Нагрев и охлаждение электродвигателей

Правильное определение мощности электродвигателей для различных станков, механизмов и машин имеет большое значение. При недостаточной мощности нельзя полностью использовать производственные возможности станка, осуществить намеченный технологический процесс. При недостаточной мощности электродвигатель преждевременно выходит из строя.

Завышение мощности электродвигателя влечет за собой систематическую недогрузку его и вследствие этого неполное использование двигателя, работу его с низким к. п. д. и небольшим коэффициентом мощности (у асинхронных двигателей). Кроме этого при завышенной мощности двигателя возрастают капитальные и эксплуатационные затраты.

Необходимая для работы станка мощность, а следовательно, и мощность, развиваемая электродвигателем, изменяются во время работы станка. Нагрузка электродвигателя может быть охарактеризована нагрузочным графиком (рис. 1), представляющим собой зависимость мощности на валу электродвигателя, его момента или тока от времени. После окончания обработки заготовки останавливают станок, измеряют деталь и меняют заготовку. Затем нагрузочный график снова повторяется (при обработке однотипных деталей).

Для обеспечения нормальной работы при подобной переменной нагрузке электродвигатель должен развивать наибольшую мощность, требуемую в процессе обработки, и не перегреваться свыше нормы при длительной работе по данному нагрузочному графику. Допустимая перегрузка электродвигателей определяется их электрическими свойствами.

Рис. 1. Нагрузочный график при обработке однотипных деталей

Допустимый нагрев электродвигателя определяется наименее теплостойкими материалами его конструкции. Таким материалом является изоляция его обмотки.

Для изоляции электрических машин применяют:

• хлопчатобумажные и шелковые ткани, пряжу, бумагу и волокнистые органические материалы, не пропитанные изолирующими составами (класс нагревостойкости У);

• те же материалы, пропитанные (класс А);

• синтетические органические пленки (класс Е);

• материалы из асбеста, слюды, стекловолокна с органическими связующими веществами (класс В);

• те же, но с синтетическими связующими и пропитывающими веществами (класс F);

• те же материалы, но с кремнийорганическими связующими и пропитывающими веществами (класс Н);

• слюду, керамику, стекло, кварц без связующих веществ или с неорганическими связующими составами (класс С).

Изоляции классов У, А, Е, В, F, Н соответственно допускает предельные температуры в 90, 105, 120, 130, 155, 180° С. Предельная температура класса С превышает 180° С и ограничивается свойствами примененных материалов.

При одной и той же нагрузке электродвигателя нагрев его будет неодинаковым при разных температурах окружающей среды. Расчетная температура t0 окружающей среды равна 40° С. При этой температуре определяют значения номинальной мощности электродвигателей. Превышение температуры электродвигателя над температурой окружающей среды называют перегревом :

Расширяется применение синтетических изоляций. В частности, кремнийорганические изоляции обеспечивают высокую надежность электрических машин при эксплуатации в тропических условиях.

Тепло, выделяемое в различных частях электродвигателя, в различной степени влияет на нагрев изоляции. Кроме того, между отдельными частями электродвигателя происходит теплообмен, характер которого изменяется в зависимости от условий нагрузки.

Различный нагрев отдельных частей электродвигателя и теплообмен между ними затрудняет аналитическое исследование процесса. Поэтому для упрощения условно принимают, что электродвигатель представляет собой однородное в тепловом отношении и бесконечно теплопроводное тело. Обычно считают, что тепло, отдаваемое электродвигателем в окружающую среду, пропорционально перегреву. Излучением тепла при этом пренебрегают, так как абсолютные температуры нагрева двигателей невелики. Рассмотрим процесс нагрева электродвигателя при указанных допущениях.

При работе в электродвигателе за время dt выделяется теплота dq. Часть этой теплоты dq1 поглощается массой электродвигателя, вследствие чего повышаются температура t и перегрев τ двигателя. Остальная теплота dq2 выделяется двигателем в окружающую среду. Таким образом, может быть записано равенство

По мере повышения температуры электродвигателя возрастает тепло dq2. При некотором значении перегрева окружающей среде будет отдаваться столько тепла, сколько ее выделяется в электродвигателе; тогда dq = dq2 и dq1 = 0. Температура электродвигателя перестает повышаться, и перегрев достигает установившегося значения τу.

При указанных выше допущениях уравнение может быть записано так:

где Q — тепловая мощность, обусловленная потерями в электродвигателе, Дж/с; А—теплоотдача двигателя, т.е. количество теплоты, выделяемое двигателем в окружающую среду в единицу времени при разности температур двигателя и окружающей среды в 1oС, Дж/с-град; С — теплоемкость двигателя, т.е. количество теплоты, необходимое для повышения температуры двигателя на 1°С, Дж/град.

Разделив переменные в уравнении, имеем

Интегрируем левую часть равенства в пределах от нуля до некоторого текущего значения времени t и правую часть в пределах от некоторого начального перегрева τ0 электродвигателя до текущего значения перегрева τ:

Решая уравнение относительно τ, получим уравнение нагрева электродвигателя :

Обозначим C/A=T и определим размерность этого соотношения:

Рис. 2. Кривые, характеризующие нагрев электродвигателя

Рис. 3. Определение постоянной времени нагрева

Величину Т, имеющую размерность времени, называют постоянной времени нагрева электродвигателя. В соответствии с этим обозначением уравнение нагрева может быть переписано в виде

Как видно из уравнения при получим — установившееся значение перегрева.

При изменении нагрузки электродвигателя изменяется величина потерь, а следовательно, и значение Q. Это влечет за собой изменение величины τу.

На рис. 2 приведены кривые нагрева 1, 2, 3, соответствующие последнему уравнению, для различных значений нагрузки. Когда τу превышает величину допустимого перегрева τн, недопустима продолжительная работа электродвигателя. Как следует из уравнения и графиков (рис. 2), нарастание перегрева носит асимптотический характер.

При подстановке в уравнение значения t = 3T получим значение τ, примерно лишь на 5% меньшее τу. Таким образом, за время t = 3Т процесс нагрева практически можно считать законченным.

Если в произвольной точке с кривой нагрева (рис. 3) провести касательную к кривой нагрева, затем через ту же точку провести вертикаль, то отрезок de асимптоты, заключенный между касательной и вертикалью, в масштабе оси абсцисс равен Т. Если в уравнении принять Q = 0, получим уравнение охлаждения электродвигателя:

Этому уравнению соответствует кривая охлаждения, изображенная на рис.4.

Величина постоянной времени нагрева определяется размерами электродвигателя и формой защиты его от воздействий окружающей среды. У открытых и защищенных электродвигателей малой мощности постоянная времени нагрева равна 20—30 мин. У закрытых электродвигателей большой мощности она доходит до 2—3 ч.

Как было указано выше, изложенная теория нагрева электрических двигателей является приближенной и основана на грубых допущениях. Поэтому кривая нагрева, снятая экспериментально, существенно отличается от теоретической. Если для различных точек опытной кривой нагрева выполнить построение, показанное на рис. 3, то окажется, что значения Т возрастают по мере увеличения времени. Поэтому все расчеты, производимые по уравнению следует рассматривать как приближенные. В этих расчетах целесообразно использовать постоянную Т, определенную графически для начальной точки кривой нагрева. Это значение Т является наименьшим и при его использовании обеспечивается некоторый запас мощности двигателя.

Рис. 4. Кривая охлаждения электродвигателя

Кривая охлаждения, снятая экспериментально, еще более отличается от теоретической, чем кривая нагрева. Постоянная времени охлаждения, соответствующая отключенному двигателю, значительно больше постоянной времени нагрева вследствие уменьшения теплоотдачи при отсутствии вентиляции.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Источник

Нагревание и охлаждение электрических машин и трансформаторов

Содержание материала

Предварительные сведения

Очевидно, что при прочих равных условиях нагревание машины будет тем сильнее, чем хуже охлаждается машина, и наоборот. Поэтому с вопросами срока службы машины неразрывно связаны вопросы ее охлаждения, в частности вопросы вентиляции. В последнее время эти вопросы приобрели весьма важное значение, так как при современном развитии электромашиностроения лучшее использование активных материалов машины может дать по электроэнергосистеме в целом значительный народнохозяйственный эффект.

Нагревание электрических машин

Полученные выводы могут быть отнесены к реальным электрическим машинам при условии, что в эти представления вводятся соответствующие поправки. При этом прежде всего нужно иметь в виду, что машина состоит из целого ряда частей, каждая из которых имеет свои характеристики, т. е. массу, поверхность, теплоемкость и коэффициент теплорассеяния, и в каждой из которых выделяется определенное количество тепла. Другими словами, общую теорию нагревания приходится применять не ко всей электрической машине в целом, а к каждой отдельной части ее. Так, при нагревании машины постоянного тока говорят о температуре следующих частей: обмотки якоря, обмоток главных полюсов, обмотки добавочных полюсов, компенсационной обмотки, если таковая имеется, коллектора и подшипников. При нагревании трансформатора имеют в виду температуру обмоток, сердечника и масла.
Основная причина расхождения между теоретической и опытной линиями нагревания состоит в том, что постоянная времени нагревания Т в действительности изменяется главным образом вследствие изменения коэффициента теплорассеяния Я. Однако опыт показывает, что влияние этой причины невелико и что, следовательно, линии на рис. 1 можно рассматривать как типичные.

Номинальные режимы работы электрических машин

Согласно ГОСТ 183—66, устанавливаются восемь номинальных режимов работы электрической машины в зависимости от характера работы, т. е. сочетания периодов различной нагрузки и длительности ее.
Продолжительным номинальным режимом работы называется режим работы. электрической машины при неизменной номинальной нагрузке, продолжающейся столько времени, что превышения температуры всех частей электрической машины при неизменной температуре охлаждающей среды достигают практически установившихся значений. Условное обозначение режима — Si.
Кратковременным номинальным режимом работы называется режим работы электрической машины, при котором периоды неизменной номинальной нагрузки чередуются с периодами отключения машины; при этом периоды нагрузки не настолько длительны, чтобы превышения температуры всех частей электрической машины при практически неизменной температуре охлаждающей среды могли достигнуть практически установившихся значений, а периоды остановки электрической машины настолько длительны, что все части ее приходят в практически холодное состояние. Условное обозначение режима — S2. Установлены номинальные кратковременные режимы с длительностью периода неизменной нагрузки 10, 30, 60 и 90 мин.
Повторно-кратковременным номинальным режимом работы называется режим работы электрической машины, при котором кратковременные периоды неизменной номинальной нагрузки (рабочие периоды) чередуются с периодами отключения машины (паузами), причем как рабочие периоды, так и паузы не настолько длительны, чтобы превышения температуры отдельных частей электрической машины при практически неизменной температуре охлаждающей среды могли достигнуть практически установившихся значений.
Повторно-кратковременный поминальный режим работы характеризуется относительной продолжительностью включения (ПВ), равной отношению продолжительности рабочего периода к продолжительности рабочего периода и паузы (цикла). Пусковые периоды практически не оказывают влияния на превышения температуры отдельных частей машины. Условное обозначение режима — S3. Установлены номинальные повторно-кратковременные режимы с продолжительностью включения (ПВ) 15, 25, 40 и 60%, продолжительность одного цикла, если нет других указаний, принимают равной 10 мин.
Повторно-кратковременным номинальным режимом работы- с частыми пусками называется режим работы электрической машины, при котором периоды пуска и кратковременной неизменной номинальной нагрузки чередуются с периодами отключения машины, причем как рабочие периоды, так и паузы не настолько длительны, чтобы превышения температуры отдельных частей электрической машины при практически неизменной температуре охлаждающей среды могли достигнуть практически установившихся значений. В этом режиме пусковые потери оказывают существенное влияние на превышения температуры отдельных частей машины.
Повторно-кратковременный режим с частыми пусками характеризуются относительной продолжительностью включения, числом пусков в час и коэффициентом инерции. Относительная продолжительность включения равна отношению продолжительности пуска и работы с неизменной номинальной нагрузкой к продолжительности цикла. Условное обозначение режима — 54.
Коэффициентом инерции называется отношение суммы приведенного к валу двигателя момента инерции приводимого механизма и момента инерции ротора к моменту инерции ротора. двигателя. Условное обозначение коэффициента инерции — FI. Установлены номинальные повторно-кратковременные режимы с частыми пусками с продолжительностью включения (ПВ) 15, 25, 40 и 60%, числом включений в час 30, 60, 120 и 240 при коэффициенте инерции (FI) 1,2; 2,5 и 4.
Повторно-кратковременным номинальным режимом работы с частыми пусками и электрическим торможением называется режим работы электрической машины, при котором периоды пуска, кратковременной неизменной номинальной нагрузки и электрического торможения чередуются с периодами отключения машины, причем как рабочие периоды, так и паузы не настолько длительны, чтобы превышения температуры отдельных частей электрической машины при практически неизменной температуре охлаждающей среды могли достигнуть практически установившихся значений.
Повторно-кратковременный номинальный режим с частыми пусками и электрическим торможением характеризуется относительной продолжительностью включения, числом пусков в час и коэффициентом инерции. Относительная продолжительность включения равна отношению продолжительности пуска, работы с неизменной номинальной нагрузкой и электрического торможения к продолжительности цикла. Условное обозначение режима — 35. Установлены номинальные повторно-кратковременные режимы с частыми пусками и электрическим торможением с продолжительностью включения (ПВ) 15, 25, 40 и 60%, числом включений в час 30, 60, 120 и 240 при коэффициенте инерции (FJ) 1,2; 1,6; 2,5 и 4.
Перемежающимся номинальным режимом работы называется режим работы электрической машины, при котором кратковременные периоды неизменной номинальной нагрузки (рабочие периоды) чередуются с периодами холостого хода (паузами), причем как рабочие периоды, так и паузы не настолько длительны, чтобы превышения температуры отдельных частей электрической машины при практически неизменной температуре охлаждающей среды могли достигнуть практически установившихся значений. Перемежающийся номинальный режим характеризуется относительной продолжительностью нагрузки (ПН), равной отношению продолжительности рабочего периода к продолжительности цикла. Условное обозначение режима — 56. Установлены номинальные перемежающиеся режимы работы с продолжительностью нагрузки (ПН) 15, 25, 40 и 60%, продолжительность одного цикла, если нет других указаний, принимают равной 10 мин.
Перемежающимся номинальным режимом работы с частыми реверсами называется режим работы электрической машины, при котором периоды реверса чередуются с периодами неизменной номинальной нагрузки, причем периоды неизменной номинальной нагрузки не настолько длительны, чтобы превышения температуры отдельных частей машины при практически неизменной температуре охлаждающей среды могли достигнуть установившихся значений.
В этом режиме потери при реверсировании оказывают существенное влияние на превышения температуры отдельных частей машины. Перемежающийся номинальный режим с частыми реверсами характеризуется числом реверсов в час и коэффициентом инерции. Условное обозначение режима — 57.
Установлены номинальные перемежающиеся режимы с частыми реверсами при электрическом торможении с числом реверсов в час 30, 60, 120 и 240 при коэффициенте инерции (FI) 1,2; 1,6; 2,5 и 4.
Перемежающимся номинальным режимом работы с двумя и более скоростями вращения называется режим работы электрической машины, при котором периоды работы при неизменной номинальной нагрузке на одной скорости вращения чередуются с периодами работы на другой скорости вращения при соответствующей этой скорости вращения неизменной номинальной нагрузке. Число ступеней скорости вращения может быть более двух, причем соответственно увеличивается число чередующихся периодов. Периоды неизменной нагрузки на каждой из скоростей вращения не настолько длительны, чтобы
превышения температуры отдельных частей электрической машины при практически неизменной температуре охлаждающей среды могли достигнуть практически установившихся значений. В этом режиме работы потери при переходе от одной скорости вращения к другой оказывают существенное влияние на превышения температуры отдельных частей машины.
Перемежающийся номинальный режим с двумя и более скоростями вращения характеризуется числом циклов в час, коэффициентом инерции и относительной продолжительностью нагрузки на отдельных ступенях скорости вращения, которая определяется отношением продолжительности пуска (или электрического торможения) и работы с неизменной номинальной нагрузкой к продолжительности цикла. Условное обозначение режима — 58.
Установлены номинальные перемежающиеся с двумя и более скоростями вращения режимы работы с числом циклов в час 30, 60, 120 и 240 при коэффициенте инерции (FI) 1,2; 1,6; 2,5 и 4. Продолжительность нагрузки (ПН) на каждой из скоростей вращения устанавливается по согласованию между потребителем и поставщиком.
Номинальные режимы 51, 52, 53 и 56 являются основными, режимы работы 54, 55, 57 и 58 — дополнительными (рекомендуемыми).

Источник

Нагревание и охлаждение электрических машин

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 + Sλτ dt, (18. 1)

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

∑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; Sλτ— 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 Θ₁т.е. τ = 0. В этом случае рассеяния теплоты в окружающую среду не происхо­дит, т.е. Sλτ 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:

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 Θ₁, то зависимость температуры перегрева этой машины τот времени t выражается равенством:

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

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:

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:

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

Температура нагрева какой-либо части машины Θ₂ при извест­ной температуре ее перегрева τи температуре окружающей среды Θ₁ =40 °С:

Для машин, работающих в условиях повышенных температур окружающей среды, например, в условиях металлургического производства, температуру Θ₁, 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.

ЧТО ТАКОЕ УВЕРЕННОЕ ПОВЕДЕНИЕ В МЕЖЛИЧНОСТНЫХ ОТНОШЕНИЯХ? Исторически существует три основных модели различий, существующих между.

Источник