Нагревание и охлаждение электрических машин

⇐ ПредыдущаяСтр 45 из 85Следующая ⇒

Все виды потерь, происходящие в электрической машине, преобразуются в теплоту, которая частично идет на нагревание машины, а частично отдается в окружающую среду. Условно принято считать, что нагрев происходит равномерно по всему объему машины, а рассеивание теплоты происходит также равномерно со всей ее поверхности. В этих условиях уравнение теплового баланса имеет вид

q dt = тс dτ + Sλ τ dt, (18. 1)

где q — количество теплоты, выделяемое в машине в единицу времени (Дж/с):

q = ∑ Р

∑ Р - суммарные потери мощности в двигателе, Вт; тс dτ — количество теплоты, расходуемое на нагревание машины; m— масса нагреваемой машины; с— удельная теплоемкость материала машины, т.е. количество теплоты, необходимое для нагревания 1 кг этого материала на 1°С; τ — превышение температуры нагрева машины над температурой окружающей среды; Sλ τ — количество теплоты, рассеиваемое с поверхности двигателя в окружающее пространство в единицу времени; λ — коэффициент теплового рассеяния, т.е. количество теплоты, рассеиваемое с единицы поверхности машины в 1 с при превышении температуры на 1°С.

В начальный период работы машина имеет температуру нагрева, не отличающуюся от температуры окружающей среды Θ ₁т.е. τ = 0. В этом случае рассеяния теплоты в окружающую среду не происходит, т.е. Sλ τ dt = 0 и вся выделяемая в двигателе теплота идет на его нагревание. Затем, когда температура нагрева двигателя начинает превышать температуру окружающей среды, т.е. τ > 0, часть теплоты, выделяемой в двигателе, начинает рассеиваться в окружающую среду. И, наконец, когда температура нагрева машины достигает установившегося значения Θ _уст = const, вся выделяемая в машине теплота рассеивается в окружающую среду, т.е. наступает режим теплового равновесия:

q dt = Sλ τ _уст dt (18.2)

где

τ _уст = Θ _уст – Θ ₁(18.3)

Из (18.2)следует, что

τ _ycm = q/ (Sλ ) (18.4)

Выражение (18.4) позволяет сделать вывод:

а) установившаяся температура перегрева не зависит от массы машины m, а определяется количеством теплоты q, выделяемой в ней в единицу времени, т.е. мощностью потерь электрической машины АР;

б) установившаяся температура перегрева обратно пропорциональна площади охлаждаемой поверхности Sи коэффициенту теплового рассеяния λ, т.е. зависит от интенсивности охлаждения машины; в машинах со специальными способами охлаждения (искусственно вентилируемых) τ _уст меньше чем у машин с естественной вентиляцией (при их одинаковой конструкции и условиях работы).

Если машина включается в сеть, когда ее температура равна температуре окружающей среды Θ ₁, то зависимость температуры перегрева этой машины τ от времени t выражается равенством:

τ = τ _уст (1 – е^-^t^/^TH ), (18.5)

где е = 2, 718 — основание натуральных логарифмов; Т_Н — постоянная времени нагревания, показывающая время (с), необходимое для нагревания машины до установившейся температуры, если бы не было теплового рассеяния с ее поверхности.

График нагревания τ = f (t), построенный по (18.5), представляет собой экспоненциальную кривую, которая показывает, что машина нагревается до установившейся температуры перегрева τ _уст лишь спустя продолжительное время (рис. 18.1, а). Процесс нагревания сначала идет интенсивно, а затем, по мере приближения к установившейся температуре перегрева, замедляется. Теоретически машина достигает установившейся температуры перегрева за время t = ∞. Проведя касательную к графику нагревания в его начальной части, получим отрезок, который в масштабе времени определяет постоянную времени нагревания. Таким образом, физически величину Т_Н можно рассматривать как время, в

Рис. 18.1 Графики нагревания (а) и охлаждения (б) электрической машины

течение которого превышение температуры достигло бы установившегося значения τ _уст, если бы график нагревания представлял собой прямую линию. Принято считать, что в реальных условиях температура перегрева достигает установившегося значения за время нагревания t = (4 - 5) Т_Н.

Если машину отключить от сети, прекратив этим ее дальнейшее нагревание, то тепловое рассеяние с ее поверхности будет происходить за счет накопленной в ней теплоты. При этом температура перегрева машины будет понижаться до τ = 0, т.е. пока температура не станет равной температуре окружающей среды. Этот процесс остывания протекает по графику охлаждения (рис. 18.1, б), построенному по уравнению:

τ = τ _усте ^–^t^/^To, (18.6)

где Т₀ — постоянная времени охлаждения, с.

Принято считать, что температура перегрева машины достигает практически нулевого значения за время охлаждения t = (4 —5)Т₀.

Таким образом, постоянные времени нагревания и охлаждения характеризуют скорость процессов. Например, машина нагревается тем быстрее, чем меньше постоянная времени нагревания.

Итак, в процессе работы электрическая машина нагреваете, при этом для разных ее частей установлены предельно допустимые температуры перегрева.

Наиболее чувствительна к перегреву электрическая изоляция обмоток. Под действием температур, превышающих допустимые значения, ускоряется процесс теплового старения изоляции, ухудшающий ее изоляционные и механические свойства. Электроизоляционные материалы, применяемые в электротехнических изделиях, разделяются на пять классов нагревостойкости, обозначаемых А, Е, В, F и Н. В электрических машинах применяют изоляцию трех наиболее нагревостойких классов: В, F и Н. В процессе работы машины изоляция обмоток нагревается неравномерно, при этом измерение температуры нагрева в наиболее горячих точках технически невозможно. Поэтому, согласно действующему стандарту, предельные температуры нагревания изоляции обмоток принимают ниже предельно-допустимых значений соответствующего класса нагревостойкости:

Класс нагревостойкости изоляции	В	F	Н
Предельно-допустимая температура нагрева изоляции, °С
Предельно-допустимая температура нагрева обмоток двигателя, °С
Предельно-допустимые превышения температуры обмоток при Θ ₁ = 40 °С

Чрезмерный перегрев неблагоприятно влияет и на другие части машины, например, подшипники, контактные кольца и др.

Температура нагрева какой-либо части машины Θ ₂ при известной температуре ее перегрева τ и температуре окружающей среды Θ ₁ =40 °С:

Θ ₂ = τ _уст + Θ ₁ = τ _уст + 40. (18.7)

Для машин, работающих в условиях повышенных температур окружающей среды, например, в условиях металлургического производства, температуру Θ ₁, принимают более 40 °С.

Режимы работы электрических машин. В соответствии с действующим стандартом, существуют три основных номинальных режима работы электрических машин, различающиеся характером изменения нагрузки.

1.Продолжительный номинальный режим — когда при неизменной номинальной нагрузке Р_нработа машины продолжается так долго, что температура перегрева всех ее частей успевает достигнуть установившихся значений τ _уст. Условное обозначение режима S1. Различают продолжительный режим с неизменной нагрузкой P = const(рис. 18.2, а)и продолжительный режим с изменяющейся нагрузкой (рис. 18.2, б). Например, двигатели насосов, транспортеров, вентиляторов работают в продолжительном режиме с неизменной нагрузкой, а двигатели прокатных станов, металлорежущих станков и т. п. работают в продолжительном режиме с изменяющейся нагрузкой.

2.Кратковременный номинальный режимS2 — когда периоды неизменной номинальной нагрузки чередуются с периодами включения двигателя (рис. 18.2, в). При этом, периоды нагрузки

Рис. 18.2. Номинальные режимы работы электрических машин:

а—с неизменной нагрузкой, б— с изменяющейся нагрузкой, в — кратковременный номинальный режим, г — повторно-кратковременный номинальный режим

двигателя t_н настолько кратковременны, что температуры перегрева всех частей двигателя не достигает установившихся значений, а периоды отключения двигателя настолько продолжительны, что все части двигателя успевают охладиться до температуры окружающей среды. Стандартом установлена длительность периодов нагрузки 10; 30; 60 и 90 мин. В условном обозначении кратковременного режима указывается продолжительность периода нагрузки, например S2 — 30 мин. В кратковременном режиме работают приводные двигатели шлюзов, разного рода заслонок и других запорных устройств, регулирующих подачу рабочего вещества (нефть, газ и др.) через трубопроводы к объекту потребления.

3) Повторно-кратковременный номинальный режим S3 - когда кратковременные периоды номинальной нагрузки двигателя t_н чередуются с периодами отключения двигателя (паузами), причем за период нагрузки превышение температуры всех частей не успевает достигнуть установившихся значений, а за время паузы части двигателя не успевают охладиться до температуры окружающей среды. Общее время работы двигателя в повторно-кратковременном режиме разделяется на периодически повторяющиеся циклы продолжительностью t_ц = t_н + t_п.

При повторно-кратковременном режиме график нагревания двигателя имеет вид пилообразной кривой (рис. 18.2, г). При достижении двигателем установившегося значения температуры перегрева, соответствующего повторно - кратковременному режиму τ _уст.к температура перегрева двигателя продолжает колебаться on τ _min до τ _m_ах. При этом, τ _уст.к меньше установившейся температуры перегрева, которая наступила бы, если бы режим работы двигателя был продолжительным (τ _уст.к < τ _уст). Примерами повторно кратковременного режима являются работа электроприводов лифтов, подъемных кранов, экскаваторов и других устройств, для работы которых характерна цикличность (чередование периодов на грузки с паузами).

Повторно-кратковременный режим характеризуется относительной продолжительностью включения, %,

ПВ = (t_н / t_ц). (5.8)

Действующим стандартом предусмотрены номинальные повторно-кратковременные режимы с ПВ 15, 25, 40 и 60% (для продолжительного режима ПВ = 100%). В условном обозначении повторно-кратковременного режима указывают величину ПВ например, S3 — 40%.

Рассмотренные три номинальных режима считают основными. В каталогах на двигатели, предназначенных для работы в каком либо из этих режимов, указаны номинальные данные, соответствующие режиму работы.

Помимо рассмотренных трех основных режимов, стандартом предусмотрены еще пять дополнительных режимов.

⇐ Предыдущая 40 41 42 43 444546 47 48 49 Следующая ⇒