Режимы работы электрооборудования презентация

Три характерные группы приемников
Приемники, работающие в режиме с продолжительно неизменной или мало меняющейся нагрузкой.
2. Приемники, работающие в режиме кратковременной нагрузки.
3. Приемники, работающие в режиме повторно-кратковременной нагрузки.

Режимы работы электроприемников
Согласно ГОСТ 183-74 различают восемь номинальных режимов работы электроприемников (электродвигателей):
продолжительный S1;
кратковременный S2;
повторно-кратковременный S3;
повторно-кратковременный с частыми пусками S4;

повторно-кратковременный с частыми пусками и электрическим торможением S5;
перемежающийся S6;
перемежающийся с частыми реверсами S7;
перемежающийся с двумя или более частотами вращения S8.

Продолжительный номинальный режим работы (S1)
- это режим при неизменной номинальной нагрузке, продолжающийся столько времени, что превышение температуры всех частей двигателя, при неизменной температуре окружающей среды, достигают практически установившихся значений.

Временные диаграммы режима

Кратковременный режим работы S2
- режим, при котором периоды неизменной номинальной нагрузки чередуются с периодами отключения машины; причем за время нагрузки превышение температуры не достигает практически установившихся значений, а во время паузы двигатель успевает охладиться до температуры окружающей среды.

Временные диаграммы режима

Работает машина при неизменной нагрузке РН в течение времени tp, недостаточного для достижения всеми частями машины установившейся температуры, после чего следует остановка машины на время, достаточное для охлаждения машины до температуры, не более чем на 2°С превышающей температуру окружающей среды.

Расчет мощности электродвигателя
Мощность двигателя в кратковременном режиме S2 ориентировочно можно определить по формуле:

где – номинальная мощность двигателя в длительном режиме S1;
– постоянная времени нагрева двигателя;
– время работы;
– время паузы;
– постоянная времени охлаждения неподвижного двигателя;
мин (каталожное время работы), при этом

Повторно-кратковременный режим работы S3
- режим, при котором кратковременные периоды неизменной номинальной нагрузки (рабочие периоды) чередуются с периодами отключения машины (паузами), причем как рабочие периода, так и паузы не настолько длительны, чтобы превышение температуры могли достигнуть установившихся значений.

Временные диаграммы режима

В этом режиме работы продолжительность цикла не превышает 10 мин. и ПВ ≤ 60 %.
Режим характеризуется относительной продолжительностью включения, в % стандартное ПВ = 15, 25, 40, 60 %, которая определяется по формуле
где - время работы, - время паузы,
- время цикла.

Повторно-кратковременный номинальный режим с частыми пусками S4
- режим, при котором периоды пуска и кратковременной неизменной номинальной нагрузки чередуются с периодами отключения машины, причем рабочие периоды, так и паузы, не настолько длительны, чтобы превышения температуры частей машины могли достигнуть установившихся значений. В этом режиме пусковые потери оказывают существенное влияние на превышение температуры частей машины.

Временные диаграммы режима

Данный режим характеризуется относительной продолжительностью включения, числом пусков в час и коэффициентом инерции привода. Это последовательность идентичных режимов работы, каждый из которых включает время пуска , время работы при постоянной нагрузке , за которое двигатель не нагревается до установившейся температуры, и время стоянки , за которое двигатель не охлаждается до температуры окружающей сред.

Повторно-кратковременный с частыми пусками и электрическим торможением S5
это режим, при котором периоды пуска, кратковременной неизменной номинальной нагрузки и электрического торможения чередуются с периодами отключения машины.
Рабочие периоды так и паузы не настолько длительны, чтобы превышение температуры частей машины могли достигнуть установившихся значений.

- В этом режиме потери пусковые и при электрическом торможении оказывают существенное влияние на превышение температуры частей машины.
Этот режим характеризуется относительной продолжительностью включения, числом пусков в час, коэффициентом инерции

- Стандартные ПВ - 15, 25, 40, 60 %. Число пусков в час: N=30, 60, 120, 240.
- F1 - коэффициент инерции - это отношение суммарного момента инерции привода к моменту инерции якоря двигателя
- Стандартные значения: 1,2; 1,6; 2,5; 4; 6,3; 10.

Временные диаграммы режима

Внимание !!!
Остальные режимы работы электродвигателей изучить и дополнить в лекционный материал самостоятельно

Нагрев токоведущих частей

Q1
T1
T2
Q2
РУ НН 1
T1
T2
Q3
РУ НН 2
T1
T2
Q4
РУ НН 3
T1
T2
Q5
РУ НН 4
T1
T2
ПС-1
ПС Глубокого ввода 110/6(10) кВ
ТП - 1
6(10)/0,4
ТП - 2
6(10)/0,4
ТП - 3
6(10)/0,4
ТП - 4
6(10)/0,4
Схема ЭЭС
Термическое воздействие
Электродинамическое воздействие

Термическое воздействие токов на различные части электроустановок
Нагрев длительно протекающими токами
Время протекания токов неограниченно
Температура токоведущих частей не должна превышать 75-90 0С
Нагрев токами короткого замыкания
Время протекания токов не превышает 1-10 секунд
Температура токоведущих частей недолжна превышать 120-400 0С

Нагрев проводников длительно протекающими токами
Длительно протекающими, называются такие токи, которые характерны для нормального режима работы электроустановки, включая допустимые перегрузки.
По закону Джоуля-Ленца, количество тепла, выделяемое в проводнике за промежуток времени , определяется формулой:
Количество теплоты, расходуемое на нагрев проводника
Количество теплоты, расходуемое на нагрев окружающей среды
(1)
(2)
(3)
(4)

Нагрев проводников длительно протекающими токами
Зная установившуюся величину превышения нагрева θуст.нI1 при какой то длительной нагрузке I1 можно рассчитать θуст.нI2 для любой другой длительной нагрузки I2

Допустимая температура нагрева проводников
В таблице приведены допустимые температуры нагрева проводников Iдоп при длительно допустимой токовой нагрузке . На основе этих данных можно определить величину установившегося превышения нагрева
θуст.нIдоп = θдоп.ж - θср
Располагая справочными данными по Iдоп и θуст.нIдоп можно определить установившееся значение превышение нагрева проводника θуст.нI при длительной нагрузке его током I , отличающимся от Iдоп

Изменение превышения нагрева проводника при переменной нагрузке

Нагрев проводников длительно протекающими токами
При длительном протекании тока по проводнику превышение температуры достигает своего установившегося значения за время 3 τ. В дальнейшем изменение теплоты происходит только из-за нагрева окружающей среды.
(2)

Нагрев проводников длительно протекающими токами
соответственно
(1)
(3)
Решив это дифференциальное уравнение первого порядка относительно превышения температуры проводника над температурой окружающей среды, мы получим следующее выражение, показывающее её зависимость от силы тока.

Нагрев проводников длительно протекающими токами
При длительном протекании тока по проводнику превышение температуры достигает своего установившегося значения за время 4 τ. В дальнейшем изменение теплоты происходит только из-за нагрева окружающей среды.
(2)
(1)

Нагрев проводников длительно протекающими токами
Проверка токоведущих частей по допустимому току из условия нагрева
- рабочий утяжеленный ток электроустановки, А;
- допустимый ток выбранного сечения с учетом поправки при расположении плоских шин плашмя (см. ПУЭ п. 1.3.23) или температуре охлаждающей среды, отличной от номинальной (25 0С).
(1)
(2)

Учет постоянной времени при выборе сечения проводников

Короткое замыкание (КЗ) – всякое случайное или преднамеренное, не предусмотренное нормальным режимом работы электрическое соединение токоведущих частей отдельных фаз между собой, а в установках с заземленной нейтралью также и с землей или с нулевым проводом, при котором токи в ветвях электроустановки, примыкающих к месту его возникновения, резко возрастают, превышая наибольший допустимый ток продолжительного режима.
Продолжительность КЗ составляет обычно доли секунды и, как исключение, может длиться несколько секунд. В течение этого короткого промежутка времени выделение тепла настолько велико, что температура проводников и аппаратов выходит за пределы, установленные для нормального режима. Процесс нагревания прекращается в момент автоматического отключения поврежденного участка системы, после чего происходит относительно медленное остывание.
Протекание токов КЗ через элементы электрических установок вызывает электродинамическое и тепловое воздействия.
Даже кратковременное повышение температуры проводников и контактов при КЗ может ускорить старение и разрушение изоляции, вызвать сваривание и разрушение контактов, потерю механической прочности шин и проводов, пожары и т.п. Для надежности работы электрической системы необходимо исключить такие повреждения, что достигается выбором соответствующих размеров токоведущих частей и по возможности быстрым отключением поврежденных частей.

Нагрев проводников при коротком замыкании
Длительность существования токов к.з. складывается из двух составляющих времени: времени срабатывания релейной защиты (tрз=0,01 сек) и собственного времени отключения силового выключателя (tсв=0,15 сек).
То есть, даже при срабатывании резервных защит, время существования короткого замыкания меньше 0,1 сек. Процессы нагрева проводников можно считать адиабатическими – все тепло, выделяющееся в проводнике, идет на нагрев самого проводника:
(1)
(2)
(3)

Способность аппарата и проводника противостоять кратковременному тепловому действию тока КЗ без повреждений, препятствующих дальнейшей исправной работе, называется термической стойкостью.
Термическое действие сводится к нагреву токоведущих частей и аппаратов, по которым протекает ток КЗ. Критерием термической стойкости является конечная температура, которая ограничивается механической прочностью металлов, деформациями частей аппаратов, а также нагревостойкостью изоляции. Допустимые конечные температуры для аппаратов и проводников установлены на основании опыта. Они выше допустимых температур при нормальной работе, поскольку изменение механических свойств металлов и износ изоляции определяется не только температурой, но и продолжительностью нагревания, которая в рассматриваемых условиях мала.

Для термической стойкости аппаратов должно быть выполнено условие
Iтер − номинальный ток термической стойкости аппарата;
где Bк − импульс квадратичного тока короткого замыкания, пропорциональный количеству тепловой энергии, выделенной за время короткого замыкания (интеграл Джоуля).
tтер − номинальное время термической стойкости аппарата;
где Wвыд − количество тепловой энергии, выделенной за время короткого замыкания;
Rапп − сопротивление аппарата.
Или
Согласно ПУЭ время отключения tотк складывается из времени действия основной релейной защиты данной цепи tр.з и полного времени отключения выключателя tо.в:
где Iп.0 – действующее значение периодической составляющей начального тока короткого замыкания;
Например тепловой импульс короткого замыкания в электрических сетях можно рассчитать по формуле:
Та – постоянная времени затухания апериодической составляющей тока короткого замыкания:
tотк = tр.з + tо.в.

Нагрев проводников при коротком замыкании
Теплоой импульс, интеграл Джоуля
(1)

Рассмотрим возникновение тока КЗ в цепи переменного тока с синусоидальной ЭДС, от источника неограниченной мощности. Значения токов КЗ зависят от момента времени.
Итак, при возникновении КЗ, в цепи появляются токи, имеющие следующие названия:
периодическая составляющая тока КЗ, определяется по закону Ома и изменяется по гармонической кривой в соответствии с синусоидальной ЭДС генератора с рабочей частотой;
апериодическая составляющая – определяется характером затухания тока КЗ, зависящего от активного сопротивления цепи и обмоток статора генератора, изменяющаяся со временем без перемены знака.
полный ток КЗ, который получается от алгебраического сложения первых двух.
Действующее значение периодической составляющей тока КЗ
Мгновенное значение периодической составляющей тока КЗ
Апериодическая составляющая затухает по экспоненциальному закону
Ударный ток, соответствующий времени t = 0,01 с, т.е. через пол­периода после возникновения КЗ,

Токи КЗ сопровождаются значительными электродинамическими усилиями между проводниками, что может вызвать разрушение токоведущих частей и изоляции. В виду больших значений токов КЗ эти воздействия приводят к повреждению электроустановок, т.к. механическая сила взаимодействия, возникающая между двумя проводниками с током, прямопропорциональна произведению токов в проводниках и обратнопропорциональна расстоянию между ними, т.е. получается – току КЗ в квадрате. Однако она также зависит от формы и сечения проводника. В трехфазных системах наибольшей нагрузке подвергается средняя шина.

Электродинамическое действие токов короткого замыкания
kф – коэффициент формы (для каждой геометрической формы вычисляется отдельно, для круглого сечения kф =1),
k - коэффициент размерности (2*10-7, если F[Н]; 2*10-7, если F[кгс]).
a
l
F
i1
i2
a
l
F
i1
i2
F
F

Электродинамические взаимодействия в трехфазных установках
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)

Электродинамические взаимодействия в трехфазных установках
Электродинамические
взаимодействия в момент времени ⅟4 Т
ia
ib
Fcb
ic
Fca
Fbc
Fba
Fac
Fab

Электродинамические взаимодействия в трехфазных установках
Электродинамические
взаимодействия в момент времени ⁷⁄12 Т
ia
ib
Fca
ic
Fcb
Fbс
Fba
Fac
Fab

Электродинамические взаимодействия в трехфазных установках
Электродинамические
взаимодействия в момент времени 11⁄12 Т
ia
ib
Fcb
ic
Fca
Fba
Fbc
Fab
Fac

Электродинамические взаимодействия в трехфазных установках
- удельная сила, Н/м
(1)
(2)
(3)
(4)

Электродинамические взаимодействия в трехфазных установках
(1)
(2)
(3)

Электродинамические взаимодействия в трехфазных установках
Максимальное усилие достигается при
(1)
(2)

Электродинамические взаимодействия в трехфазных установках
(1)
(2)

Расчетам на электродинамическую стойкость подвергают кроме шинных конструкций и их изоляторов так же все виды выключателей, разъединителей и трансформаторов тока, т.е. всю аппаратуру, через которую протекает ток КЗ.
Способность аппарата (проводника) противостоять силам, возникающим при коротком замыкании, называется электродинамической стойкостью.
где iуд – ударный ток короткого замыкания, кА.
Она выражается либо непосредственно амплитудным значением тока (iдин) при котором механические напряжения детали не превышают допустимых, либо кратностью этого тока амплитуде номинального тока:
iдин ≥ iуд
или

При выборе токоведущих частей шин и изоляторов приходится рассчитывать возникающие ЭДУ и сравнивать их с допустимыми значениями. Механическая прочность элементов конструкций зависит не только от величины ЭДУ, но и от их направления, длительности, крутизны нарастания. Работа электрических аппаратов при динамических режимах работы изучена недостаточно, поэтому расчеты всегда ведут по максимальному значению ЭДУ. Расчет прочности детали конструкции аппарата основан на формуле из сопромата:
где σр – расчетное механическое напряжение в конструкции, МПа;
σр ≤ σдоп,
σдоп – допустимое напряжение материала на изгиб, МПа.
Для шин закрепленных на изоляторах:
Для медных шин σдоп = 171,5 – 178,4 МПа,
для алюминиевых шин σдоп = 41,2 – 48 МПа,
для шин из алюминиевого сплава АД31Т-1 σдоп = 82,9 МПа.
Момент сопротивления для шин зависит от формы поперечного сечения шины и расположения осей. Он определяется по формулам, известным из сопромата:
где М – максимальный изгибающий момент, Н.м;
W – момент сопротивления шины, м3.

Потери в проводниках
Мощность Р, теряемая в проводнике при прохождении по нему электрического тока, равна
При постоянном токе R соответствует электрическому сопротивлению
При переменном токе потери получаются большими, чем при постоянном токе. Это возрастание потерь происходит за счет поверхностного эффекта и эффекта близости

Поверхностный эффект

Поверхностный эффект
Поверхностный эффект
Поверхностный эффект.
Эффект близости.