Источники электроэнергии и особенности её распределения на предприятиях нефтяной и газовой промышленности

            dω         ω²   dJ 

      М_дин= J   — + — *     (2)

                      dt       2  dφ

     где φ — угол поворота рабочего органа, приведенный к валу двигателя.

     Динамический момент проявляется только во время переходных процессов, т. е. когда изменяются частота вращения электропривода и запас кинетической энергии в нем.

     Когда момент инерции электропривода не зависит  от угла поворота рабочего органа, что  встречается довольно часто, формула (2) упрощается

               dω     

     М_дин= J   —                 (3)

                      dt      

     При равенстве вращающего момента двигателя  и момента статического сопротивления  возможно состояние динамического  равновесия: частота вращения электропривода не изменяется. При нарушении равновесия между моментами двигателя и сопротивления частота вращения двигателя начинает изменяться. Если М_дв>М_с, привод ускоряет свое движение, если М_дв>М_с — замедляет. В соответствии с уравнением (1) динамический момент определяется разностью между моментами двигателя и сопротивления. Положительному динамическому моменту соответствуют ускорение электропривода и возрастание кинетической энергии; отрицательному — замедление привода и убывание кинетической энергии.

     Обычно  двигатель соединяется с производственным механизмом через промежуточные передачи: зубчатые, цилиндрические и конические шестерни, червячные пары, шкивы клиноременных передач, и пр. В механизме могут быть массы, вращающиеся и движущиеся поступательно с различными скоростями. При составлении уравнения движения сложной кинематической системы можно написать уравнения движения для каждого звена системы, а затем совместно решить эти уравнения. Однако такой путь весьма громоздок и трудоемок. Для упрощения задачи все моменты инерции и моменты статического сопротивления приводят к одной частоте вращения, (например, к частоте вращения двигателя), для которой составляют и решают одно уравнение движения. При этом пользуются известными законами теоретической механики.

     Приводя, статические моменты к частоте  вращения вала двигателя, исходят из закона сохранения энергии. При этом динамическое действие привода остается неизменным, если учитывается условие, что запас кинетической энергии привода, сохраняется неизменным.

     При всяком нарушении равновесия между  моментами двигателя и статического сопротивления наступает переходный процесс, сопровождающийся изменением частоты вращения, момента и силы тока двигателя и запаса кинетической энергии электропривода и механизма. К переходным процессам относятся пуск, торможение, реверсирование, изменение нагрузки или частоты вращения во время работы механизма и пр. Характер протекания переходных процессов электропривода определяется, прежде всего законами изменения движущих моментов и моментов сопротивления всего агрегата. 
 
 

     Механические  характеристики производственных механизмов и электродвигателей. 

     При выборе электродвигателей необходимо, чтобы их электромеханические свойства соответствовали характеристикам и технологическим требованиям производственных механизмов. К электромеханическим свойствам относятся в первую очередь механические характеристики двигателей в различных режимах работы, а также пусковые и тормозные свойства двигателей. Механической характеристикой двигателя называется зависимость частоты вращения его вала от момента, который двигатель развивает. Механической характеристикой производственного механизма называется зависимость момента сопротивления механизма от частоты его вращения.

     Несмотря на многообразие производственных механизмов, механическую характеристику большинства из них можно выразить зависимостью 

                                        (ω)^q      

      М_с= М_о + (М_н  -  М_о)                  

                                         (ω_н)^q 

     где М_с — момент сопротивления механизма при частоте вращения ω; М_о — момент трения или холостого хода машины; М_н — момент сопротивления при номинальной частоте вращения ω_н; q — показатель степени, характеризующий изменение момента при изменении частоты вращения.

     Основные  типы механизмов имеют q = 0; q = 1 и q = 2. При q = 0 M_c = M_H=const, т. е. момент сопротивления их не зависит от частоты вращения (рис. 5). Такую механическую характеристику имеют все машины, совершающие работу подъема, формоизменения материала или преодолевающие трение (подъемные лебедки и краны, бумагоделательные машины, поршневые насосы при неизменной высоте подачи жидкости). Мощность таких машин растет линейно с частотой вращения.

     

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Рис. 5. Механические характеристики производственных механизмов:

     I – q=0; II – q=1; III – q=2

      

      При q = 1 момент растет линейно с частотой вращения, а мощность — прямо пропорциональна квадрату частоты вращения. Подобная характеристика имеется у генератора постоянного тока независимого возбуждения, работающего на постоянное сопротивление нагрузки.

     При q = 2 момент возрастает квадратично с частотой вращения, а потребляемая мощность   примерно   пропорциональна ее кубу. К этой группе относятся вентиляторы, центробежные насосы, турбокомпрессоры, гребные винты. Характеристики этих машин часто называют вентиляторными. 

     Во  всех машинах с кривошипным механизмом (поршневые насосы и компрессоры, станки-качалки и т. п.) момент сопротивления зависит от положения кривошипа, т. е. от углового положения вала двигателя. Во всех подобных машинах момент сопротивления складывается из постоянной и переменной составляющих. Последняя периодически изменяется в зависимости от угла поворота вала. Такие кривые могут быть представлены в виде ряда Фурье, т. е. суммы гармонических колебаний различной частоты, что позволяет весьма упростить расчеты электропривода.

     В отличие от производственных механизмов практически все электродвигатели, за исключением синхронных, имеют «падающую» механическую характеристику, т. е. с увеличением момента на валу двигателя частота его вращения уменьшается. В зависимости от степени изменения частоты вращения двигателей их механические характеристики подразделяются на абсолютно жесткие, жесткие и мягкие  (рис. 6). 

                                                 

     Рис. 6. Механические характеристики электродвигателей:

     I – абсолютно жесткая; II – жесткая; III - мягкая 

     Абсолютно жесткую характеристику имеют синхронные двигатели (их частота вращения не зависит  от момента сопротивления   на   валу).

     При жесткой характеристике изменению  момента сопротивления от нуля до номинального значения соответствует незначительное (до 10%) изменение частоты вращения двигателя. Такие характеристики свойственны асинхронным двигателям и двигателям постоянного тока параллельного или независимого возбуждения.

     Мягкой  характеристикой обладают двигатели  постоянного тока последовательного  возбуждения. У этих двигателей с  увеличением момента частота вращения сильно падает.

     В зависимости от конфигурации механических характеристик производственного механизма и электродвигателя их совместная работа может быть устойчивой или неустойчивой.

     Под статической устойчивостью (т. е. под  устойчивостью при сравнительно медленных изменениях режима) электропривода понимают способность его автоматически восстанавливать установившийся режим работы после его нарушения без помощи регулятора, а лишь вследствие органических свойств привода, обусловленных механическими характеристиками двигателя   и   производственного   механизма.

     Электрическая машина постоянного тока является обратимой, т. е. она может работать как в режиме двигателя, потребляя электрическую энергию из сети и преобразуя ее в механическую, так и в режиме генератора, получая механическую энергию на вал извне и преобразуя ее в электрическую, которая снимается с зажимов машины. В электроприводе электрическая машина обычно работает в режиме двигателя, однако в ряде случаев возможен и генераторный режим. Механическая энергия получается при этом от приводимого механизма, например вследствие опускающегося груза или запасенной в движущихся частях кинетической энергии, и превращается в элек трическую энергию, которая передается в общую сеть или нагревает резисторы. Электрическая машина, работающая в режиме генератора, оказывает на привод   тормозящее   действие. 

  Выбор электрических двигателей. 

  Общие принципы выбора электропривода. 

     При выборе двигателя для производственного  механизма необходимо учитывать  следующие условия.

     1. Мощность двигателя не должна  быть слишком малой во избежание чрезмерного нагрева его обмоток и слишком большой во избежание неэкономичной эксплуатации: недогруженные двигатели имеют пониженное значение КПД, а асинхронные двигатели,  сверх того,  и  низкий  коэффициент  мощности.

     2. Вращающий момент двигателя, с одной стороны, должен быть достаточным как для пуска производственного механизма в ход, так и для преодоления толчков нагрузки при его работе; с другой стороны, если требуется плавный пуск механизма, пусковой момент двигателя не должен быть слишком большим.

     3. Частота вращения двигателя должна  быть такой, чтобы обеспечивалась  проектная производительность производственного механизма, причем должна быть предусмотрена возможность регулирования частоты вращения, если это требуется по ходу технологического процесса.

     4. Конструктивное исполнение двигателя  должно допускать его удобное  сочленение с производственным  механизмом и защиту от воздействия окружающей среды.

     Иногда  необходимость выбора мощности двигателя  возникает при замене установленного по проекту двигателя двигателем другой мощности в связи с обнаружившейся перегрузкой. Двигатель может оказаться перегруженным, например, вследствие повышения темпа работы или увеличения загрузки производственного механизма в результате совершенствования и автоматизации технологического процесса.

     Таким образом, при правильном выборе двигателя  будут обеспечены необходимая производительность исполнительного механизма, хорошие  энергетические показатели электропривода и надежная работа. При выборе двигателя исходят из его нагрева при работе в требуемом режиме и кратковременной перегрузочной способности. Если номинальная мощность двигателя составляет Р_н это значит, что при продолжительной (длительной) нагрузке, равной Р_н, и температуре окружающей среды 40° С двигатель нагреется до своей предельной температуры, определяемой классом изоляции обмоток двигателя. Обычно это происходит спустя несколько часов после начала работы.

     Номинальная мощность двигателя — величина не постоянная. Если двигатель работает с паузами, позволяющими ему охлаждаться, он может быть нагружен мощностью, превышающей мощность Р_н продолжительного режима работы. Номинальная мощность двигателя зависит также от температуры окружающей среды и от условий охлаждения двигателя.

     При установлении номинальной мощности двигателя заводы-изготовители исходят из температуры окружающей среды 40° С. Если она выше 40° С, нагрузку двигателя необходимо уменьшить, а если ниже 40° С — можно несколько повысить.

     Во  время установившегося режима работы двигатель развивает момент, уравновешивающий момент статического сопротивления М_с, обусловленный нагрузкой производственного механизма и трением в звеньях механизма. Кроме того, во время переходных процессов двигатель должен преодолевать динамический момент М_дин. Поэтому суммарный момент М_дв, развиваемый двигателем, выразится уравнением   (1).