Нагрев и охлаждение двигателя

Допустимые температура нагрева и превышение температуры электродвигателя для различных классов изоляции.

Параметры	Класс изоляции
	Е	B	F	H
Допустимая температура нагрева изоляционного материала (СТ-СЭВ 782-77)°С	120	135	155	180
Допустимая температура нагрева обмоток электродвигателя (ГОСТ 183-74)°С	-	120	140	165
Допустимое превышение температуры (ГОСТ 183-74)°С	75	80	100	125

Выделение потерь Δ Р в объеме двигателя вызывает его на­грев. Проведем упрощенный анализ процессов нагрева и охлаж­дения. Примем допущение, что двигатель в тепловом отношении представляет собой однородное твердое тело, характеризующееся:

ü теплоемкостью С Дж/гр, которая показывает сколько теп­ловой энергии необходимо, чтобы повысить температуру двига­теля на 1 градус;

ü коэффициентом теплоотдачи А Дж/гр.с, показывающим сколько тепла отдает двигатель окружающей среде за 1 сек при превышении температуры двигателя τ над температурой окру­жающей среды в 1 градус.

Уравнение теплового баланса будет

                                          Δ P · dt = C · dτ + A · τ · dt                                        (11.11)

 

где τ  – превышение температуры двигателя над температу­рой окружающей среды.

Первый член уравнения (11.11) характеризует потери в дви­гателе, которые преобразуются в тепло, второй член - количество тепла, идущее на нагрев двигателя, третий - количество тепла, которое двигатель отдает окружающей среде. В первое время по­сле включения двигателя, когда его температура еще мало отли­чается от температуры окружающей среды (τ = 0), отдача тепла в окружающую среду отсутствует и третий член уравнения (11.11) равен нулю. По мере нагрева двигателя все большая часть выде­ляемого в двигателе тепла передается в окружающую среду и, когда достигается равновесие между количеством выделяемого тепла и отдаваемого в окружающую среду, температура двигате­ля становится постоянной — установившейся.

Преобразовав уравнения (11.11) к нормальному виду при условии
Δ Р = const, получим

Решение этого уравнения будет

                                                                             (11.12)

Обычно принимают температуру окружающей среды, рав­ной начальной температуре перегрева. Тогда τ_нач = 0

                                                                                             (11.12)

В полученных выражениях:

τ_уст = ΔР/А – установившееся значение температуры, кото­рое зависит от величины потерь в двигателе, т.е. от его нагрузки;

Т_н = С/А – постоянная времени нагрева двигателя.

Переходная характеристика нагрева двигателя приведена на рис. 11.2. Она носит экспоненциальный характер. За время, рав­ное Т_н двигатель нагреется до температуры 0,63 τ_уст.

Рис. 11.2. Кривые нагрева (1) и охлаждения (2) двигателя

Поскольку постоянные на­грева обоих дви­гателей равны, их температура дос­тигнет своего ус­тановившегося значения за одно и то же время, примерно равное 1 часу (t_н=3Т_н). Величина уста­новившейся тем­пературы перегрева будет, конечно, разной. У более нагруженного двигателя эта температура будет примерно в 2 раза выше (рис.11.3).

Рис. 11.3. Кривая нагрева двигателей (к задаче 10.2)

При охлаждении характер изменения температуры во време­ни также описывается уравнением (11.12).

Если двигатель отключается и будет остывать до температу­ры окружающей среды (как показано на рис. 11.2), то τ_уст  = 0. Тогда τ = .

Следует иметь в виду, что для самовентилируемых двигате­лей коэффициент теплоотдачи А существенно зависит от скоро­сти, поэтому охлаждаются такие двигатели намного медленнее, чем они нагреваются. Постоянная времени нагрева при охлажде­нии Т_н больше, чем при нагревании
Т_н > Т_н.

Исходя из особенностей режимов нагрева и охлаждения дви­гателей различают 8 режимов работы, основными из которых яв­ляются: продолжительный S1, кратковременный S2 и повторно-кратковременный S3.

1. Продолжительный режим (S1) – режим работы электро­двигателя при неизменной нагрузке такой продолжительности, при которой превышение температуры электродвигателя дости­гает установившегося значения. Графики изменения мощности на валу Р, потерь мощности Δ Р и температуры перегрева τ, соответ­ствующее режиму S1, приведены на рис.11.4,а.

В паспортных данных двигателя указываются номинальная мощность Р_н скорость вращения ω_н, напряжение U_н ток I_н со­ответствующие режиму S1.

2. Кратковременный режим (S2) – это режим, в котором пе­риоды нагрузки чередуются с периодами отключения двигателя. При этом за время работы двигателя, превышение температуры не достигает установившегося значения, а при отключении все части электродвигателя охлаждаются до температуры окружаю­щей среды. Режим характеризуется мощностью (моментом) и временем включения t_р. Стандартная продолжительность рабоче­го периода составляет 10, 30, 60, 90мин.

Графики, характеризующие кратковременный режим рабо­ты, показаны на рис.11.4,6.

3. Повторно-кратковременный режим (S3) – это режим, при котором кратковременные периоды нагрузки чередуются с пе­риодами отключения двигателя, причем за время работы превы­шение температуры двигателя не достигает установившегося значения, а при отключении двигатель не успевает остыть до температуры окружающей среды (рис.11.4,в). Режим S3 характе­ризуется нагрузкой и продолжительностью включения (ПВ):

                                   (11.14)

Стандартные значения ПВ, на которые рассчитываются и выпускаются электродвигатели, предназначенные для работы в режиме S3, составляют 15, 25, 40 и 60%. Максимальная продол­жительность цикла не должна превышать 10 мин.

Номинальные режимы S4... S5 введены для того, чтобы уп­ростить задачу выбора электродвигателей, работающих в этих режимах. Здесь ограничимся лишь упоминанием этих режимов, повторно-кратковременный режим работы с частыми пусками S4 повторно-кратковременный режим работы с частыми пусками и электрическим торможением - S5; перемежающий режим рабо­ты - S6 когда после периода работы электродвигатель не отклю­чается а продолжает работать вхолостую; перемежающий режим работы с частыми реверсами - S7; перемежающий режим работы с двумя и более скоростями - S8.

 

Рис. 11.4. Температурные характеристики двигателя при режимах работы: а) продолжительном S1; б) кратковременном S2; в) повторно - кратковре­менном S3

Метод эквивалентного тока

Потери в двигателях примерно пропорциональны квадрату тока в его обмотках. Зная график тока, протекающего по обмоткам двигателя, можно определить для каждого конкретного ре­жима работы значение тока I_э характеризующее его нагрев.

Эквивалентный ток I_э  – это такой неизменный по величине ток, который вызывает такой же нагрев электродвигателя, как и реально протекающий изменяющийся по величине ток в соответствии с графиком нагрузки механизма.

ΔA_cт= ΔA_рот·r₁/r₂

 

                                                 (12.2)

Условие проверки двигателя на нагрев будет:

                                                          I_э≤ I_ном                                                                                              (12.3)