

Dobór urządzeń sterujących powinien uwzględniać:

1. Stopień zautomatyzowania napędu i niezawodności działania;

2. Nieprawidłowości przebiegu procesu produkcyjnego;

3. Bezpieczeństwo obsługi.

3.2.2. Wyłączanie przy sterowaniu zdalnym

Jeżeli napęd mechanizmu jest sterowany zdalnie, należy przewidzieć możliwość wyłączenia napędu z kilku miejsc (np. przy długich przenośnikach), nie mniej jednak niż z każdego stanowiska obsługi.

Ponadto należy zastosować niezależne przyciski umożliwiające awaryjne wyłączenie całego układu z jednoczesną blokadą, uniemożliwiającą uruchomienie tego układu z dowolnego stanowiska obsługi.

3.2.3. Blokady

Aby wykluczyć możliwość zakłóceń w pracy napędu, spowodowanych niewłaściwym stanem połączeń układu lub błędami obsługi, należy stosować blokady zapewniające wymaganą kolejność przebiegu połączeń (zwłaszcza w procesie rozruchu).

3.3. Przyrządy pomiarowe

Rodzaj, liczbę i jakość (klasę dokładności) przyrządów pomiarowych należy dobierać w zależności od potrzeb, uzasadnionych technicznie. W szczególności zaleca się:

1. Stosować przyrządy mierzące natężenie prądu elektrycznego, gdy obsługa ma obowiązek regulować obciążenie urządzenia napędzanego w zależności od obciążenia silnika lub niedopuszczenia do

2. przekroczenia określonej wartości prądu, podczas rozruchu kontrolowanego;
1. Stosować przyrządy mierzące napięcie, gdy jest wymagana określona wartość napięcia zasilania silnika.

3.4. Urządzenia sygnalizacyjne

Urządzenia sygnalizacyjne należy stosować w przypadku, gdy rozruch urządzeń i ich praca lub zakłócenia w pracy układu napędowego;

1. Zagrażają bezpieczeństwu życia obsługi i otoczenia:

2. Mogą spowodować poważne straty materialne wynikające z zakłóceń procesu technologicznego lub uszkodzenia kosztownych urządzeń.

Zaleca się stosować urządzenia sygnalizacyjne w układach napędowych sterowanych automatycznie lub półautomatycznie, szczególnie gdy uruchomienie procesu następuje centralnie z miejsca odległego od uruchamianych napędów.

4. Dobór zabezpieczeń do silników elektrycznych – wytyczne

4.1. Zabezpieczenia silników o napięciu znamionowym nieprzekraczającym wartości 1000 V

4.1.1. Zabezpieczenia zwarciowe

Zabezpieczenia zwarciowe należy stosować:

1. W układach prądu przemiennego – w każdej fazie sieci zasilającej;

2. W układach prądu stałego – w obu biegunach lub w jednym biegunie, jeżeli drugi jest uziemiony.

Każdy silnik powinien mieć zabezpieczenie zwarciowe oddzielne lub wspólne dla grupy urządzeń tak dobrane, aby w przypadku zwarcia w dowolnym silniku grupy zadziałało zabezpieczenie zwarciowe tej grupy. Silniki wielouzwojeniowe (wielobiegowe) można zabezpieczyć jednym układem zabezpieczeń, działającym w przypadku zwarcia w jakimkolwiek uzwojeniu.

Nie należy stosować zabezpieczeń zwarciowych w obwodach wzbudzenia.

Prąd znamionowy zabezpieczenia zwarciowego, powinien być dobrany do maksymalnej wartości początkowego prądu rozruchowego, występującego w normalnych warunkach pracy.

Przy stosowaniu urządzeń energoelektronicznych z własnym zabezpieczeniem, które odpowiada zabezpieczeniu silnika, dopuszcza się niestosowanie innego rodzaju zabezpieczeń.

4.1.2. Zabezpieczenia przeciążeniowe

W zabezpieczenia przeciążeniowe powinien być wyposażony każdy silnik elektryczny.

Dopuszcza się niestosowanie zabezpieczeń przeciążeniowych do następującej grupy silników:

1. Przeznaczonych do pracy ciągłej o mocy znamionowej nie przekraczającej wartości 10 kW,jeżeli przeciążenie silnika jest mało prawdopodobne, np. napęd pomp odśrodkowych, wentylatorów;

2. O prądzie znamionowym mniejszym od wartości 4 A, jeżeli brak zabezpieczenia nie spowoduje przy przeciążeniu uszkodzenia mechanizmu napędzanego;

3. Przeznaczonych do pracy przerywanej, przy których zabezpieczenie za pomocą wyzwalaczy lub przekaźników nie spełni swej roli, zabezpieczenie zaś czujnikami temperatury nie jest ekonomicznie uzasadnione;

4. Stanowiących zespół z własnym transformatorem, który ma własne zabezpieczenie przeciążeniowe.

W układach trójfazowych bez uziemionego punktu neutralnego (zerowego), należy stosować zabezpieczenia przeciążeniowe, co najmniej w dwóch fazach, a w układach z uziemionym punktem neutralnym (zerowym) – w trzech fazach.

W układach jednofazowych i prądu stałego należy stosować zabezpieczenia przeciążeniowe co najmniej w jednej fazie lub biegunie (nie uziemionym).

Dla silników wielouzwojeniowych zabezpieczenia przeciążeniowe należy stosować dla każdego uzwojenia, jeżeli ich prądy znamionowe są różne.

Nie należy stosować zabezpieczeń przeciążeniowych w obwodach wzbudzenia silników.

Przy pracy ciągłej prąd zabezpieczenia przeciążeniowego powinien być nie większy niż 1,1-krotna wartość prądu znamionowego silnika. Czujniki temperatury powinny być tak dobrane, aby w żadnym miejscu silnika nie została przekroczona temperatura, której wartość nie powinna być wyższa o 5°C od temperatury granicznej.

4.1.3. Zabezpieczenia zanikowe

Zabezpieczenia zanikowe należy stosować w następujących przypadkach:

1. Gdy obniżenie napięcia zasilania uniemożliwia prawidłową pracę silnika, a zabezpieczenie przeciążeniowe nie jest stosowane;

2. Gdy jest niepożądane samoczynne uruchomienie silnika po powrocie napięcia do wartości znamionowej;

3. Gdy silnik ma urządzenie rozruchowe sterowane ręcznie, a rozruch bez urządzenia rozruchowego jest niedopuszczalny;

4. Gdy proces technologiczny nie dopuszcza stosowania samorozruchu;

5. Gdy jest wskazane odłączenie określonych silników w celu umożliwienia poprawnego samorozruchu silników o wyższej kategorii ważności.

Dopuszcza się stosowanie zabezpieczenia zanikowego wspólnego dla kilku silników zasilanych z jednego źródła zasilania.

Dopuszcza się stosowanie zabezpieczeń zanikowych zwłocznych, jeżeli silniki napędzają mechanizmy

o znacznym czasie wybiegu.

4.1.4. Zabezpieczenia przed nadmiernym podwyższeniem prędkości obrotowej

Zabezpieczenia przed nadmiernym podwyższeniem prędkości obrotowej należy stosować w przypadku, gdy istnieje możliwość uszkodzenia silnika lub napędzanego mechanizmu, np. za pomocą wyłącznika odśrodkowego.

4.1.5. Zabezpieczenie silników synchronicznych przed wypadnięciem z synchronizmu

Zabezpieczenie silników synchronicznych przed wypadnięciem z synchronizmu należy stosować w przypadkach:

1. Jeżeli jest możliwy samoczynny rozruch silnika – zabezpieczenie powinno spowodować odwzbudzenie silnika poprzez przyłączenie uzwojenia wzbudzenia do gałęzi rezystora gaszącego (tłumiącego), po czym powinien nastąpić samorozruch;

2. Jeżeli samoczynny rozruch silnika nie jest możliwy – zabezpieczenie powinno spowodować odwzbudzenie i odłączenie silnika od sieci zasilającej.

4.1.6. Inne zabezpieczenia

Inne zabezpieczenia należy stosować w miarę potrzeby, jeżeli jest to celowe ze względu na pewność pracy silnika lub bezpieczeństwo obsługi, np. od porażeń prądem elektrycznym.

4.2. Zabezpieczenia silników o napięciu znamionowym powyżej 1000 V

4.2.1. Postanowienia ogólne

Należy stosować analogiczne zabezpieczenia jak w punkcie 4.1. z uwzględnieniem niżej podanych wymagań.

4.2.2. Zabezpieczenie od skutków zwarć międzyfazowych

Zabezpieczenie od skutków zwarć międzyfazowych należy wykonać za pomocą bezpieczników w połączeniu z odłącznikami mocy, zainstalowanych w trzech fazach. Jeżeli charakterystyka i wielkość znamionowa bezpieczników nie pozwalają na spełnienie warunków stawianych zabezpieczeniu (wybiorczość mocy zwarciowej), to zabezpieczenie należy wykonać:

1. Dla silników mających wyprowadzone tylko trzy końce uzwojenia – jako zabezpieczenie nadmiarowo-prądowe bezzwłoczne dwufazowe;

2. Dla silników o mocy powyżej 2000 kW i mających 6 wyprowadzonych końcówek uzwojenia – jako zabezpieczenie różnicowo-prądowe.

Zabezpieczenia te przyłączone do przekładników prądowych, zainstalowanych na doprowadzeniach do silnika, powinny spowodować wyłączenie wyłącznika mocy.

4.2.3. Zabezpieczenie od skutków zwarć doziemnych

Zabezpieczenie od skutków zwarć doziemnych należy wykonać za pomocą przekładnika składowej zerowej prądu i przekładnika nadmiarowo-prądowego bezzwłocznego. Zabezpieczenie to powinno działać:

1. Na wyłączenie wyłącznika silnika – przy silnikach przyłączonych do sieci o pojemnościowym prądzie zwarciowym doziemnym przekraczającym 10 A;

2. Na sygnał akustyczny lub optyczny – przy silnikach przyłączonych do sieci o pojemnościowym prądzie zwarciowym doziemnym nieprzekraczającym 10 A.

4.2.4. Zabezpieczenie przeciążeniowe

Zabezpieczenie przeciążeniowe należy stosować przy silnikach przeznaczonych do pracy ciągłej lub przy obciążeniu długotrwałym, których przeciążenie jest możliwe. Może ono być wykonane np. za pomocą zabezpieczenia nadmiarowo-prądowego jednofazowego zwłocznego, powodującego:

1. Sygnał;

2. Odciążenie;

3. Wyłączenie silnika; Odciążenie silnika może być zrealizowane w układzie automatyki zamkniętej.

4.2.5. Zabezpieczenie zanikowe

Zabezpieczenie zanikowe należy stosować przy silnikach ze zwłoką czasową o stopień większą od czasu własnego, szybko działających zabezpieczeń nadmiarowo-prądowych.

5. Dobór przewodów zasilających – wytyczne

5.1. Dobór przekroju przewodów

5.1.1. Przekrój przewodów zasilających silnik

Ze względu na dopuszczalną temperaturę nagrzewania i rozruch, przy doborze przekroju przewodów zasilających silnik, należy przyjąć:

1. Prąd zastępczy równy wartości prądu znamionowego silnika – w przypadku silników przeznaczonych do pracy ciągłej i przy stałym obciążeniu oraz przy doraźnych rozruchach;

2. Prąd zastępczy równy co najmniej 125% wartości prądu znamionowego silnika – w przypadku silników przeznaczonych do pracy ciągłej przy zmiennym obciążeniu i częstych rozruchach.

5.1.2. Przekrój przewodów w obwodzie wirnika silnika indukcyjnego pierścieniowego

Przy doborze należy przyjąć:

1. W przypadku, gdy silnik ma stałe przylegające szczotki – prąd zastępczy obliczony z prądu

2. znamionowego wirnika wg punktu 5.1.1.;
1. W przypadku, gdy silnik ma podnoszone szczotki oraz gdy jest doraźnie uruchamiany, zaleca się dobierać przekrój przewodów na:

• 35% wartości prądu znamionowego wirnika, jeżeli silnik w okresie rozruchu jest obciążony momentem nie większym niż 0.5 momentu znamionowego silnika;

• 50% wartości prądu znamionowego wirnika, jeżeli silnik w okresie rozruchu jest obciążony momentem równym momentowi znamionowemu lub większym.

5.1.3. Przekrój przewodów w obwodach wzbudzenia

Przekrój przewodów w obwodach wzbudzenia należy dobrać do największego prądu przewidzianego w tym obwodzie.

5.2. Przyłączanie przewodów

5.2.1. Wymagania ogólne

Przewody należy doprowadzić do silnika lub przyrządu z zachowaniem następujących wymagań:

1. Odizolowane części powinny być chronione przed dotykiem;

2. Przewody nie powinny być narażone na uszkodzenia mechaniczne i termiczne;

3. Końce przewodów przyłączone do zacisków, powinny być wystarczająco długie, aby można było w koniecznych przypadkach przesunąć silnik;

4. W przypadku doprowadzenia energii elektrycznej kablem zaleca się, dla silników o mocy powyżej 100kW, stosować głowice kablowe dobudowane do silnika lub przyrządu.

5.2.2. Doprowadzenie przewodów do zacisków silnika i jego wyposażenia

Doprowadzenie przewodów do zacisków silnika i jego wyposażenia należy wykonać tak, aby był zachowany stopień ochrony odpowiadający budowie silnika i wyposażenia wg PN-88/E-06705 lub wymaganiom stawianym dla określonej przestrzeni (miejsca zainstalowania).

5.2.3. Łączenie żył przewodów z zaciskami silnika lub przyrządu

Łączenie żył przewodów z zaciskami silnika lub przyrządu należy wykonać za pomocą połączeń śrubowych lub innym równoważnym sposobem. Połączenia powinny być zabezpieczone przed rozluźnieniem. Końce żył przewodów powinny być zaopatrzone w końcówki lub inne równoważne zakończenia.

6. Ustawienie silników – wytyczne

6.1. Wymagania ogólne

Silniki powinny być ustawione na fundamencie spoczywającym w miarę możliwości na gruncie nieruchomym lub na konstrukcji o dostatecznej wytrzymałości mechanicznej. Nie dotyczy to silników, które mogą być umocowane bezpośrednio do podłogi, ściany lub stropu, przybudowane albo wbudowane do napędzanego urządzenia. W pomieszczeniach, w których drgania pochodzące od pracy silników mogą spowodować zakłócenia w pracy innych urządzeń lub zakłócać spokój ludzi przebywających w otoczeniu, należy stosować środki tłumiące tak dobrane, aby energia drgań nie przekraczała dopuszczalnych wartości.

6.2. Wyrównywanie osi i płaszczyzn

Przy ustawianiu silników przeznaczonych do pracy przy poziomym położeniu wału, należy zwrócić uwagę na dokładne ustawienie osi wału silnika w płaszczyźnie poziomej, a silników z wałem pionowym – w pionie. Przy napędzie pasowym oraz przy napędzie przez czołowe przekładnie zębate, powinna być zachowana równoległość wału pędzącego i napędzanego, zapewniającego prawidłową pracę łożysk i przekładni. Przy montażu zespołów połączonych sprzęgłami, powinna być zachowana współosiowość obu części zespołu.

6.3. Umocowanie silników na fundamencie

Silniki ustawione na fundamencie mogą być mocowane na stałe lub w sposób przesuwny. Silniki umocowane na stałe, powinny być przykręcone śrubami do płytek fundamentowych wpuszczonych w fundament lub przykręcone do śrub zakotwionych w fundamencie. Silniki przesuwne powinny być ustawione na saniach naciągowych, zakotwionych w fundamencie.

Silniki, których wał oparty jest na oddzielnych stojakach łożyskowych i silniki trójłożyskowe, powinny być ustawione na płytach posadowych, zamocowanych kotwami do fundamentu. Zaleca się, aby na wspólnych płytach posadowych, ustawione były także zespoły złożone z silnika i połączonego z nim za pomocą sprzęgła lub przekładni zębatej napędzanego urządzenia.

7. Realizacja odbioru technicznego – wytyczne

7.1. Przygotowanie do odbioru

Przed przystąpieniem do uruchomienia silników, należy sprawdzić przez oględziny i za pomocą pomiarów, czy urządzenia są zainstalowane zgodnie z dokumentacją techniczną, a w szczególności:

1. Czy uruchomienie urządzeń nie stworzy zagrożenia w zakresie bezpieczeństwa obsługi i otoczenia lub nie spowoduje uszkodzenia urządzeń napędzanych;

2. Czy zostały spełnione wymagania w zakresie ochrony przeciwporażeniowej i stopnia ochrony;

3. Czy wartość rezystancji izolacji jest niemniejsza niż dopuszczalna;

4. Prawidłowość podłączenia do sieci zasilającej;

5. Prawidłowość doboru zabezpieczeń;

6. Prawidłowość doboru parametrów elektrycznych (mocy, napięcia, częstotliwości, prądu).

7.2. Uruchomienie bez obciążenia

Uruchomienia bez obciążenia należy wykonać, jeżeli warunki umożliwiają uruchomienie silnika przy odłączonym mechanizmie napędzanym lub łącznie z nim, lecz bez wykonywania pracy użytecznej. Po włączeniu do sieci zasilającej, należy sprawdzić:

• Właściwy kierunek wirowania;

• Prawidłowe działanie silnika i wszystkich przyrządów pomiarowych oraz wyposażenia.

7.3. Praca próbna pod obciążeniem

Zaleca się, aby podczas próby charakter obciążenia był możliwie zbliżony do rzeczywistych warunków pracy silnika.

Podczas próby należy sprawdzić:

• Prawidłowość działania silnika i wszystkich przyrządów i układów sterowania w czasie rozruchu i przy zatrzymaniu;

• Pobór mocy silnika i pobór prądu. W przypadku, gdy zmierzona wartość poboru mocy jest znacznie mniejsza od wartości mocy

zainstalowanego silnika, należy przeanalizować możliwość zastosowania silnika o mniejszej mocy. Zaleca się, aby czas pracy próbnej wynosił co najmniej 15 min.

7.4. Ocena wyników badań

Wynik badań podczas odbioru technicznego, należy uznać za dodatni, jeżeli wszystkie sprawdzenia i próby dadzą wynik pozytywny.

W przypadku ujemnego, któregokolwiek wyniku badania, odbiór nie może być dokonany. Po usunięciu przyczyny ujemnego wyniku badania, urządzenie należy przedstawić do ponownego odbioru.

7.5. Protokół z badań

Wyniki badań, podczas odbioru technicznego powinny być spisane w formie protokołu.

8. Krótkie podsumowanie

Właściwy dobór silnika polega na wytypowaniu takiego silnika, którego moc i prąd znamionowy przy pracy ciągłej, a wreszcie moment znamionowy byłyby większe od obliczonych wartości zastępczych. Dzięki takiemu doborowi silnika można przewidywać, że wartość przyrostu temperatury izolacji silnika po zakończonym cyklu pracy nie przekroczy wartości dopuszczalnej. Jeżeli natomiast przebieg obciążenia obejmuje okresy dłuższych i znaczniejszych przeciążeń, to może zachodzić obawa, że pomimo utrzymania pod koniec pracy przyrostu temperatury w granicach dopuszczalnych, były w czasie cyklu pracy chwile przekroczenia temperatury dopuszczalnej. Jeżeli jest to prawdopodobne, to należy wyznaczyć przebieg temperatury w ciągu cyklu pracy.

Dobierając typ silnika, powinniśmy nadto sprawdzić, czy jego przeciążalność momentem wystarcza, aby mógł on pokonać wszystkie szczyty momentów oporowych przy rozruchu i w czasie pracy. Ostrożność nakazuje obranie maksymalnego momentu silnika o 10 - 25% większego od chwilowych maksymalnych momentów oporowych.

ZAŁĄCZNIK 1

Model cieplny silnika

Podstawowe zależności termiczne [1, 2]

Załóżmy, że pod względem termicznym silnik elektryczny stanowi ciało, o jednorodnej strukturze, którego jednostkowa pojemność cieplna wynosi c.

Przyrost ciepła akumulowanego w silniku można wyrazić następująco:

dQs = ms · c · dT (Z1-1)

gdzie: dQs – przyrost ciepła akumulowanego w silniku [J ]; ms – masa silnika [kg];

c – pojemność cieplna

;

dT – przyrost temperatury [deg];

Natomiast ilość ciepła oddawanego do otoczenia wyraża następująca zależność:

dQodd = á · F · T · dt (Z1-2)

przy czym: dQodd – ilość ciepła oddawanego do otoczenia [J ];

á – współczynnik oddawania ciepła do otoczenia

;

F – powierzchnia oddawania ciepła [m2]; T – temperatura [deg]; dt – przyrost czasu [s];

Przyrost ciepła powstałego w silniku na skutek strat

dQss = Ó ÄP · dt (Z1-3)

przy czym:

Ó ÄP – całkowite straty mocy w silniku [W];

W stanie ustalonym pod względem termicznym, ilość wytwarzanego ciepła równa jest ilości ciepła oddanego, a więc ilość ciepła akumulowanego równa jest zeru. Wobec tego w stanie ustalonym mamy:

dQss = dQodd (Z1-4)

względnie

Ó ÄP = á · F · Tu (Z1-5)

przy czym: Tu – ustalona wartość temperatury [deg];

Z równania postaci (Z1-5) można wyznaczyć wartość ustalonego przyrostu temperatury:

(Z1-6)

W stanie termicznie nieustalonym, część ciepła wytwarzana akumulowana jest w silniku, część zaś jego oddawana jest do otoczenia. W stanie nieustalonym zatem:

dQss = dQs + dQodd (Z1-7)

lub Ó ÄP · dt = ms · c · dT + á · F · T ·dt (Z1-8) Z zależności postaci (Z1-8) można wyznaczyć:

Zakładając, że w rozpatrywanym przedziale czasowym á = const, a więc, że warunki chłodzenia są niezmienne, otrzymamy po scałkowaniu następującą zależność:

w której przez

, oznaczono termiczną stałą czasową, wyrażoną w [s]. Przy założeniu, że w chwili t = 0 � T = 0, uzyskano co następuje:

Przy poczynionych wyżej założeniach, osiągnięcie temperatury ustalonej Tu, następuje teoretycznie po nieskończenie długim czasie.

Z zależności (Z1-6) wynika, że przy stałym współczynniku oddawania ciepła á = const, czyli że w niezmieniających się warunkach chłodzenia silnika, ustalony przyrost temperatury Tu jest funkcją liniową strat w silniku:

Tu = ÓÄP · const (Z1-12)

Ogólnie straty w silniku elektrycznym składają się ze strat w uzwojeniach ÄPCu, strat w obwodzie magnetycznym ÄPFe, strat mechanicznych ÄPm, strat przewodzenia szczotek ÄPpsz (w przypadku maszyn prądu stałego) oraz strat dodatkowych ÄPdod :

ÓÄP =ÄPCu + ÄPFe + ÄPm + ÄPpsz + ÄPdod (Z1-13)

Poszczególne straty są zależne od różnych parametrów, toteż można je przedstawić następująco: ÄPCu = I 2 · const (Z1-14) ÄPFe = B 2 ·f 1,3 ·const (Z1-15) ÄPm = ÄPtarcia + ÄPwent (Z1-16) ÄPtarcia = n · const (Z1-17) ÄPwent = n2 · const (Z1-18) ÄPpsz = I · const (Z1-19) Straty dodatkowe ÄPdod wg polskich norm wynoszą w maszynach prądu stałego bez kompensacji 1%, z kompensacją 0,5%, a w maszynach asynchronicznych również 0,5% mocy znamionowej maszyny. Ponieważ przy pracy znamionowej straty w uzwojeniach są na ogół większe od pozostałych strat (ÄPCu > ÄPFe + ÄPm + ÄPpsz + ÄPdod), można więc przyjąć, że straty całkowite w silnikach bocznikowych są proporcjonalne do drugiej potęgi prądu obciążenia:

ÓÄP ≈ ÄPCu = I 2 · const (Z1-20)

Biorąc pod uwagę tylko straty w obwodzie głównym i zakładając, że moment rozwijany przez silnik jest proporcjonalny do prądu obciążenia (M = I · const), czyli że Φ = const, straty w stanie ustalonym możemy przyjąć proporcjonalne do drugiej potęgi momentu obciążeniowego

(ÓÄP

= M2 · const.)Przy założeniu, że prędkość wirowania silnika nie ulega zmianie w czasie, czyli że n = const, można

napisać, że ÓÄP ≈ P2 · const, przy czym P – moc mechaniczna na wale silnika. Uwzględniając poczynione wyżej założenia, otrzymujemy co następuje:

Tu = ÓÄP · const ≈ P2 · const (Z1-21)

Praca dorywcza

Zbadajmy przyrost temperatury silnika obciążonego stałym momentem Mm = const, pracującego przy stałej prędkości obrotowej n1 = const, przez czas nieskończenie długi. Jeśli w chwili t = 0 temperatura

silnika była równa temperaturze otoczenia, a temperatura otoczenia pozostaje bez zmiany, to wówczas:

przy czym:

Tu = P2S1 · const = (Mm·n1)2 · const (Z1-23)

Gdyby silnik przy tej samej prędkości obrotowej n1 = const obciążyć większym momentem M'm > Mm, gdy M'm = const, i w chwili t = 0 � T = 0, to w tych samych warunkach chłodzenia, przyrost temperatury w czasie byłby określony zależnością:

(Z1-24) w której: T'u = P2S2 · const = (M'm ·n1)2 · const (Z1-25) Z zależności postaci (Z1-22) i (Z1-24) można obliczyć:

(Z1-26) a wprowadzając powyższą zależność do równania postaci (Z1-24) otrzymuje się, co następuje:

Według zależności postaci (Z1-27) odbywać się będzie przyrost temperatury izolacji silnika w ciągu całego kresu pracy dorywczej S2. Z chwilą zakończenia okresu pracy i odłączenia silnika następuje okres stygnięcia silnika.

Jeżeli moc PS2 – dla pracy dorywczej, wybraliśmy większą od mocy PS1 – dla pracy ciągłej, to przyrost temperatury ustalonej T'u , byłby większy od założonego na początku. Gdy chcemy pracować dorywczo, na przykład w ciągu 30, 60 lub 90 minut, wówczas stawiamy warunek, aby przy końcu pracy przyrost temperatury nie przekroczył dopuszczalnej wartości Tu. Mając to na uwadze będziemy mogli obliczyć do-puszczalną moc danego silnika, dostosowanego do pracy dorywczej S2.

Wstawiając do równania postaci (Z1-27) współrzędne punktu A (rys. Z1-1) uzyskano, co następuje:

Stąd:

(Z1-29)

Za pomocą zależności postaci (Z1-29) możemy obliczyć moc danego silnika przy pracy dorywczej S2, jeśli znane są: moc silnika przy pracy ciągłej S1 i termiczna stała czasowa maszyny TT.

Ponadto zależność postaci (Z1-29) pokazuje nam to, że im większa jest termiczna stała czasowa silnika, tym większa też może być wartość mocy, użytej do pracy dorywczej. Wyniki obliczone przy różnych termicznych stałych czasowych zostały podane na rysunku (Z1-2).

Jeżeli poza warunkami cieplnymi weźmiemy pod uwagę poprzednio rozpatrzone okoliczności, ograniczające rozporządzalną moc silnika, a mianowicie przeciążalność momentem pM, która w najkorzystniej wykonanych silnikach prądu przemiennego nie przekracza wartości 3, to na wykresie z

rysunku Z1-2 otrzymamy nieprzekraczalną górną granicę mocy, oznaczoną prostą

.

Obszar wykresu, którym możemy się posługiwać znajduje się pod prostą

. Trzeba poza tym pamiętać, że wyprowadzenie zależności postaci (Z1-29) oparte jest na założeniach teoretycznych, odpowiadających rzeczywistości tylko w przybliżeniu, a wobec tego również wyniki obliczeń według tej zależności mają charakter jedynie orientacyjny. Pozwalają one ocenić wartości mocy przy pracy dorywczej S2, które można uzyskać z silnika danej wielkości, o znanej mocy ciągłej. W istocie silniki przeznaczone do pracy dorywczej lub pracy przerywanej mają zwykle odmienne wartości indukcji oraz gęstości prądu, a zatem ich budowa elektryczna jest również odmienna od budowy silników do pracy ciągłej.

Maszyny o budowie zamkniętej mają duże termiczne stałe czasowe i dla rozpiętości między PS2 i PS1 są dla tych silników większe aniżeli w maszynach intensywnie przewietrzanych, lekkich i o małej stałej czasowej.

Przebieg przyrostu temperatury przy pracy dorywczej S2 przedstawiono na rysunku Z1-3. Po procesie obciążenia silnika mocą PS2 w ciągu czasu tS2, silnik powinien pozostawać na biegu jałowym, dopóki jego temperatura nie zejdzie do wartości temperatury otoczenia. Do obliczeń potrzebna jest znajomość termicznej stałej czasowej silnika TT. Orientacyjne wartości termicznych stałych czasowych silników indukcyjnych klatkowych podano w tabeli Z1-1.

Tabela Z1-1.

Budowa Liczba par Moc znamionowa Termiczna stała czasowa TT w min biegunów silnika w kW

Otwarta i chroniona	2 – 12	do 250	15
Zamknięta	2	do 170	30
	4	do 400	30
	6	do 40	30
	6	40 – 300	50
	8 – 12	do 15	30
	8 – 12	15 – 250	50

Rysunek Z1-1. Wyznaczenie czasu pracy dorywczej tS2, silnika obciążonego stałym momentem, przy stałej prędkości obrotowej i niezmieniających się warunkach chłodzenia

Rysunek Z1-2. Zależność stosunku dopuszczalnej mocy dorywczej PS2 do mocy ciągłej PS1 silnika od czasu pracy, przy różnych termicznych stałych czasowych

Rysunek Z1-3. Przebieg przyrostu temperatury o mocy silnika przy pracy dorywczej S2

Przykład Z1-1

Jaka powinna być moc znamionowa silnika elektrycznego o prędkości obrotowej n = 1000 l / min = 16.661 / s, który obciążono dorywczo momentem 262 Nm, w ciągu czasu tS2 = 8.6 min.

Założono, że straty mocy w silniku są proporcjonalne do kwadratu prądu – I2, a ponieważ moment jest wprost proporcjonalny do prądu, więc są one również proporcjonalne do kwadratu momentu – M2. Przy stałej prędkości obrotowej silnika, wartość momentu M jest wprost proporcjonalna do mocy, a wobec tego straty są również proporcjonalne do kwadratu mocy P2.

Moc silnika zatem zostanie obliczona z zależności postaci (Z1-29):

w której przyjęto następujące oznaczenia: PS1 – moc przy pracy ciągłej [W]; PS2 – moc przy pracy dorywczej [W]; TT – termiczna stała czasowa silnika [s].

Założono więc, że moc zwykłego silnika katalogowego, tj. silnika przeznaczonego do pracy ciągłej wynosi:

Ponadto założono jeszcze (biorąc pod uwagę wytyczne z tabeli Z1-1), że termiczna stała czasowa przedmiotowego silnika wynosi TT = 30 min.

Zatem moc silnika dla pracy dorywczej wyniesie:

PS2 = MS2 · ů = MS2 · 2 · đ · n = 262 · 2 · đ · 16.66 = 27425 W = 27.425 kW

Wstawiając dane do zależności postaci (Z1-30), obliczono poszukiwaną wartość mocy dla silnika przeznaczonego do pracy ciągłej:

Wartość przeciążalności dla przedmiotowego silnika wyniesie:

Silnik katalogowy (przeznaczony do pracy ciągłej S1) o mocy 13.7 kW powinien mieć, przy obciążeniu dorywczym S2, przeciążalność większą niż 2.

Przykład Z1-2

Termiczna stała czasowa silnika wynosi TT = 50 min. Znamionowa moc ciągła silnika PS1 = 20 kW. Określić dopuszczalną moc przy pracy dorywczej PS2, jeśli czas pracy dorywczej wynosi tS2 = 60 min. Przy pracy znamionowej ciągłej, straty stałe silnika wynoszą ÄPst = 0.4 · ÓÄPn , a znamionowe straty zmienne: ÄPzm = 0.6 · ÓÄPn, przy czym można przyjąć, że straty zmienne są proporcjonalne do kwadratu mocy. Przy czym przez ÓÄPn oznaczono całkowite straty, przy obciążeniu znamionowym silnika.

Przy pracy ciągłej oraz przy obciążeniu znamionowym całkowite straty silnika wynoszą:

ÓÄPn = 0.4 · ÓÄPn + 0.6 · ÓÄPn = Tu · const

Przy obciążeniu innym, nieznamionowym, na przykład przy obciążeniu mocą dorywczą:

Z powyższych dwóch równań otrzymano:

Wprowadzając tę zależność do równania postaci:

i wstawiając dodatkowo do tego równania współrzędne punktu granicznego (tS2, Tu), otrzymujemy po odpowiednich przekształceniach wartość mocy dorywczej PS2:

Przykład Z1-3

Jak długo może pracować silnik w obudowie zamkniętej o mocy znamionowej 8.5 kW i prędkości obrotowej n = 950 l / min, przy obciążeniu momentem 1.8 razy większym od momentu znamionowego.

Oczywiście, że czas pracy przy takim przeciążeniu będzie ograniczony temperaturą nagrzania silnika. Przyjmiemy tu założenie dotyczące strat, jak w przykładzie Z1-2.

Posłużymy się zależnością na przyrost temperatury w procesie nagrzewania silnika:

przy czym założono, że termiczna stała czasowa przedmiotowego silnika wynosi TT = 30 min.

Przy obciążeniu znamionowym i powstających wówczas stratach, maksymalny przyrost temperatury silnika wynosi Tu = 60°C. Zgodnie z założeniami straty są proporcjonalne do I2 oraz do M2, a także do P2. Gdybyśmy zatem obciążali silnik przez czas dowolnie długi momentem większym od znamionowego pM · Mn, wów-czas w silniku powstałyby straty większe i końcowy przyrost temperatury byłby również większy.

Przy obciążeniu momentem znamionowym temperatura ustalona zostanie określona przez następującą zależność:

2

Tu = k · Mn przy czym przez k określono pewien współczynnik proporcjonalności. Natomiast przy obciążeniu silnika momentem pM · Mn większym od znamionowego, temperatura ustalona wyniesie:

T'u = k · (pM · Mn)2

Wobec tego przyrost temperatury silnika przy obciążeniu pM · Mn wyniósłby w dowolnym czasie t:

a ponieważ nie możemy dopuścić do nagrzania się silnika przekraczającego dopuszczalny przyrost temperatury Tu = 60°C, więc musi zachodzić warunek:

Z poprzednich równań i rozważań wynika:

Wprowadzając powyższą zależność do równania postaci (Z1-31), uzyskano:

Stąd obliczymy dopuszczalny czas tS2 obciążenia dorywczego:

skąd:

Założywszy, że w rozważanym przypadku TT = 30 min obliczamy:

oraz

Przy przeciążeniu pM = 3.6 oraz przy TT = 30 min uzyskalibyśmy:

Przy pracy dorywczej silnika należy za każdym razem sprawdzić, czy silnik posiada dostateczną przeciążalność momentem.

Praca przerywana

Inaczej przedstawia się całe zjawisko przy pracy przerywanej (rysunek Z1-4). Przyrost temperatury odbywa się według odcinków krzywych wykładniczych nagrzewania, poprzedzielanych kolejno odcinkami krzywej stygnięcia, wyrażonej zależnością:

(Z1-32)

W zależności tej założono tę samą wartość stałej czasowej, którą uwzględniono w zależności na przyrost temperatury w procesie nagrzewania.

Założono zatem, że warunki chłodzenia w okresach obciążenia i w przerwach są identyczne. Tymczasem przy pracy przerywanej z przerwami beznapięciowymi, silnik podczas przerw nie pracuje. Jeżeli jest to silnik z przewietrzaniem własnym, to w czasie przerwy silnik chłodzi się tylko w sposób naturalny, bez sztucznego przewietrzania. Przy pracy przerywanej z przerwami jałowymi, silnik wprawdzie podczas przerw wiruje i przewietrznik działa, ale wówczas w silniku mamy do czynienia ze stratami jałowymi. Wynika z tego, że zjawisko jest dosyć skomplikowane, toteż tylko przy analizie wstępnej zakłada się równość parametru TT w odniesieniu do krzywych grzania i stygnięcia.

Rysunek Z1-4. Przebieg przyrostu temperatury silnika przy pracy przerywanej S3

Linia łamana złożona z odcinków wspomnianych wyżej krzywych, wznosi się do pewnego poziomu, przy którym chłodzenie maszyny w czasie przerw postojowych wystarcza do tego, aby szczyty temperatury więcej się nie wznosiły i nie przekroczyły dopuszczalnego przyrostu Tu.

Obierzmy jeden taki cykl, po którym przyrost temperatury wraca znów do wartości początkowej. Załóżmy, że cykl ten składa się z okresu obciążenia mocą ciągłą PS1 oraz z okresu spoczynku. Mocy do pracy ciągłej PS1 odpowiada ustalony przyrost temperatury Tu. Odcinek AB krzywej nagrzewania przedłużamy w lewo, aż do przecięcia się z osią t (rysunek Z1-4).

Punktowi A odpowiada na podstawie równania (Z1-22): natomiast punktowi B:

i wreszcie punktowi C z krzywej stygnięcia:

Z równania postaci (Z1-33) wyznaczamy:

(Z1-36) i wstawiamy do równania postaci (Z1-34):

(Z1-37) Wartość tę wstawiamy do równania postaci (Z1-35) i otrzymujemy:

skąd po przekształceniach uzyskano:

(Z1-39)

Z równania postaci (Z1-35) otrzymaliśmy:

(Z1-40)

Do wyrażenia postaci (Z1-40) wstawiamy wartość T1 z zależności (Z1-39) i otrzymujemy:

Zależność ta pozwala stwierdzić, że przy obciążeniu silnika mocą przy pracy ciągłej PS1, w okresach czasu t1, z następującymi po nich przerwami, trwającymi t2 sekund, osiągamy przyrosty szczytowe mniejsze niż dopuszczalne przy pracy ciągłej, czyli że:

(T1 + T2) < Tu (Z1-42)

W celu wyzyskania silnika i podniesienia temperatury jego izolacji przy pracy przerywanej, nie przekraczając przy tym przyrostu Tu, nawet w punktach szczytowych, należy dobrać moc PS3 do pracy przerywanej tak, aby:

stąd:

Rozwijamy wyrażenie pod pierwiastkiem w szereg Maclaurina według formuły:a odrzucając wyrazy z potęgami wyższymi niż 1 otrzymujemy wyrażenie przybliżone:

w którym ĺ oznacza względny czas pracy silnika. Jak wynika z powyższego moc silnika do pracy przerywanej S3 nie zależy od termicznej stałej

czasowej silnika TT, lecz tylko od względnego czasu pracy

. Pamiętać jednak musimy, że

wprowadzone powyżej uproszczenie polegające na odrzuceniu wyższych potęg wyrażeń

i jest słuszne tylko wówczas, gdy TT >> (t1 + t2), tj. gdy czas trwania cyklu jest znacznie mniejszy od termicznej stałej czasowej silnika. Ponadto należy pamiętać jeszcze o tym, że przy wyprowadzaniu za-leżności nie uwzględniliśmy odmiennych warunków odprowadzania ciepła z silnika przy pracy oraz w czasie postoju, i że braliśmy pod uwagę tylko straty rezystancyjne.

Krzywa przebiegu stosunku PS3/ PS1 w funkcji względnego czasu pracy jest przedstawiona na rysunku Z1-5.

Trzeba jednak zawsze mieć na uwadze, że przebiegi zjawisk fizycznych przy pracy dorywczej S2 i pracy przerywanej S3 są odmienne i należy je traktować z osobna. Silniki do pracy przerywanej są budowane elektrycznie odmiennie od silników do pracy ciągłej i bywają ujmowane w odrębne katalogi, posługiwanie się zaś zależnością postaci (Z1-46) ogranicza się do przypadków, gdy chodzi o orientacyjne wyznaczanie mocy, którą można uzyskać przy pracy przerywanej z silnika zbudowanego na moc ciągłą.

W niniejszym załączniku wyprowadzono, a następnie posługiwano się krzywymi wykładniczymi przebiegu przyrostów temperatury w czasie nieustalonych stanów cieplnych.

Dla ścisłości należy stwierdzić, że rzeczywiste przebiegi nieznacznie tylko się różnią od przebiegów teoretycznych i stałe TT, którymi operujemy, ulegają nieznacznym zmianom podczas stanu nieustalonego. W obliczeniach napędowych w celu ich uproszczenia posługujemy się tylko funkcjami wykładniczymi.

Rysunek Z1-5. Zależność stosunku dopuszczalnej mocy przerywanej PS3 do mocy ciągłej PS1 od

względnego czasu pracy

ZAŁĄCZNIK 2

Metody wyznaczania mocy silnika przy różnych obciążeniach

Przy bardziej złożonych przebiegach obciążenia silnika w czasie, niedających się zaliczyć do któregoś ze znormalizowanych rodzajów pracy S1, S2 lub S3 stosujemy inne metody obliczania potrzebnej mocy silnika [1].

W rachubę wchodzą, oczywiście tylko obciążenia cykliczne, których czas cyklu jest mniejszy od termicznej stałej czasowej silnika – t cyklu < TT.

W zasadzie czas cyklu nie powinien być większy niż 10 min.

Rysunek Z2-1. Przebiegi czasowe prędkości, przyspieszeń, momentów i mocy na wale silnika (Mdr – moment dynamiczny rozruchowy, Mdh – moment dynamiczny hamujący)

Przystępując do doboru silnika, znamy zazwyczaj przebieg prędkości w czasie jednego cyklu, przebieg przyspieszenia, przebieg momentu oporowego w czasie oraz wartość momentu bezwładności urządzenia napędzanego.

Chcąc wyznaczyć moment całkowity, który powinien być rozwijany przez silnik napędowy, należy orientacyjnie wyznaczyć moment bezwładności silnika. W tym celu powinno się oszacować wstępnie moc silnika i znaleźć w odpowiednim katalogu jego moment bezwładności. Znając moment całkowity bezwładności układu oraz przyspieszenia, można wyznaczyć momenty dynamiczne w stanach nieustalonych, jak również przebieg momentu całkowitego, który powinien być rozwijany przez silnik w czasie całego cyklu.

Na rysunku Z2-1 podano przebiegi czasowe prędkości, przyspieszeń, momentów i mocy na wale silnika. Znając przebiegi n = f (t), M = f (t) można dokładniej obliczyć moc silnika.

Wyznaczanie wartości zastępczych prądu, momentu i mocy

W obliczeniach przybliżonych zakłada się, że ilość ciepła wydzielonego w silniku zależy tylko od strat w uzwojeniach głównego toru energetycznego przetwornika elektromechanicznego. Następnie zakłada się, że przy zmiennej prędkości obrotowej silnika, warunki chłodzenia nie ulegają zmianie i są takie same jak przy pracy znamionowej, co oznacza, że przedmiotowy silnik posiada wentylację obcą. Przy tych założeniach można wyznaczyć prąd zastępczy o stałej wartości w czasie całego cyklu pracy, który byłby przyczyną powstania w czasie cyklu takiej samej ilości ciepła, co prąd rzeczywisty, zmieniający swoją wartość na skutek zmian obciążenia silnika. Wartość tę można obliczyć, obierając za wyjściowe równanie równoważnej ilości ciepła:

lub operując przedziałami, w których przebiegi prądu w czasie są zlinearyzowane:

Tak więc prąd zastępczy opisany zostaje przez następującą zależność:

Prądem zastępczym jest nazywany prąd, którego wartość w czasie jest stała, a który, jeśli chodzi o jego działanie termiczne, jest równoważny prądowi rzeczywistemu. Parametry zastępcze, takie jak prąd, moment i moc, mogą być podstawą przy doborze silnika z katalogu silników przeznaczonych do pracy ciągłej.

Przy doborze silnika do pracy przebiegającej przy różnym obciążeniu postępujemy zazwyczaj, obierając za punkt wyjścia nie przebieg prądu w obwodzie głównym, lecz przebieg w czasie momentu na wale, gdyż poznaliśmy go, rozwiązując zadanie na podstawie warunków obciążenia układu napędowego. Pod względem termicznym trzeba będzie przy tym sprawdzić, jaki jest przebieg prądu głównego całkowitego, powodującego straty cieplne w uzwojeniach.

Przy stałym strumieniu (Ö = const) zakładamy liniową zależność między prądem a momentem, czyli upraszczamy dalej zagadnienie, zakładając, że silnik prądu przemiennego pracuje w całym zakresie przy współczynniku mocy równym jedności (cosö = 1).

Przy tych założeniach upraszczających można się posłużyć momentem zastępczym:

Zależnością na moment zastępczy można się posługiwać tylko wówczas, gdy wzbudzenie silnika jest stałe (Ö = const).

W niektórych przypadkach, np. przy regulacji prędkości obrotowej silnika bocznikowego (obcowzbudnego) prądu stałego za pomocą zmiany wartości strumienia magnetycznego, związek pomiędzy prądem a momentem jest nieliniowy. Jak w takim przypadku należy postępować przy wyznaczaniu danych silnika?

Załóżmy, że przy regulacji prędkości obrotowej silnika bocznikowego (obcowzbudnego) prądu stałego w drodze zmiany wartości strumienia magnetycznego, wartość momentu rozwijanego przez silnik pozostaje stała (M = const), rezystancja obwodu głównego nie ulega zmianie (Rg = const) i stałe jest też napięcie doprowadzane do silnika (U = const). Jeżeli pominiemy zmienność spadków napięć, to siła elektromotoryczna silnika będzie również wartością stałą (Er = ke · Öm · n ≈ const.) Z zależności tej otrzymujemy związek pomiędzy prędkością obrotową a strumieniem:

Równanie momentów M = km · Öm · I i zależność postaci (Z1-5) pozwalają określić związek pomiędzy prądem a prędkością:

I = n · const (Z2-6)

Wynika stąd wniosek, że przy regulacji prędkości obrotowej silnika przez zmianę strumienia wzbudzenia, przy stałej wartości momentu obciążenia, prąd obwodu głównego zmienia się w przybliżeniu według takiej samej funkcji czasowej, jak i prędkość obrotowa. Znając przebieg prędkości obrotowej n = f (t), można wyznaczyć przebieg prądu w skali momentu, który może być podstawą do wyznaczenia momentu zastępczego.

Na rysunku Z2-2 pokazano taki przypadek. Wykres prędkości przewiduje regulację, od zera do n1 przez zmianę napięcia przy stałym wzbudzeniu oraz, regulację od n1 do n2, w drodze zmiany strumienia przy stałym napięciu doprowadzanym do obwodu głównego. Na wykresie M = f (t) linią ciągłą wyznaczony jest rzeczywisty przebieg momentu na wale silnika, a linią przerywaną – przebieg prądu w skali momentu. Do wyznaczenia momentu zastępczego posłużymy się krzywą prądu w skali momentu, toteż do równania momentu zastępczego wstawiać będziemy wartości wyznaczone na rysunku Z2-2 krzywą przerywaną.

Wyznaczmy moment zastępczy dla przypadku przedstawionego na rysunku Z2-3. Cały czas cyklu jest podzielony na sześć przedziałów czasowych. W każdym z tych przedziałów, przebieg momentu ma charakter liniowy.

W pierwszym, trzecim i piątym przedziale czasowym, moment ma wartość stałą, natomiast w przedziale drugim i czwartym zmienia się w czasie liniowo.

Wyznaczmy moment zastępczy w przedziale, w którym jego zmiany w czasie przebiegają liniowo, np. w przedziale drugim:

(Z2-7)

Rysunek Z2-2. Przebieg prędkości, momentu i prądu przedstawionego w skali momentu, przy dwustrefowej regulacji prędkości obrotowej silnika obcowzbudnego (bocznikowego) prądu stałego Całkowity moment zastępczy przy przebiegu M = f (t) przedstawionym na rysunku Z2-3:

Rysunek Z2-3. Przebieg momentu w czasie

Na podstawie obliczonego momentu zastępczego można dobrać z katalogu silnik przewidziany do pracy ciągłej. Moment znamionowy silnika powinien być większy od obliczonego momentu zastępczego, ze względu na przyjęte wyżej uproszczenia Mz / Mn ≤ 0.96.

Przykład Z2-1

Wyznaczyć moment zastępczy, jeśli moment rozwijany przez silnik zmienia się w czasie według funkcji podanej na rysunku Z2-4.

Rysunek Z2-4. Przebieg momentu w czasie (do przykładu Z2-1)

Przykład Z2-2

Silnik asynchroniczny o momencie znamionowym równym Mn = 2.56 kNm, napędza urządzenie walcownicze, przy czym przebieg momentu elektromagnetycznego M = f(t), rozwijanego przez przedmiotowy silnik przedstawiono na rysunku Z2-5. Wyznaczyć moment zastępczy dla danego przebiegu M = f(t).

(Z2-9)

Rysunek Z2-5. Zlinearyzowany przebieg momentu elektromagnetycznego (do przykładu Z2-2)

Po wstawieniu danych do zależności postaci (Z2-9), uzyskano co następuje:

Moment znamionowy silnika walcowniczego w przykładzie Z2-2 wynosi Mn = 2.56 kNm, zatem stosunek momentu zastępczego do znamionowego wynosi:

a więc silnik został dobrany właściwie również pod względem termicznym.

Przykład Z2-3

Należy dobrać silnik trójfazowy asynchroniczny, który przy zmiennym obciążeniu ma wirować z prawie stałą prędkością. Przebieg mocy na wale silnika w funkcji czasu przedstawia wykres na rysunku Z2-6.

Zakłada się dla uproszczenia, że straty całkowite w silniku są proporcjonalne do kwadratu prądu

2

wirnika – I2 . Ponieważ moment obrotowy silnika jest wprost proporcjonalny do prądu, więc straty są proporcjonalne także do kwadratu momentu tzn. do M2, a przy stałej (w przybliżeniu) prędkości obrotowej n – proporcjonalne do kwadratu mocy P2.

Obliczmy moc zastępczą dla przedstawionego cyklu pracy:

Rysunek Z2-6. Przebieg mocy na wale silnika w funkcji czasu (do przykładu Z2-3)

Po wprowadzeniu danych do zależności postaci (Z2-10), uzyskano co następuje:

Posługując się katalogiem silników do pracy ciągłej S1, można było by w tym przypadku dobrać silnik asynchroniczny o mocy 5.8 kW, ale powinien by on mieć przeciążalność:

.

Gdyby natomiast przeciążalność silników odpowiedniej serii katalogowej nie przekraczała pM = 1.6, wówczas należałoby zastosować silnik o mocy:

przy czym silnik ten nie byłby wówczas wyzyskany pod względem cieplnym.

Ponieważ z treści przykładu Z2-3 wynika, że cykl pracy będzie się powtarzać systematycznie, przy czym czas jego trwania jest krótki, wynosi bowiem tylko 133 s, więc jeśli dysponujemy katalogiem silników do pracy przerywanej S3, możemy z tego katalogu wybrać odpowiedni typ silnika.

W tym celu obliczamy moc zastępczą, odpowiadającą samemu tylko czasowi obciążenia, tj. t1 + t2 + t3

+ t4. Wówczas moc zastępcza zostanie określona przez następującą zależność:

Po podstawieniu wartości liczbowej do zależności postaci (Z2-11), uzyskano co następuje:

W ten sposób przebieg obciążenia podany na rysunku Z2-6 zostaje zastąpiony przebiegiem nowym, złożonym z okresu obciążenia mocą o wartości 7.5 kW w ciągu t1 + t2 + t3 + t4 = 80 s i z okresu przerwy trwającej t5 = 53 s. Otrzymaliśmy przebieg obciążenia, odpowiadający pracy znamionowej, przerywanej ze względnym (procentowym) czasem pracy:

Możemy zatem zastosować silnik asynchroniczny trójfazowy mocy znamionowej Pn = 7.5 kW, przeznaczony do pracy przerywanej S3, odpowiadający 60% czasowi pracy.

W rozważaniach niniejszego załącznika Z2 założono, iż warunki chłodzenia silnika w czasie pracy nie ulegają zmianie. W przypadku, gdy silnik wiruje ze stałą prawie prędkością, warunek ten jest spełniony, a gdy prędkość obrotowa silnika była zmienna, zakładaliśmy, że silnik ma wentylację obcą.

W większości przypadków mamy do czynienia ze zmianami obciążenia silnika oraz ze zmianą jego prędkości wirowania, np. przy rozruchu, hamowaniu, gdy chłodzenie jest własne. Przy zmiennej prędkości wirowania i przewietrzaniu za pomocą wentylatora osadzonego na wale silnika, ilość powietrza chłodzącego przepływającego przez silnik jest funkcją prędkości.

Przy przewietrzaniu własnym silnika, intensywność chłodzenia jest więc zależna od prędkości wirowania silnika. Warunki chłodzenia przy postoju silnika są gorsze, aniżeli wtedy, gdy silnik wiruje.

W czasie rozruchu i hamowania silnika warunki chłodzenia są pośrednie, pomiędzy warunkami postoju a ruchem pełną prędkością. Chcąc uwzględnić zmienne warunki chłodzenia silnika o własnym przewietrzaniu, przy zmiennej prędkości jego wirowania, korygujemy rzeczywisty czas cyklu, występujący w równaniu prądu zastępczego, wynikający z warunku równoważnej ilości ciepła wydzielonego w przypadku podanym na rysunku Z2-1

przy czym: tr – czas rozruchu [s]; th – czas hamowania [s]; tust – czas pracy przy prędkości ustalonej znamionowej [s]; tp – czas postoju przy n = 0 [s]; á – współczynnik uwzględniający pogorszenie się warunków chłodzenia w czasie rozruchu i hamowania w porównaniu z warunkami przy prędkości znamionowej [wielkość bezwymiarowa]; â – współczynnik uwzględniający pogorszenie się warunków chłodzenia w czasie postoju [wielkość bezwymiarowa];

Współczynnik â jest stosunkiem termicznej stałej czasowej przy pełnej prędkości obrotowej silnika – TT, do termicznej stałej czasowej w okresie postoju silnika – TT0:

(Z2-13)

Wartości współczynnika â są następujące: 0.9 – 0.95, gdy silniki są zamknięte bez przewietrzania; 0.4

– 0.6 – silniki zamknięte z przewietrzaniem i 0.25 – 0.35 – silniki półotwarte z przewietrzaniem.

Współczynnik korekcyjny á jest średnią arytmetyczną współczynnika równego 1, odpowiadającego znamionowym warunkom chłodzenia przy pełnej prędkości wirowania i liczby â, określającej warunki chłodzenia w czasie postoju silnika, a zatem:

(Z2-14)

Przykład Z2-4

Silnik bocznikowy (obcowzbudny) prądu stałego półotwarty z przewietrzaniem własnym, pracuje

według programu podanego na rysunku Z2-7. Obliczyć moment zastępczy silnika przy chłodzeniu własnym i chłodzeniu obcym.

Zakładamy, że współczynnik â = 0.3, wobec czego:

Rysunek Z2-7. Przebieg prędkości i momentu w czasie (do przykładu Z2-4)

Moment zastępczy przy chłodzeniu własnym wyniesie:

Natomiast przy chłodzeniu obcym:

Stosunek momentu zastępczego tego samego silnika, przy chłodzeniu własnym do momentu zastępczego przy chłodzeniu obcym wynosi:

Przy chłodzeniu obcym można będzie zastosować silnik o ok. 20% mniejszy niż silnik zastosowany przy chłodzeniu własnym.

Metoda strat zastępczych

Metoda wyznaczania danych znamionowych silnika przez obliczenie momentu zastępczego lub mocy zastępczej obarczona jest błędem, wynikającym z uwzględnienia jedynie strat w uzwojeniach silnika, głównego toru energetycznego i zupełnego pominięcia źródeł ciepła takich jak np. obwód magnetyczny, uzwojenia wzbudzające itp.

Wymienione wady poznanych dotychczas metod, usuwa w pewnym stopniu metoda strat zastępczych umożliwiająca osiąganie rezultatów na ogół wystarczająco dokładnych. Stosując tę metodę, należy uprzednio oszacować jednym z podanych sposobów moc zastępczą silnika, obrać typ silnika i otrzymać od producenta dane dotyczące wartości strat rezystancyjnych i strat przy biegu jałowym, tzn. strat magnetycznych, mechanicznych, przewietrzeniowych oraz innych. Mając te dane, jak również uproszczony wykres przebiegu pracy, wykreśla się krzywą strat w uzwojeniach ÄPCu oraz strat jałowych ÄP0 – rysunek Z2-8.

Rysunek Z2-8. Przebieg strat jałowych i strat w uzwojeniach silnika (do opisu metody strat zastępczych)

Oznaczenia do rysunku Z2-8:

tr – czas rozruchu; tust – czas pracy ustalonej; th – czas hamowania; tp – czas przerwy beznapięciowej.

Z braku bliższych danych, dotyczących podziału strat całkowitych na straty jałowe i straty w uzwojeniach, możemy przyjąć w przybliżeniu, że współczynnik:

(Z2-15)

W tym przypadku straty całkowite w czasie biegu jałowego są równe stratom obciążeniowym przy obciążeniu znamionowym, czyli:

a straty w uzwojeniach dla dowolnej mocy Px wynoszą:

Metoda strat zastępczych, podobnie jak metody momentu zastępczego i mocy zastępczej, oparta jest na wyznaczeniu wartości strat niezmiennych, przy obciążeniu ciągłym w czasie całego cyklu, odpowiadających ilości ciepła, równoważnej stratom powstającym przy zmiennym programie pracy silnika:

Z zależności tej wynika, że w celu obliczenia wartości strat zastępczych, należy wyznaczyć najpierw w

funkcji czasu, przebieg rzeczywistych strat całkowitych, po czym funkcję tę należy scałkować. Straty zastępcze uzyskuje się, dzieląc wartość całki oznaczonej przez czas całego cyklu. Straty, które mogą występować w silnikach elektrycznych są następujące:

∆P = ∆PCu + ∆PFe + ∆Pt + ∆Pwent + ∆Ppsz + ∆Pw (Z2-19)

Zależność poszczególnych strat od parametrów pracy silnika można wyrazić następująco:

• Straty w uzwojeniach:

∆PCu = I2 · const (Z2-20)

• Straty w stali:

∆PFe = B2 · f1.3 · const (Z2-21)

• Straty związane ze zjawiskiem tarcia:

∆Pt = n · const (Z2-22)

• Straty wentylacyjne:

∆Pwent = n3 · const (Z2-23)

• Straty przewodzenia szczotek:

∆Ppsz = I · const (Z2-24)

• Straty w uzwojeniu wzbudzenia:

∆Pw = I2w · const (Z2-25)

Znając zmiany w czasie pracy, prądu płynącego w obwodzie głównym silnika I, indukcji magnetycznej B, częstotliwości magnesowania obwodu magnetycznego f, prędkości obrotowej n oraz prądu wzbudzenia silnika Iw, można wyznaczyć wartość poszczególnych strat w obranych chwilach oraz straty całkowite w tych chwilach. Sporządzając wykres obliczonych strat całkowitych ∆P = f (t) dokonując całkowania, otrzymamy straty zastępcze.

Straty zastępcze powinny być mniejsze od całkowitych strat znamionowych silnika przy pracy ciągłej.

W praktyce jest stosowana zależność:

(Z2-26)

Jeżeli okaże się, że straty zastępcze są równe lub większe od strat znamionowych dobranego wstępnie silnika, należy wówczas dobrać silnik większy i sprawdzić go ponownie na tzw. straty zastępcze.

Przykład Z2-5

Wyznaczyć straty zastępcze silnika bocznikowego prądu stałego, pracującego w układzie Leonarda. Silnik jest maszyną otwartą, o wentylacji przelotowej. Dane silnika napędzającego maszynę wyciągową są następujące: Pn = 1600 kW, nn = 45 l / min., In = 2650 A, Un = 650 V. Znany jest przebieg prędkości w funkcji czasu oraz przebieg całkowitej siły na obwodzie koła pędnego maszyny wyciągowej – rysunek Z2-9. Siła znamionowa wynosi Fn = 112.8 kN.

Rysunek Z2-9. Przebieg prędkości liniowej i obciążenia silnika pracującego w układzie Leonarda (do przykładu Z2-5)

Poszczególne straty znamionowe silnika wynoszą:

• W uzwojeniach wirnika ÄPCuwir = 50.5 kW;

• Straty przewodzenia szczotek ÄPpszn = 6.91 kW;

• Wuzwojeniach biegunów pomocniczych ÄPbpn = 17.95 kW;

• W uzwojeniu kompensacyjnym ÄPkn = 39.0 kW;

• Straty tarcia szczotek o komutator ÄPtszn = 2.27 kW;

• Wobwodzie magnetycznym wirnika ÄPFen = 13.12 kW;

• Straty wentylacyjne ÄPwentn = 3.34 kW;

• Straty tarcia w łożyskach ÄPtn = 0.636 kW;

• Wobwodzie wzbudzenia ÄPwn = 14.3 kW. Całkowite straty znamionowe silnika wynoszą:

ÄPn = 147.93 kW

Zakłada się, że w czasie całego cyklu pracy wzbudzenie silnika pozostaje stałe ÖM = const.

Wyznaczamy poszczególne straty powstające w silniku:

1. Straty proporcjonalne do kwadratu prądu obwodu głównego:

ÄPI2n = ÄPCuwirn + ÄPbpn + ÄPkn = 107.45 kW

przy dowolnym obciążeniu:

1. Straty proporcjonalne do pierwszej potęgi prądu obwodu głównego: ÄPIn = ÄPpszn = 6.91 kW

2. przy dowolnym obciążeniu:
1. Straty proporcjonalne do pierwszej potęgi prędkości silnika: ÄPvn = ÄPtszn + ÄPtn = 2.27 + 0.64 = 2.91 kW

2. przy dowolnej prędkości:
1. Straty proporcjonalne do prędkości w potędze 1.3: ÄPv1.3n = ÄPFen = 13.12 kW

2. przy dowolnej prędkości:
1. Straty proporcjonalne do trzeciej potęgi prędkości: ÄPv3n = ÄPwentn = 3.34 kW

2. przy dowolnej prędkości:
1. Straty wzbudzenia, stałe w przeciągu całego cyklu pracy, gdyż:

Posługując się podanymi wyżej zależnościami, obliczamy straty w poszczególnych chwilach i umieszczamy je w tabeli Z2-1.

Tabela Z2-1

Chwila

ÄPI2ÄPI ÄPv ÄPv1.3 ÄPv3ÄPw ÓÄPx

kW			kW	kW	kW	kW	kW	kW
Rozruch	Początek	328.0	12.8	0.0	0.0	0.0	14.3	355.1
	Koniec	226.0	10.0	2.91	13.12	3.34	14.3	269.7
Praca	Początek	90.4	6.3	2.91	13.12	3.34	14.3	130.4
ustalona
	Koniec	6.6	1.7	2.91	13.12	3.34	14.3	42.0
Hamowanie	Początek	21.3	3.1	2.91	13.12	3.34	14.3	58.1
	Koniec	49.5	4.7	0.0	0.0	0.0	14.3	68.5
Postój		0.0	0.0	0.0	0.0	0.0	14.3	14.3

Rysunek Z2-10. Przebieg strat mocy w silniku w funkcji czasu dla silnika bocznikowego, pracującego w układzie Leonarda (do przykładu Z2-5)

Obliczywszy wartości strat całkowitych, powstających w silniku w poszczególnych chwilach ÓÄPx, zaznaczamy je na wykresie – rysunek Z2-10. Poszczególne punkty łączymy liniami prostymi. Dokonując

w ten sposób linearyzacji przebiegów, nie popełniamy zbyt dużych błędów. Należy zaznaczyć, że obliczenia są przeprowadzane z pewnym zapasem, ponieważ nie wzięto w nich pod uwagę spadków temperatury, pomiędzy poszczególnymi częściami maszyny.

Na podstawie wykresu ÓÄP = f(t) można obliczyć straty zastępcze:

Wprowadzając dane liczbowe z wykresu (rysunek Z2-10), do zależności (Z2-27), uzyskano co następuje:

Gdyby silnik miał tylko wentylację własną, wówczas czas cyklu należałoby skorygować do wartości: t'cyklu = tr · á + tpu + th · á + tp · â (Z2-28)

Przy chłodzeniu własnym, zależność opisująca straty zastępcze przyjmie postać:

Ponieważ silnik posiada wentylację przelotową własną, zakładamy: â = 0.33 i á = 0.66 Po wprowadzeniu danych liczbowych do zależności (Z2-29), obliczymy wartość strat zastępczych dla silnika o chłodzeniu własnym:

Całkowite straty znamionowe silnika wynosiły ÄPn = 147.93 kW, a zatem uzyskaliśmy:

Stąd wniosek, że silnik przy założonym programie pracy powinien mieć wentylację obcą. Jeśliby wprowadzenie wentylacji obcej nie wchodziło w rachubę, to należałoby zainstalować silnik o większej mocy.

Przy chłodzeniu obcym silnik będzie pracował przy temperaturach niższych od temperatury dopuszczalnej.

Metoda przyrostów temperaturowych

W przypadkach szczególnie ważnych, można po obliczeniu strat zastępczych i wyborze typu silnika uzupełnić projekt obliczeniem przebiegu przyrostów temperatury izolacji uzwojeń (rysunek Z2-11).

Rys. Z2-11. Przebieg przyrostów temperatury przy pracy praktycznej silnika

Załóżmy, że TT jest termiczną stałą czasową, określającą przebieg temperatury izolacji silnika wirującego, a przez TT0 stałą czasową silnika nieruchomego. Dopuszczalny, graniczny przyrost temperatury, który się oznacza przez Tu, wystąpi w izolacji silnika przy pracy ciągłej, z którą wiążą się straty mocy ∆Pn.

Stała czasowa TT0 przy postoju jest większa niż stała czasowa TT, a stosunek TT0 / TT zawiera się w granicach 1.05 – 4.0. Podzielmy następnie krzywą przebiegu pracy praktycznej, na odcinki odpowiadające czasom t1, t2, t3, ... tx. W ciągu każdego takiego odcinka czasu będą powstawały odpowiednio pewne straty ∆P1, ∆P2, ∆P3, ... ∆Px, średnie dla każdego odcinka. Rzeczywiste przyrosty temperatury przy końcu każdego odcinka oznaczymy przez:

T1, T2, T3, ... Tx

Krzywa nagrzewania dla stanu zimnego, przy dowolnych stratach wyrazi się zależnością:

Po upływie czasu odpowiadającego pierwszemu odcinkowi t1, przyrost temperatury wyniesie:

Gdyby w przeciągu czasu odpowiadającego drugiemu odcinkowi, silnik wirował bez obciążenia, to jego temperatura malałaby według krzywej stygnięcia i po upływie czasu t2, przyrost temperatury wynosiłby tylko:

(Z2-32)

W rzeczywistości w ciągu czasu t2 obciążenie istnieje i w silniku występują odpowiednie straty ÄP2. Powinny one ze swej strony spowodować nagrzanie się według następującej zależności:

W rezultacie przy końcu odcinka czasu t2, przyrost temperatury wyniesie: T2 = T' + T'' (Z2-34)

czyli:

Słuszność zależności postaci (Z2-35) da się uzasadnić analitycznie na zasadzie zależności podstawowej postaci (Z2-31). Dowolnemu odcinkowi czasu tx, w ciągu którego straty wynoszą ÄPx, odpowiada:

Jeżeli na początku pewnego odcinka czasu tk, silnik osiągnął przyrost temperatury Tk1 i na przeciąg czasu tk został zatrzymany, to zacznie on stygnąć według krzywej stygnięcia i po upływie czasu tk, osiągnie przyrost:

(Z2-37)

Zwróćmy uwagę, że w zależności postaci (Z2-37) wystąpiła termiczna stała czasowa TT0 przy postoju. W ten sposób zdołamy obliczyć i wykreślić cały przebieg przyrostów temperatury (rysunek Z2-11), a następnie sprawdzić, czy przyrosty temperatury T1, T2, T3, ... są mniejsze od dopuszczalnego przyrostu Tu. Zauważymy przy tym, że temperatura przy przejściu od większych obciążeń do mniejszych może wzrastać lub maleć. Wynika to jasno z zależności postaci (Z2-36).

Obliczanie mocy silników przy temperaturze otoczenia różniącej się od znormalizowanej

temperatury maksymalnej

Bardzo często przy projektowaniu napędu wiadomo jest z góry, że silnik będzie pracował w temperaturze otoczenia stale niższej lub stale wyższej od największej podanej w odpowiednich przepisach (normach) temperatury dopuszczalnej. Temperatura ta w myśl polskich norm wynosi 40°C.

W temperaturze otoczenia stale wyższej niż 40°C pracują np. niektóre silniki w kotłowniach, w temperaturze zaś otoczenia stale niższej – silniki w chłodniach. Ponieważ największa temperatura uzwojeń dopuszczalna dla danego rodzaju izolacji jest stała, dopuszczalne przyrosty temperatury w silnikach zmieniają się zależnie od temperatury otoczenia. Gdy temperatura otoczenia różni się od 40°C o ± ÄT, przyrost dopuszczalny zmienia się o ± ÄT'. Gdy temperatura otoczenia wynosi np. 55°C, czyli jest o 15°C większa od przepisowej – przyrost temperatury powinien być o 15°C mniejszy i wynosić Tu – 15°C.

Ponieważ przyrosty ustalone są proporcjonalne do strat, a straty uważamy za proporcjonalne do kwadratu mocy, więc przy założeniu, że Ö = const, n = const, otrzymujemy wyrażenie:

skąd:

przy czym przez P55° oznaczono moc silnika w temperaturze otoczenia 55°C, a przez P40° – moc katalogową, w temperaturze 40°C.

Ogólnie możemy napisać:

Przykład Z2-6

Jaką mocą maksymalną można obciążyć zwykły katalogowy silnik o mocy 30 kW, jeżeli ma on pracować stale w temperaturze otoczenia wynoszącej 65°C oraz jaka powinna być moc silnika katalogowego, aby mógł on w podanych warunkach oddawać moc 30 kW.

• Zakłada się, że straty w silniku są proporcjonalne do kwadratu jego mocy na wale, a więc korzystamy z zależności postaci (Z2-40):

Przy maksymalnej temperaturze otoczenia, wynoszącej według norm 40°C, dopuszczalny przyrost temperatury izolacji klasy F wynosi Tu = 100°C. W temperaturze otoczenia wynoszącej 65°C, a więc przy ÄT' = 25°C otrzymamy:

Jest to maksymalna moc, którą można obciążyć silnik w podanej wyżej temperaturze otoczenia.

• Przekształcając odpowiednio zależność postaci (Z2-40), uzyskaliśmy:

skąd:

Moc 40 kW jest mocą silnika dobieranego według katalogu, opracowanego dla temperatury otoczenia 40°C. Przy temperaturze otoczenia 65°C będzie on mógł wydawać moc 26 kW.

Dobór silników z uwzględnieniem ekonomicznego kryterium trwałości

Rozwiązanie tego zdania powinno spełniać dwa częściowo przeciwstawne warunki: z jednej strony silniki powinny mieć dużą trwałość, a z drugiej strony – powinny być lekkie i tanie, aby nie powiększały kosztów inwestycyjnych. Przez trwałość silnika rozumiemy przy tym, całkowity czas niezawodnej pracy silnika w okresie jego amortyzacji. O trwałości decyduje przede wszystkim jakość izolacji maszyny. Wiadomo, że najważniejszym czynnikiem, zapewniającym zadowalającą trwałość maszyny jest ograniczona temperatura izolacji, przy której ona pracuje. Im wyższa temperatura, tym szybciej przebiega proces starzenia się izolacji i tym mniejsza jest trwałość. Z badań fizykochemicznych Arrcheniusa wynika, że trwałość oznaczana przy temperaturze Č izolacji przez TČ (w jednostkach czasu) wyraża się zależnością:

TČ = A0 · e– h · Č (Z2-42)

W tym wyrażeniu współczynniki A0 i h związane są z jakością (klasą wytrzymałości cieplnej i technologią) izolacji, Č zaś jest temperaturą najgorętszego miejsca izolacji w czasie pracy. Gdy mamy izolację klasy A, trwałość przy temperaturze 105oC wyniesie:

T105° = 6.225 · 104 · e– 0.865·105° = 7.2 lat

W rzeczywistości, przy uwzględnieniu, że temperatura otoczenia jest zazwyczaj mniejsza od znamionowej (40°C), a obciążenie jest zmienne poniżej wartości znamionowej, trwałość jest większa i dochodzi nawet do 20-25 lat. Jeżeli wykonać wykres funkcji TČ = f (Č) w ten sposób, że dla temperatur przyjąć skale liniową, a dla trwałości – logarytmiczną, to jako odwzorowanie w taki układzie współrzęd-nych funkcji TČ = f (Č), otrzymamy linię prostą (rysunek Z2-12) podaną przez Montsingera i przedstawiającą tzw. „prawo 8 stopni”. Obliczenie łatwo wykazuje, że zmniejszenie temperatury Č o 8°C podwaja trwałość, a każde takie samo zwiększenie temperatury zmniejsza trwałość do połowy. W rzeczywistości dalsze badania wykazały, że ośmiostopniowy skok temperatury nie jest wielkością stałą, lecz zmienia się w granicach 5° – 12° zależnie od różnych warunków pracy i rodzajów izolacji. Jeśli jednak, upraszczając uznać, że podwajanie się trwałości następuje przy zmniejszeniu temperatury o 8°C, to wypływa stąd wniosek o ogromnej doniosłości wpływu na trwałość temperatury oraz ekonomiczność pracy maszyn napędowych.

Jeśli założymy, że przy stałej temperaturze izolacji jej zużycie jest proporcjonalne do czasu trwania obciążenia, odpowiadającego tej temperaturze (przy pominięciu okresów przejściowych), to biorąc pod uwagę przebieg obciążenia z kolejnych okresów czasu t1, t2, t3, ... tk i odpowiednich temperatur Č1, Č2, Č3, ... Čk, dla których trwałości wynoszą T1, T2, T3, ... Tk, możemy znaleźć całkowity stopień zużycia, od-powiadający danemu programowi obciążenia:

Trwałość maszyny będzie wyzyskana całkowicie, gdy

. Gdy

, to pewien zapas

trwałości pozostanie niewyzyskany, a gdy natomiast

, to założony program nie da się zrealizować, bez przedwczesnego zniszczenia izolacji.

Jeśli natomiast w pewnych okresach pracy zużycie izolacji w jednostce czasu będzie mniejsze niż 1 / Tn (Tn – trwałość znamionowa), to uzyskany zapas trwałości można wyzyskać w innym okresie pracy, przeciążając chwilowo maszynę ponad jej temperaturę znamionową Čn (rysunek Z2-13).

Ten sposób postępowania pozwala na lepsze wyzyskanie maszyny niż w przypadku, gdyby temperaturę izolacji utrzymywać bezwarunkowo poniżej Čn. Niektórzy producenci maszyn dopuszczają takie chwilowe przekraczanie pułapu Čn, pod warunkiem, by pole zawarte między krzywą î a osią czasu (rysunek Z2-14) było mniejsze od pola prostokąta między poziomą î = 1 a osią czasu. Umożliwia to oszczędniejsze wymiarowanie silników, zmniejszenie ciężaru i momentów bezwładności, co jest szczególnie ważne w napędach dźwignicowych.

Rysunek Z2-12. Trwałość izolacji (klasy A) silnika, w zależności od przyrostu temperatury

Rysunek Z2-13. Przebieg zmian temperatury uzwojeń silników przy obciążeniach zmiennych: a) poniżej pułapu Tg, b) z chwilowymi przekroczeniami pułapu Tg.

Rysunek Z2-14. Prędkość starzenia się izolacji w przypadku jak na rysunku Z2-13b

ZAŁĄCZNIK 3

Parametry charakteryzujące maszyny elektryczne prądu przemiennego i stałego

Nazwy i określenia

1. Dane znamionowe – zbiór wartości i warunków pracy;

2. Wartość znamionowa – wartość pewnej wielkości, ustalana zwykle przez wytwórcę, charakteryzująca określony stan pracy maszyny w określonych warunkach;

3. Bieg jałowy – stan pracy maszyny wirującej przy mocy wydawanej równej zeru (ale przy zachowaniu innych normalnych warunków pracy);

4. Pełne obciążenie – obciążenie powodujące, że maszyna pracuje przy danych znamionowych;

5. Postój – całkowity brak ruchu oraz zasilania elektrycznego lub napędzania mechanicznego maszyny;

6. Praca – obciążenie lub zestaw obciążeń, któremu maszyna jest poddawana, z uwzględnieniem, jeżeli występują, okresów ruchu, hamowania elektrycznego, biegu jałowego i postoju, a także czasów ich trwania i kolejności występowania;

7. Rodzaj pracy – ciągły, dorywczy lub okresowy przebieg pracy, obejmujący pojedyncze obciążenie lub kilka obciążeń stałych w określonym czasie, lub nieokresowy przebieg pracy, w którym na ogół obciążenie i prędkość obrotowa zmieniają się w dopuszczalnym zakresie;

8. Względny czas obciążenia – stosunek czasu pracy maszyny pod obciążeniem, łącznie z czasem rozruchu i hamowania elektrycznego, do czasu trwania całego okresu pracy, wyrażony w procentach;

9. Moment obrotowy przy zahamowanym wirniku – najmniejsza z wartości momentu obrotowego, zmierzonych na czopie napędowym wału, zahamowanego wirnika, przy różnych jego położeniach kątowych i przy zasilaniu silnika napięciem znamionowym o częstotliwości znamionowej;

10. Prąd przy zahamowanym wirniku – największa ze wszystkich wartości skutecznych prądu pobieranego z sieci w stanie ustalonym, przy różnych położeniach kątowych zahamowanego wirnika, przy zasilaniu silnika napięciem znamionowym o częstotliwości znamionowej;

11. Najmniejszy moment rozruchowy (silnika prądu przemiennego) – najmniejsza wartość momentu obrotowego, wytwarzanego przez silnik przy pracy asynchronicznej, w stanie ustalonym, występująca w zakresie prędkości obrotowej od zera do prędkości obrotowej, odpowiadającej momentowi krytycznemu, i przy zasilaniu napięciem znamionowym o częstotliwości znamionowej;

Definicji tej nie stosuje się do silników indukcyjnych, w których moment obrotowy zmniejsza się monotonicznie wraz ze wzrostem prędkości obrotowej. UWAGA. Dodatkowo przy pracy asynchronicznej w stanie ustalonym, przy niektórych prędkościach obrotowych, pojawiają się momenty synchroniczne zależne od kąta obciążenia wirnika.

Przy tych prędkościach obrotowych, dla określonych kątów obciążenia wirnika, moment dynamiczny może być ujemny.

Z doświadczeń i obliczeń wynika, że powoduje to tylko chwilową zmianę warunków działania i dlatego też momenty synchroniczne od składowych harmonicznych nie przeszkadzają w rozruchu silnika i nie zostały uwzględnione w niniejszej definicji.

1. Moment krytyczny (silnika prądu przemiennego) – największa wartość momentu obrotowego, wytwarzanego przez silnik przy pracy asynchronicznej, w stanie ustalonym bez nagłego spadku prędkości obrotowej, przy zasilaniu napięciem znamionowym o częstotliwości znamionowej;

2. Największy moment obrotowy (silnika synchronicznego) – największy moment obrotowy wytwarzany

Definicji tej nie stosuje się do silników indukcyjnych, w których moment obrotowy zmniejsza się monotonicznie wraz ze wzrostem prędkości obrotowej.

przez silnik synchroniczny, będący w stanie nagrzanym, przy synchronicznej prędkości obrotowej oraz przy znamionowych wartościach napięcia, częstotliwości i prądu wzbudzenia;

1. Znamionowy współczynnik kształtu prądu stałego zasilającego twornik silnika prądu stałego z przekształtnika – stosunek największej dopuszczalnej wartości skutecznej prądu I ef, max N do jego wartości średniej I avN (średnia całkowa w przedziale jednego okresu) w warunkach znamionowych:

2. Współczynnik tętnienia prądu – stosunek różnicy między wartością największą Imax a jego wartością najmniejszą Imin prądu tętniącego, do podwójnej jego wartości średniej Iav (średnia całkowa w przedziale jednego okresu):

UWAGA. Współczynnik tętnienia małych wartości prądu tętniącego, można obliczyć w przybliżeniu z następującego wyrażenia:

Powyższe wyrażenie można stosować jako przybliżone, jeżeli obliczona z niego wartość qi jest równa lub mniejsza niż 0.4.

16. Równowaga cieplna – stan cieplny maszyny, w którym przyrosty temperatury poszczególnych części maszyny, nie zmieniają się więcej niż o 2°K przez jedną godzinę;

Rodzaje pracy

Rozróżnia się następujące rodzaje pracy maszyn elektrycznych wirujących.

1. Praca ciągła – rodzaj pracy S1 – praca z obciążeniem stałym, trwającym tak długo, aż zostanie osiągnięty stan równowagi cieplnej (rysunek Z3-1.).

Odpowiedni skrót: S1.

Rysunek Z3-1. Praca ciągła – rodzaj pracy S1

ϑ max – najwyższa temperatura osiągana przy pracy ciągłej; tp – czas pracy przy obciążeniu stałym.

2. Praca dorywcza – rodzaj pracy S2 – praca z obciążeniem stałym, trwającym przez określony czas, krótszy niż czas potrzebny do osiągnięcia równowagi cieplnej i następującym po tym czasie postojem, trwającym tak długo, aż ustalona temperatura maszyny nie będzie się różnić więcej niż 2°K od temperatury czynnika chłodzącego (rysunek Z3-2.).

Odpowiedni skrót: S2, po którym należy podać czas trwania tej pracy.

Przykład: S2 60 min.

Rysunek Z3-2. Praca dorywcza – rodzaj pracy S2

ϑ max – najwyższa temperatura osiągana przy pracy dorywczej, tp – czas pracy przy obciążeniu stałym.

3. Praca okresowa przerywana – rodzaj pracy S3 – szereg identycznych okresów pracy, z których każdy obejmuje czas pracy przy obciążeniu stałym i czas postoju. Przy tym rodzaju pracy okres jest taki, że prąd rozruchowy nie wpływa w sposób znaczący na nagrzewanie się maszyny (rysunek Z33.).

Odpowiedni skrót: S3, po którym podaje się względny czas obciążenia.

Przykład: S3 25%.

Rysunek Z3-3. Praca okresowa przerywana – rodzaj pracy S3

ϑ max – najwyższa temperatura osiągana w okresie pracy, to – czas trwania okresu, tp – czas pracy przy obciążeniu stałym, ts – czas postoju.

Względny czas obciążenia =

[%]

4. Praca okresowa przerywana z rozruchem – rodzaj pracy S4 – szereg identycznych okresów pracy, z których każdy obejmuje znaczący (ze względów cieplnych) czas rozruchu, czas pracy przy obciążeniu stałym i czas postoju (rysunek Z3-4).

Odpowiedni skrót: S4, po którym należy podać względny czas obciążenia, moment bezwładności silnika (JM) i moment bezwładności obciążenia (Jext), oba sprowadzone do osi wału silnika.

Przykład: S4 25% JM = 0.15 kg × m2 Jext = 0.15 kg × m2

Rysunek Z3-4. Praca okresowa przerywana z rozruchem – rodzaj pracy S4

ϑ max – najwyższa temperatura osiągana w okresie pracy, to – czas trwania okresu, tr – czas rozruchu, tp – czas pracy przy obciążeniu stałym, ts – czas postoju.

Względny czas obciążenia =

[%]

5. Praca okresowa przerywana z hamowaniem elektrycznym – rodzaj pracy S5 – szereg identycznych okresów pracy, z których każdy obejmuje czas rozruchu, czas pracy przy obciążeniu stałym, czas hamowania elektrycznego oraz czas postoju (rysunek Z3-5.).

Odpowiedni skrót: S5, po którym należy podać względny czas obciążenia, moment bezwładności silnika (JM) i moment bezwładności obciążenia (Jext), oba sprowadzone do osi wału silnika.

Przykład: S5 25% JM = 0.15 kg × m2 Jext = 0.15 kg × m2

Rysunek Z3-5. Praca okresowa przerywana z hamowaniem elektrycznym – rodzaj pracy S5

ϑ max – najwyższa temperatura osiągana w okresie pracy, to – czas trwania okresu, tr – czas rozruchu, tp – czas pracy przy obciążeniu stałym, th – czas hamowania, ts – czas postoju.

Względny czas obciążenia =

[%]

6. Praca okresowa długotrwała z przerwami jałowymi – rodzaj pracy S6 – szereg identycznych okresów pracy, z których każdy obejmuje czas pracy przy obciążeniu stałym i czas pracy przy biegu jałowym (bez obciążenia). W tym rodzaju pracy nie występuje czas postoju (rysunek Z3-6.).

Odpowiedni skrót: S6, po którym należy podać względny czas obciążenia.

Przykład: S6 40%

Rysunek Z3-6. Praca okresowa długotrwała z przerwami jałowymi – rodzaj pracy S6

ϑ max – najwyższa temperatura osiągana w okresie pracy, to – czas trwania okresu, tp – czas pracy przy obciążeniu stałym, tj – czas pracy przy biegu jałowym.

Względny czas obciążenia =

[%]

7. Praca okresowa długotrwała z hamowaniem elektrycznym – rodzaj pracy S7 – szereg identycznych okresów pracy, z których każdy obejmuje czas rozruchu, czas pracy przy obciążeniu stałym oraz czas hamowania elektrycznego. W tym rodzaju pracy nie występuje czas postoju (rysunek Z3-7.).

Odpowiedni skrót: S7, po którym należy podać moment bezwładności silnika (JM), i moment bezwładności obciążenia (Jext), oba sprowadzone do osi wału silnika.

Przykład: S7 JM = 0.15 kg × m2 Jext = 0.15 kg × m2

Rysunek Z3-7. Praca okresowa długotrwała z hamowaniem elektrycznym – rodzaj pracy S7

ϑ max – najwyższa temperatura osiągana w okresie pracy, to – czas trwania okresu, tr – czas rozruchu, tp – czas pracy przy obciążeniu stałym, th – czas hamowania.

Względny czas obciążenia = 1.

8. Praca okresowa długotrwała z równoczesnymi zmianami obciążenia i prędkości obrotowej – rodzaj pracy S8 – szereg identycznych okresów pracy, z których każdy obejmuje czas pracy przy obciążeniu stałym odpowiadającym określonej uprzednio prędkości obrotowej i z jednego lub kilku czasów pracy przy innych obciążeniach, odpowiadających innym prędkościom obrotowym (osiąganym np. przez zmianę liczby biegunów w przypadku silników indukcyjnych). W tym rodzaju pracy nie występuje czas postoju (rysunek Z3-8.).

Odpowiedni skrót: S8, po którym należy podać moment bezwładności silnika (JM), i moment bezwładności obciążenia (Jext), oba sprowadzone do osi wału silnika, wraz z wartościami obciążenia, prędkości obrotowej i względnego czasu obciążenia, dla wszystkich prędkości obrotowych.

Przykład: S8 JM = 0.15 kg × m2 Jext = 0.15 kg × m2 16 kW 740 min-1 30% 40 kW 1460 min-1 30% 25 kW 980 min-1 40%

Rysunek Z3-8. Praca okresowa długotrwała ze zmianami prędkości obrotowej – rodzaj pracy S8

ϑ max – najwyższa temperatura osiągana w okresie pracy, to – czas trwania okresu, tr – czas rozruchu, tp1, tp2, tp3 – czasy pracy przy obciążeniu odpowiadającym różnym stałym prędkościom obrotowym, th1, th2 – czasy hamowania.

Względne czasy obciążenia:

9. Praca z nieokresowymi zmianami obciążenia i prędkości obrotowej (praca nieokresowa) – rodzaj pracy S9 – praca, przy której na ogół obciążenie i prędkość obrotowa zmieniają się nieokresowo w dopuszczalnym zakresie. Praca ta obejmuje czesto przeciążenia, które mogą przekraczać znacznie pełne obciążenie (rysunek Z3-9.).

UWAGA. Dla tego rodzaju pracy jako podstawę do ustalenia przeciążenia przyjmuje się odpowiednie wartości pełnego obciążenia.

Odpowiedni skrót: S9.

Rysunek Z3-9. Praca z nieokresowymi zmianami obciążenia i prędkości obrotowej (praca nieokresowa) – rodzaj pracy S9

ϑ max – najwyższa osiągana temperatura, tr – czas rozruchu, tp – czas pracy przy zmiennym obciążeniu, ts – czas postoju, S – praca przy przeciążeniu, Cp – pełne obciążenie.

10. Praca z określonymi obciążeniami stałymi – rodzaj pracy S10 – przebieg pracy obejmujący nie

więcej niż cztery określone wartości obciążenia (lub obciążenia równoważnego), z których przy każdej wartości obciążenia, trwającego dostatecznie długo, maszyna może osiągnąć równowagę cieplną. Minimalne obciążenie w pewnym okresie pracy może mieć wartość równą zeru (bieg jałowy lub postój) – (rysunek Z3-10.).

Odpowiedni skrót: S10, po którym należy podać wartości względne p / Ät dla poszczególnych obciążeń i czas trwania oraz wartość względną TL przewidywanej trwałości cieplnej układu izolacyjnego. Wartością odniesienia przewidywanej trwałości cieplnej jest przewidywana trwałość cieplna, przy danych znamionowych dla pracy ciągłej i przy granicznych przyrostach temperatury, odnoszących się do pracy S1. W przypadku postoju zamiast wartości obciążenia należy podać literę r.

1.0 0.3; 0.9 0.2;TL=0.6

Rysunek Z3-10. Praca z określonymi obciążeniami stałymi – rodzaj pracy S10 To – czas trwania jednego cyklu pracy, t1, t2, t3, t4 – czasy trwania poszczególnych cykli, Pref – obciążenie odniesienia określone przy rodzaju pracy S1, P1, P2, P3, P4 – kolejne obciążenia w poszczególnych cyklach pracy,

ϑ ref – temperatura przy obciążeniu odniesienia, określonym przy rodzaju pracy S1,

Äϑ1 – Äϑ1 – różnica między przyrostem temperatury uzwojenia, dla poszczególnych cykli pracy, obciążeniu a przyrostem temperatury przy obciążeniu odniesienia i rodzaju pracy S1. Wartość TL należy zaokrąglać do najbliższej wielokrotności 0.05 (załącznik 4).

Dla pracy S10, wartością odniesienia Pref do określonych obciążeń stałych jest odpowiednio dobrana wartość obciążenia stałego dla rodzaju pracy S1.

UWAGA. Jako określone wartości obciążeń stałych, podaje się zwykle wartości obciążeń równoważnych, obliczonych na podstawie ich całkowania w funkcji czasu. Nie jest konieczne, aby każdy cykl obciążenia był dokładnie taki sam, ale taki, aby przy każdym określonym obciążeniu, trwającym dostatecznie długo, osiągnięta była równowaga cieplna, i aby każdy cykl obciążenia, po scałkowaniu, dał tę samą wartość względnej przewidywanej trwałości cieplnej.

Dane znamionowe

1. Moc znamionowa silnika – jest to moc mechaniczna wydawana na wale. Powinna ona być wyrażona w watach (W).

2. Napięcie znamionowe – to napięcie międzyfazowe na zaciskach maszyny, przy mocy znamionowej.

Warunki w miejscu pracy

1. Wysokość nad poziomem morza – nie powinna przekraczać 1000 m.

2. Największa temperatura powietrza otaczającego – nie powinna przekraczać 40°C.

3. Najmniejsza temperatura powietrza otaczającego – nie powinna być niższa niż -15°C dla wszystkich maszyn.

W przypadku maszyn:

–

których iloraz mocy znamionowej, wyrażonej w kW (lub kVA) przez prędkość obrotową w min-1 jest

większa niż 3.3; – o mocy znamionowej < 600 W (lub VA);

–

z komutatorem;

–

złożyskiem ślizgowym;

–

dla których pierwotnym lub wtórnym czynnikiem chłodzącym jest woda;

–

temperatura powietrza otaczającego nie powinna być niższa niż 0°C.

4. Temperatura wody chłodzącej – na wlocie do maszyny lub wymiennika ciepła nie powinna być wyższa niż +25°C i nie niższa niż +5°C;

Zasilanie elektryczne silników prądu przemiennego

1. Silniki prądu przemiennego, których dane znamionowe określono dla warunków zasilania ze źródła o stałej częstotliwości, powinny przy zasilaniu z prądnic prądu przemiennego (lokalnie lub przez sieć) być zdolne do pracy przy współczynniku zawartości harmonicznych (HVF) napięcia zasilającego nie przekraczającym:

• 0.02 dla silników jednofazowych i trójfazowych, w tym silników synchronicznych, lecz z wyjątkiem silników w wykonaniu N (patrz IEC 60034-12), jeżeli wytwórca nie zadeklarował innej wartości;

• 0.03 dla silników w wykonaniu N.

Współczynnik HVF należy obliczać według wzoru:

w którym: un – jest względną wartością harmonicznej napięcia (odniesioną do napięcia znamionowego UN ), n – jest rzędem harmonicznej (niepodzielnym przez trzy w przypadku trój-fazowych silników prądu przemiennego).

Zazwyczaj wystarczy uwzględnić harmoniczne rzędu n ≤ 13.

Trójfazowe silniki prądu przemiennego powinny być zdolne do pracy przy zasilaniu napięciem z sieci trójfazowej, o składowej symetrycznej przeciwnej nie większej niż 1% składowej symetrycznej zgodnej, w długim okresie, lub 1.5% w krótkim okresie, nie przekraczającym kilku minut, i o składowej symetrycznej zerowej nie większej niż 1% składowej symetrycznej zgodnej.

UWAGA. Zaleca się, aby silniki były zdolne do pracy przy zasilaniu napięciem o składowej symetrycznej przeciwnej, wynoszącej 2%, ale może to pociągnąć za sobą bardzo poważne pogorszenie warunków pracy, które mogłyby wpłynąć na trwałość silników.

Jeżeli wartości graniczne współczynnika HVF oraz składowych symetrycznej przeciwnej i zerowej, występują jednocześnie przy obciążeniu znamionowym, to nie powinno to prowadzić do powstania temperatury szkodliwej dla silnika i zaleca się, aby powstała nadwyżka przyrostu temperatury lub temperatury w stosunku do wartości granicznych, nie była większa niż około 10°K.

UWAGA. W pobliżu dużych obciążeń jednofazowych (np. piece indukcyjne) lub w okręgach rolniczych, szczególnie w przypadkach wspólnych sieci dla przemysłu i potrzeb komunalnych, mogą wystąpić deformacje zasilania większe niż ustalone wyżej. W takim przypadku konieczne jest podjęcie innych odpowiednich środków.

2. Silniki prądu przemiennego zasilane z przekształtników powinny być odporne na wyższe harmoniczne zawarte w napięciu zasilającym (patrz IEC 60034-17), w przypadku silników klatkowych (patrz IEC 60034-12).

UWAGA. Gdy napięcie znacznie odbiega od sinusoidy, np. przy zasilaniu z przekształtników, wartość skuteczna całkowitej fali i fali podstawowej są istotne przy ustalaniu parametrów maszyny prądu przemiennego.

Silniki prądu stałego zasilane z przekształtników

W przypadku silnika prądu stałego, zasilanego z przekształtnika, tętnienie napięcia i prądu wpływa na charakterystyki pracy maszyny. Straty i przyrost temperatury rosną, a komutacja jest gorsza niż w silniku zasilanym ze źródła prądu stałego (bez tętnień).

W przypadku silników o mocy znamionowej większej niż 5 kW, przeznaczonych do zasilania z przekształtników, należy je zaprojektować odpowiednio do zasilania z określonego źródła i jeżeli wytwórca uzna to za konieczne, zastosować indukcyjność zewnętrzną, w celu zmniejszenia tętnienia.

Rodzaj zasilania z przekształtnika powinien być określony za pomocą kodu identyfikacyjnego, w następujący sposób:

[CCC – UaN – f – L]

przy czym:

CCC – jest kodem identyfikacyjnym układu połączeń przekształtnika zgodnie z normą IEC 60971, UaN – składa się z trzech lub czterech cyfr, określających znamionowe napięcie przemienne na zaciskach wejściowych przekształtnika, wyrażone w V,

f – składa się z dwóch cyfr wskazujących znamionową częstotliwość wejściową, wyrażone w Hz, L – składa się z jednej, dwóch lub trzech cyfr, określających indukcyjność szeregową, wyrażoną w mH, przeznaczoną do włączania zewnętrznie do obwodu twornika silnika. Jeżeli ta wartość jest równa zeru, należy ją pominąć.

Silniki o mocy znamionowej nieprzekraczającej 5 kW, zamiast dopasowania do określonego rodzaju przekształtnika, mogą być zaprojektowane do stosowania z dowolnym przekształtnikiem z indukcyjnością zewnętrzną lub bez, z zastrzeżeniem, że znamionowy współczynnik kształtu, na jaki silnik został zaprojektowany, nie będzie przekroczony i że poziom izolacji obwodu twornika silnika, odpowiada znamionowemu napięciu przemiennemu na zaciskach wejściowych przekształtnika.

We wszystkich przypadkach przyjmuje się, że tętnienie prądu na wyjściu przekształtnika jest tak małe, iż wynikający z niego współczynnik tętnienia prądu, nie jest większy niż 0.1 w znamionowych warunkach pracy.

Graniczne wartości przyrostów temperatury

Przyrosty temperatury w warunkach odniesienia nie powinny przekraczać wartości granicznych podanych w tablicy Z3-1.

Tabela Z3-1. Graniczne wartości przyrostów temperatury uzwojeń chłodzonych pośrednio powietrzem

Klasa izolacji A E B F H

Metoda pomiaru Th R ETD Th R ETD Th R ETD Th R ETD Th R ETD Th = termometrowa, R = rezystancyjna, K K K K K K K K K K K K K K K ETD = wbudowanych czujników temperatury

Lp. Części maszyny

1a) Uzwojenia prądu przemiennego – 60 65 – – – – 80 85 – 100 105 – 125 130 maszyn o mocy znamionowej 5000 kW (lub kVA) lub większej

1b) Uzwojenia prądu przemiennego – 60 65 – 75 – – 80 90 – 105 110 – 125 130 maszyn o mocy znamionowej większej niż 200 kW (lub kVA) lecz mniejszej niż 5000 kW (lub kVA)

1c)

Uzwojenia prądu przemiennego

–

60

–

–

75

–

–

80

–

–

105

–

–

125

–

maszyn o mocy znamionowej

równej lub mniejszej niż 200 kW

(lub kVA)

inne niż podano w pkt. 1d) lub

1e)

1d)

Uzwojenia prądu przemiennego

–

65

–

–

75

–

–

85

–

–

110

–

–

130

–

maszyn o mocy znamionowej

mniejszej niż 600 W (lub VA)

1e)

Uzwojenia prądu przemiennego z

–

65

–

–

75

–

–

85

–

–

110

–

–

130

–

chłodzeniem własnym bez

przewietrzania (IC40) i/lub z

uzwojeniami hermetyzowanymi

2

Uzwojenia tworników

50

60

–

65

75

–

70

80

–

85

105

–

105

125

–

wyposażonych w komutatory

3

Uzwojenia wzbudzające główne

50

60

–

65

75

–

70

80

–

85

105

–

105

125

–

maszyn prądu przemiennego i

stałego zasilane prądem stałym

inne niż podano w pkt. 4

4a)

Uzwojenia wzbudzające maszyn

–

–

–

–

–

–

–

90

–

–

110

–

–

135

–

synchronicznych z wirnikiem

cylindrycznym zasilane prądem

stałym, umieszczone w żłobkach,

z wyjątkiem silników

indukcyjnych

synchronizowanych

4b)

Izolowane nieruchome uzwojenia

50

60

–

65

75

–

70

80

90

85

105

110

105

125

135

wzbudzające maszyn prądu

stałego, mające więcej niż jedną

warstwę

4c)

Uzwojenia wzbudzające maszyn

60

60

–

75

75

–

80

80

–

100

100

–

125

125

–

prądu przemiennego i stałego o

małej rezystancji, mające więcej

niż jedną warstwę i uzwojenia

kompensacyjne maszyn prądu

stałego

4d)

Jednowarstwowe uzwojenia

65

65

–

80

80

–

90

90

–

110

110

–

135

135

–

maszyn prądu przemiennego i

stałego z odsłoniętymi gołymi lub

lakierowanymi powierzchniami

metalowymi

Inne charakterystyki i badania

1. Krótkotrwałe przeciążenie prądem – postanowienia ogólne. Przeciążalność prądem maszyn wirujących podaje się w celu dostosowania tych maszyn do urządzeń sterujących i zabezpieczających. Nagrzewanie się uzwojeń maszyn zmienia się w przybliżeniu proporcjonalnie do iloczynu czasu i kwadratu prądu. Prąd większy niż prąd znamionowy powoduje wzrost temperatury. Jeżeli wytwórca i zamawiający nie uzgodnili inaczej, można przyjąć, że maszyna będzie pracowała przy podanych przeciążeniach tylko przez kilka krótkich okresów w czasie eksploatacji. Jeżeli maszyna prądu przemiennego ma pracować zarówno jako prądnica, jak i silnik, to jej przeciążalność prądem powinna być przedmiotem uzgodnienia.

1. Krótkotrwałe przeciążenie prądem – silniki prądu przemiennego (z wyjątkiem silników komutatorowych). Silniki trójfazowe prądu przemiennego o mocy znamionowej nie większej niż 315 kW i o napięciu znamionowym nie większym niż 1 kV, powinny wytrzymać przeciążenie prądem, równym 1.5 wartości prądu znamionowego przez co najmniej 2 minuty.

2. UWAGA. Nie określa się krótkotrwałego przeciążenia prądem silników trójfazowych o mocy znamionowej większej niż 315 kW i wszystkich silników jednofazowych.
2. Krótkotrwałe przeciążenie prądem – maszyny komutatorowe. Maszyna komutatorowa powinna wytrzymać w ciągu 60 s przeciążenie prądem, równym 1.5 krotnej wartości prądu znamionowego w niżej określonych warunkach:

a.

prędkość obrotowa:

• silnik prądu stałego – największa prędkość obrotowa, odpowiadająca pełnemu wzbudzeniu;

• prądnica prądu stałego – znamionowa prędkość obrotowa;

• silnik komutatorowy prądu przemiennego – największa prędkość obrotowa, odpowiadająca pełnemu wzbudzeniu;

b.

napięcie twornika – odpowiadające określonej prędkości obrotowej.

1. Chwilowe przeciążenie momentem obrotowym – silniki indukcyjne wielofazowe oraz silniki prądu stałego. Silniki niezależnie od rodzaju pracy i budowy, powinny wytrzymać przez 15 s bez utknięcia i nagłej zmiany (przy stopniowym wzroście momentu obrotowego) przeciążenie momentem obrotowym o 60% większym, niż znamionowy moment obrotowy, przy znamionowym napięciu i znamionowej częstotliwości (silniki indukcyjne). W przypadku silników prądu stałego, moment powinien być wyrażony poprzez przeciążenie prądem.

2. Silniki dla rodzaju pracy S9, powinny wytrzymać chwilowe przeciążenia momentem obrotowym określone dla tego rodzaju pracy.
1. Chwilowe przeciążenie momentem obrotowym – silniki indukcyjne o specjalnym przeznaczeniu. W silnikach o specjalnym przeznaczeniu, wymagających dużego momentu obrotowego (np. do urządzeń dźwigowych), przeciążenie momentem powinno być przedmiotem uzgodnienia.

W przypadku silników indukcyjnych klatkowych, zaprojektowanych specjalnie pod kątem zapewnienia prądu rozruchowego mniejszego niż 4.5 krotna wartość prądu znamionowego, przeciążenie momentem obrotowym może być mniejsze niż 60% znamionowego momentu obrotowego, lecz nie mniejsze niż 50%.

W przypadku silników indukcyjnych szczególnego rodzaju o specjalnych właściwościach rozruchowych, np. silników przeznaczonych do pracy przy zmiennej częstotliwości lub silników indukcyjnych zasilanych z przekształtników, przeciążenie momentem obrotowym powinno być przedmiotem uzgodnienia.

6. Chwilowe przeciążenie momentem obrotowym – silniki synchroniczne wielofazowe. Jeżeli nie uzgodniono inaczej, silnik synchroniczny wielofazowy, niezależnie od rodzaju pracy, powinien przy wzbudzeniu odpowiadającym obciążeniu znamionowemu, wytrzymać przez 15 s bez wypadnięcia z synchronizmu, przeciążenie momentem obrotowym podane niżej. W przypadku wzbudzenia regulowanego automatycznie, graniczne wartości momentu obrotowego powinny być takie same, jak przy układzie wzbudzenia, pracującym w warunkach normalnych:

• silniki indukcyjne synchronizowane (o wirniku uzwojonym): 35% przeciążenia momentem obrotowym;

• silniki synchroniczne (o wirniku cylindrycznym): 35% przeciążenia momentem obrotowym;

• silniki synchroniczne (o biegunach wydatnych): 50% przeciążenia momentem obrotowym.

1. Chwilowe przeciążenie momentem obrotowym – inne silniki. Chwilowe przeciążenie momentem obrotowym silników jednofazowych, komutatorowych i pozostałych powinno być przedmiotem uzgodnienia.

2. Minimalny moment rozruchowy. Jeżeli nie uzgodniono inaczej, minimalny moment rozruchowy silników klatkowych przy pełnym napięciu, nie powinien być mniejszy od podanych niżej wartości:

– silniki trójfazowe jednobiegowe: • o mocy mniejszej niż 100 kW: 0.5 wartości znamionowego momentu obrotowego i 0.5 momentu obrotowego przy zahamowanym wirniku;

• o mocy równej lub większej 100 kW: 0.3 wartości znamionowego momentu obrotowego i 0.5 momentu obrotowego przy zahamowanym wirniku;

• dla silników indukcyjnych klatkowych o napięciu mniejszym lub równym 690 V – zgodnie z normami IEC 60034-12.

• silniki jednofazowe i silniki trójfazowe wielobiegowe: 0.3 wartości znamionowego momentu obrotowego.

9. Zwiększona prędkość obrotowa. Maszyny elektryczne powinny być tak zaprojektowane, aby mogły wytrzymać zwiększoną prędkość obrotową podaną w tablicy Z3-2.

Tabela Z3-2. Zwiększone prędkości obrotowe

Lp.	Rodzaj maszyny																Zwiększona prędkość obrotowa
1	Maszyny prądu przemiennego																1.2 największej znamionowej prędkości obrotowej
	Wszystkie			maszyny										oprócz
	wymienionych niżej:
1a)	Prądnice	napędzane									turbinami						Jeżeli	nie	uzgodniono inaczej		prędkość obrotowa	rozbiegania	się
	wodnymi	i			wszystkie								maszyny				zespołu, lecz nie mniej niż 1.2 największej znamionowej prędkości
	pomocnicze,							połączone									obrotowej
	bezpośrednio					(elektrycznie										lub
	mechanicznie) z maszyną główną
1b)	Maszyny,		które						w			pewnych					Ustalona prędkość obrotowa rozbiegania się zespołu, lecz nie mniej niż
	okolicznościach						mogą								być		1.2 największej znamionowej prędkości obrotowej
	napędzane			przez						urządzenie
	obciążające
1c)	Silniki szeregowe i uniwersalne																1.1 prędkości obrotowej biegu jałowego, przy napięciu znamionowym.
																	Dla silników połączonych z urządzeniami obciążającymi w taki sposób,
																	że nie mogą się one			rozłączyć przypadkowo, wyrażenie „prędkość
																	obrotowa biegu jałowego” należy rozumieć jako prędkość obrotową,
																	przy najmniejszym możliwym obciążeniu

1d) Trójfazowe jednobiegowe silniki 1.2 największej bezpiecznej prędkości obrotowej indukcyjne klatkowe Maszyny prądu stałego

2a) Silniki ze wzbudzeniem 1.2 największej znamionowej prędkości obrotowej lub 1.15 prędkości bocznikowym lub obcowzbudne obrotowej, odpowiadającej prędkości obrotowej biegu jałowego, zależnie od tego, która z nich jest większa

2b) Silniki z dowzbudzeniem 1.2 największej znamionowej prędkości obrotowej lub 1.15 prędkości szeregowym o zakresie nastawienia obrotowej, odpowiadającej prędkości obrotowej biegu jałowego, prędkości obrotowej, nie większej zależnie od tego, która z nich jest większa, lecz nieprzekraczająca 1.5 niż 35% największej znamionowej prędkości obrotowej

Lp. Rodzaj maszyny Zwiększona prędkość obrotowa

2c) Silniki z dowzbudzeniem Wytwórca powinien ustalić największą bezpieczną prędkość obrotową szeregowym i zakresie regulacji pracy, którą należy podać na tabliczce znamionowej. Zwiększona prędkości obrotowej, większym niż prędkość obrotowa tych silników powinna wynosić 1.1 największej 35% oraz silniki o wzbudzeniu bezpiecznej prędkości obrotowej. Podanie tej prędkości obrotowej nie szeregowym jest wymagane dla silników, które są w stanie wytrzymać zwiększoną

prędkość obrotową, wynoszącą 1.1 prędkości obrotowej biegu jałowego, przy napięciu znamionowym

2d)	Silniki	wzbudzane	magnesami	Zwiększona prędkość obrotowa jak w pkt. 2a), z wyjątkiem przypadku,
	trwałymi			gdy silnik ma również uzwojenie szeregowe i powinien wytrzymać
				zwiększone prędkości obrotowe podane w pkt. 2b) lub 2c), zależnie od
				przypadku

2e) Prądnice 1.2 znamionowej prędkości obrotowej

ZAŁĄCZNIK 4

Wskazówki dotyczące stosowania rodzaju pracy S10 oraz ustalenia wartości względnej przewidywanej trwałości cieplnej TL

1. Obciążenie maszyny w każdej chwili jest równoważne obciążeniu przy pracy S1 zgodnie z załącznikiem Z3. Niemniej cykl obciążenia może obejmować obciążenia inne niż obciążenie odniesienia, równe wyznaczonemu dla rodzaju pracy S1. Jeden cykl obciążenia może obejmować nie więcej niż 4 określone obciążenia stałe, zgodnie z rysunkiem Z3-10.

2. Zależnie od wartości i czasu trwania poszczególnych obciążeń w jednym cyklu, względna przewidywana trwałość maszyny oparta na cieplnym starzeniu się układu izolacyjnego, może być obliczona z następującego równania:

w którym:

TL – jest względną oczekiwaną trwałością cieplną, odniesioną do przewidywanej trwałości cieplnej, w przypadku rodzaju pracy S1 przy mocy odniesienia;

Äϑi – jest różnicą między przyrostem temperatury uzwojenia, przy każdym ze zmieniających się obciążeń w jednym cyklu i przyrostem temperatury, dla rodzaju pracy S1 przy mocy odniesienia;Äti – jest to czas w wartościach względnych, jednego stałego obciążenia w cyklu obciążenia; k – jest to wzrost przyrostu temperatury w °K, który prowadzi do skrócenia przewidywanej trwałości cieplnej układu izolacyjnego o 50%; n – jest to liczba nieokreślonych wartości obciążenia (n ≤ 4).

1. Wielkość TL jest integralną częścią jednoznacznej identyfikacji klasy danych znamionowych.

2. Wartość wielkości TL może być tylko wtedy określona, kiedy w uzupełnieniu do informacji dotyczącej cyklu obciążenia, zgodnie z rysunkiem Z3-10, znana jest wartość k dla układu izolacyjnego. Tę wartość k wyznacza się eksperymentalnie zgodnie z normą IEC 60034-18, dla całego zakresu temperatury, a występujące w cyklu obciążenia, zgodnie z rysunkiem Z3-10.

3. TL może być ustalana tylko jako wartość względna. Wartość ta może być stosowana do przybliżonego oszacowania rzeczywistej zmiany, przewidywanej trwałości cieplnej maszyny, w porównaniu do rodzaju pracy S1 przy mocy odniesienia, ponieważ można przyjąć, że z uwagi na istniejące różne obciążenia w cyklu, pozostałe wpływy na trwałość maszyny (np. naprężenia dielektryczne, wpływy środowiskowe), są w przybliżeniu takie same, jak w przypadku rodzaju pracy S1 przy mocy odniesienia.

4. Wytwórca maszyny jest odpowiedzialny za prawidłowe zestawienie poszczególnych parametrów do określania wartości TL.

Literatura

1. Gogolewski Z., Kuczewski Z.: Napęd elektryczny. WNT, Warszawa, 1971;

2. Praca zbiorowa pod redakcją Grunwalda Z.: Napęd elektryczny. WNT, Warszawa, 1987;

3. Polska Norma PN-EN 60034-1: Maszyny elektryczne wirujące. Dane znamionowe i parametry;

4. Polska Norma PN-89 E-05012: Urządzenia elektroenergetyczne. Dobór silników elektrycznych i ich instalowanie. Ogólne wymagania i odbiór techniczny;

5. Polska Norma PN-EN 61800-2: Elektryczne układy napędowe mocy o regulowanej prędkości;

6. Polska Norma PN-E-06717: Maszyny elektryczne wirujące. Wytyczne stosowania silników klatkowych zasilanych z przkształtników.