Нагрівання і номінальні режими роботи електродвигунів

Усі види втрат потужності в двигуні перетворюються в теплоту, що частково віддається в навколишнє середовище, а частково йде на нагрівання двигуна. Якщо умовно вважати, що нагрівання відбувається рівномірно по усьому об’єму двигуна, а теплота однаково розсіюється по усій його поверхні, то рівняння теплового балансу

image002

де image004- кількість теплоти, яка виділяється у двигуні за час image006; image008 — кількість теплоти, витраченої на нагрівання двигуна; image010 — маса двигуна; image012- питома теплоємність, яка визначає кількість теплоти, необхідної для нагрівання 1 кг речовини на 1°С; t — перевищення температури двигуна над температурою q1 навколишнього середовища; image014 — кількість теплоти, яка розсіюється з поверхні двигуна в навколишнє середовище; image016 — площа поверхні двигуна, з якої розсіюється теплота; l — коефіцієнт теплового розсіювання, який представляє собою кількість теплоти, яка розсіюється з одиниці поверхні в 1с при перевищенні температури на 1°С.

В початковий період роботи двигун має температуру, яка практично не відрізняється від навколишнього середовища, тобто t » 0. В цьому випадку image017» 0 і вся теплота, яка виділилася в двигуні, йде на підвищення його температури. В міру підвищення температури двигуна, кількість теплоти, яка розсіюється в навколишнє середовище, збільшується. Коли перевищення температури двигуна над температурою навколишнього середовища досягне tуст = qуст — q1, де qуст — установлена температура двигуна, то все тепло, що виділяється в двигуні, буде розсіюватися в навколишнє середовище. При цьому подальше підвищення температури двигуна припиниться, dt = 0 і настає режим теплової рівноваги.

image019 (3.1.13)

З (3.1.13) випливає, що tуст не залежить від маси двигуна, а визначається кількістю теплоти, виділеної у двигуні за одиницю часу, площею охолодження і коефіцієнтом теплового розсіювання l.

Залежність перевищення температури двигуна t над температурою навколишнього середовища від часу t виражається рівністю

image021 (3.1.14)

де image023 — основа натуральних логарифмів; image025 — постійна часу нагрівання.

Крива нагрівання image027, побудована відповідно до (3.1.14), показує, що електродвигун досягає сталої температури, тільки по закінченню тривалого часу (рис. 3.1.1). Провівши дотичну до кривої нагрівання image029, у її початковій частині одержимо відрізок, рівний у масштабі температур постійної нагрівання image031, що являє собою час, за який двигун нагрівається до температури, рівної 0, 632 tуст. Якщо припиниться нагрівання двигуна, наприклад при відключенні двигуна від мережі, то рівняння теплового балансу запишемо у слідуючому вигляді

image033

або

image035 (3.1.15)

тобто, випромінювання теплоти з поверхні двигуна відбувається за рахунок накопиченої в ньому теплоти, тому двигун починає охолоджуватися.

Зміна температури в процесі охолодження двигуна відбувається відповідно

image037 (3.1.16)

image039

Рис.3.1.1. Графік нагрівання електродвигуна.

Найбільш чутлива до перегріву електрична ізоляція обмоток двигуна. Під дією високих температур відбувається теплове старіння ізоляції, що супроводжується погіршенням її ізоляційних і механічних властивостей.

Електроізоляційні матеріали, які застосовуються в електричних машинах, поділяються на п’ять класів стійкості до нагрівання. Нижче приведені класи нагрівостійкості і відповідні їм допустимі граничні температури нагрівання, при яких ізоляція надійно працює тривалий час.

Практичне застосування в двигунах сучасних серій має ізоляція класів B, F і H.

Клас нагрівостійкості ізоляції A E B F H

Гранично допустима температура, °С 105 120 130 155 180

Сильний перегрів двигуна може негативно вплинути і на інші його частини (колектор, підшипники і т.д.). Встановлені гранично допустимі перевищення температури різноманітних частин електричних машин (див. ГОСТ 183-74), при цьому за температуру навколишнього середовища приймається температура 40°С. Виходячи з цього, температура нагрівання будь-якої частини двигуна при відомій температурі перегріву

qуст = tуст + 40. (3.1.17)

За способом охолодження електродвигуни розділяють на двигуни з природним охолодженням і двигуни зі штучним охолодженням. Двигуни з природним охолодженням не мають вентиляторів або яких-небудь інших пристроїв, що сприяють інтенсивному охолодженню. З природним охолодженням звичайно виготовляють двигуни потужністю не більше 300-500 Вт. У електродвигунах із штучним охолодженням на валу розташований відцентровий вентилятор. У процесі роботи двигуна вентилятор обертається і створює рух повітря, що охолоджує нагріті частини двигуна. Вентиляція буває зовнішньою, коли охолоджуюче повітря обдуває зовнішню поверхню двигуна, і внутрішньою, коли охолоджуюче повітря проходить через внутрішню порожнину машини.

Відповідно до ГОСТ 183-74 існує три основні номінальних режими роботи двигуна, що відрізняються характером зміни навантаження:

image041

Рис.3.1.2. Навантажувальні діаграми електродвигунів при тривалому (а), короткочасному (б) і повторювально-короткочасному (в) номінальних режимах.

1) тривалий номінальний режим — режим роботи при незмінному номінальному навантаженні Рном, що продовжується стільки часу, що температура нагрівання усіх частин машини досягає сталих значень. Навантажувальна діаграма тривалого номінального режиму показана на рис.10.2,а. Умовне позначення режиму S1;

2) короткочасний номінальний режим — режим роботи, при якому періоди незмінного номінального навантаження чергуються з періодами відключення двигуна. При цьому періоди навантаження двигуна tн настільки короткочасні, що температури усіх частин двигуна не досягають сталих значень, а періоди відключення двигуна настільки тривалі, що усі частини двигуна встигають охолонути до температури навколишнього середовища (рис.3.1.2,6). Умовне позначення режиму S2;

3) повторювально-короткочасний номіналь-ний режим — режим роботи, при якому короткочасні періоди номінального навантаження двигуна tн чергуються з періодами відключення двигуна (паузами) tп, причому за період навантаження перевищення температури усіх частин не встигає досягти сталих значень, а за час паузи частини двигуна не встигають охолонути до температури навколишнього середовища. Загальний час роботи двигуна в повторювально-короткочасному режимі розділяється на періодично повторювані цикли tц = tн + tп. Умовне позначення режиму S3. При повторювально-короткочасному режимі роботи двигуна графік його нагрівання має вигляд пилкоподібної кривої (рис.3.1.2,в). При досягненні двигуном сталих значень температури відповідному повторювально-короткочасному режиму, tуст.к, температура перегрівання двигуна продовжує коливатися від tmin до tmax, при цьому вона менша установленої температури перегріву при номінальному тривалому режимі роботи tуст.

Повторювально-короткочасний режим характеризується відносною тривалістю включення, %:

ПВ = (tн /tц )100. (3.1.18)

Відповідно до ГОСТ 183-74 передбачені номінальні повторювально-короткочасні режими з ПВ 15, 25, 40, 60%. Для тривалого режиму ПВ-100%.

Так як при номінальних короткочасному і повторювально-короткочасному режимах температура перегріву двигуна нижча, ніж при номінальному тривалому режимі, то при переході двигуна з тривалого в повторювально-короткочасний режим роботи корисна потужність двигуна може бути збільшена при ПВ = 60% на 30%, при ПВ = 40% на 60%, при ПВ = 25% у два рази, при ПВ = 15% у 2,6 рази.

Крім розглянутих трьох номінальних режимів є ще шість повторювально-короткочасних і переміжних режимів.

Васюра А.С. – книга “Електромашинні елементи та пристрої систем управління і автоматики”

Оставьте комментарий к статье