Электрические машины конспект лекций

c — удельная теплоемкость машины (количество тепла, вызывающее повышение температуры 1 кг массы машины на 1 °С);

m — масса машины;

kòî — коэффициент теплоотдачи с поверхности (количество тепла, рассеиваемое с 1 м2 поверхности охлаждения машины в течение 1 с при разности между ее температурой и температурой окружающей среды в 1 °С), который определяется интенсивностью охлаждения электриче- ской машины;

Sîõë — поверхность охлаждения машины;

— превышение температуры машины над температурой окружающей среды.

При некотором значении температуры наступает установившийся тепловой процесс, при котором все выделяемое в машине тепло отдается окружающей среде. В этом случае величина cmd 0, и уравнение теплового баланса принимает вид

Уравнение теплового баланса с учетом (27.3) можно записать в виде

Решая уравнение (27.4) при условии, что электрическая машина уже имела некоторое превышение температуры 0 над окружающей средой, получим

где величина T — постоянная времени нагревания,

311

Из (27.5) следует, что величина в процессе нагревания и охлаждения электрической машины изменяется по экспоненциальному закону. При нагревании превышение температуры возрастает (рис. 27.1, à, кривая 1), асимптотически приближаясь к установившемуся значению 1 , соответствующему определенным величинам P1 , Sîõë1 è kòî1. Это может иметь место при возрастании потерь мощности (т. е. нагрузки) машины или уменьшении интенсивности ее охлаждения.

Рис. 27.1. Кривые нагревания и охлаждения электрической машины

При охлаждении превышение температуры уменьшается (кривая 2) до установившейся величины 2 , соответствующей другим значениям P2 è kòî2. Это может иметь место при уменьшении потерь P или увеличении интенсивности охлаждения.

В начальной точке 0 (при t 0) производная d 0 . Ñëå- dt T

довательно, постоянная времени T может быть представлена в виде отрезка AB, отсекаемого касательной (проведенной к кривой нагревания при t 0) на прямой, параллельной оси абсцисс и соответствующей установившемуся превышению температуры . Формулу (27.6) с учетом (27.3) можно представить в виде

312

Физически величину T можно рассматривать как время, в течение которого превышение температуры достигло бы установившегося значения , если бы скорость возрастания температуры оставалась все время неизменной. Такие условия имели бы место, если бы в процессе нагревания и охлаждения машины не происходило отдачи тепла окружающей среде. Но так как в действительности часть тепловой энергии рассеивается в окружающее пространство, то за время t T превышение температуры достигает лишь величины, соответствующей точ- ке C (ñì. ðèñ. 27.1, a).

Кривые 1 è 2 показывают характер изменения превышения температуры электрической машины соответственно при увеличении нагрузки, (когда возрастают P и ) и при уменьшении е¸ (когда уменьшается P è ).

Если машина включается в работу после сравнительно длительного пребывания в отключенном состоянии (когда она приобрела температуру окружающей среды), то 0 0 (рис. 27.1, б), и уравнение (27.5) упрощается:

Когда же машина отключается от сети, то P 0; происходит ее охлаждение до температуры окружающей среды. При этом 0 (см. рис. 27.l, á), а следовательно,

Из рассмотрения кривой нагревания электрических машин следует, что при достаточно большой продолжительности ра-

t

боты, когда t 3–4 T, величина e T становится весьма малой и превышение температуры достигает приблизительно значе- ния . В этом случае наступает практически установившийся тепловой режим, называемый продолжительным (èëè длительным).

313

Из формулы (27.6) следует, что постоянная времени нагревания T обратно пропорциональна теплоотдаче kòîSîõë, поэтому хорошо вентилируемые машины имеют меньшие постоянные времени. При снижении интенсивности вентиляции постоянная времени T увеличивается. Например, в машинах с самовентиляцией уменьшение частоты вращения и остановка машины приводят к возрастанию T, поэтому для них постоянная времени Tîõë при охлаждении примерно в 2–3 раза больше постоянной времени T при нагревании. Для электрических машин различных мощностей T 0,3–2 ч, для микромашин T 3–10 ìèí.

В процессе работы электрической машины происходят необратимые изменения состояния изоляции, которые называют

старением изоляции.

Главными причинами старения изоляции являются: высокая температура, большие перепады температуры между отдельными деталями машин, электрическое поле; повышенная влажность; механические усилия. При повышении температуры происходит интенсивный износ изоляции и быстрое ее разрушение. Следовательно, максимальная температура, при которой может работать электрическая машина, определяется нагревостойкостью применяемой в ней изоляции. Чем выше допустимая предельная температура отдельных частей машины, тем меньше срок службы ее из-за постепенного старения изоляции. Однако чем выше эта температура, тем больше можно нагрузить данную машину.

Электроизоляционные материалы, применяемые в электри- ческих машинах, в зависимости от нагревостойкости подразделяют согласно ГОСТу на семь классов (табл. 27.1).

Ò à á ë è ö à 2 7 . 1

314

Лекция 28

РЕЖИМЫ НАГРУЗКИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН

В зависимости от характера изменения нагрузки электриче- ские машины могут работать в различных номинальных режимах: продолжительном, кратковременном, повторно-кратковре- менном и перемежающемся.

Режим работы электрической машины, при котором она работает с неизменной нагрузкой и в течение такого продолжительного времени, что превышение температуры над температурой окружающей среды достигает установившегося значения , называют продолжительным (ðèñ. 28.1, a). Условное обозначе- ние режима — S1.

Рис. 28.1. Кривые изменения P, P и при работе электрической машины: à — в продолжительном режиме; á — в кратковременном

Мощность P, при которой ìàêñ , называют номинальной длительной мощностью P . Она является основным параметром, характеризующим нагрузочную способность электри- ческой машины при продолжительном режиме работы.

316

Обычно при работе с номинальной длительной мощностью P превышение температуры отдельных частей достигает установившегося значения через 3–6 ч для машин средней и большой мощности и через 10–30 мин — для микромашин, после чего все выделяющееся тепло отдается окружающей среде. Для того чтобы превышение температуры электрической машины при определенной нагрузке не превышало максимально допустимого значения max , машина должна иметь достаточные размеры охлаждающей поверхности Sîõë. При заданной величи- не Sîõë требуемую величину можно обеспечить, увеличивая коэффициент kòî, т. е. повышая интенсивность охлаждения.

При кратковременном режиме работа машины с постоянной нагрузкой чередуется с ее отключениями (рис. 28.1, б). При этом периоды têð нагрузки не настолько длительны, чтобы превышение температуры машины могло достигнуть установившегося значения , а периоды отключения tï (паузы) достаточно велики, чтобы она успела охладиться до температуры окружающей среды 0 . Для машин общего применения ГОСТ устанавливает следующие продолжительности рабочего периода: 10, 30, 60

è90 мин. Однако в условиях эксплуатации продолжительность рабочего периода têð может быть самой различной. Условное обозначение режима — S2.

При работе машины с перегрузкой, т. е. с мощностями P2

èP3, большими, чем P1 P , величины 2 è 3 будут больше, чем ìàêñ (ðèñ. 28.2, à). Следовательно, продолжительная работа машины при таких мощностях недопустима, и время ее работы должно быть ограничено. Чем больше отдаваемая мощность P (а следовательно, и потери P), тем больше величина

èинтенсивнее нарастает превышение температуры в процессе нагрева. Таким образом, чем больше нагрузка машины, тем меньшее время она может работать до момента достижения

величины ìàêñ . Например, при работе машины с мощностью P3 P2 допустимое время ее работы t3 t2 . И наоборот, меньшее время работы машины соответствует большей мощности, которую она может развивать.

Допустимую продолжительность кратковременного режима têð, при которой превышение температуры êð не возрастает свыше величины ìàêñ , можно получить из формулы

317

têð

1 e T

режиме работы.

Рис. 28.2. Кривые нагревания электрической машины при работе ее с различными нагрузками и зависимость допустимого времени работы машины от степени перегрузки

Во столько же раз могут быть увеличены и допустимые зна- чения потерь мощности P. Поэтому машины заданной мощности, рассчитанные для кратковременного режима, имеют значи- тельно меньшие габаритные размеры и массу, чем машины, рас- считанные для длительной работы.

Íà ðèñ. 28.2, á показана зависимость продолжительности ра-

боты машины от степени ее перегрузки по потерям k ï P .

P

При кратковременных перегрузках длительностью 2–3 мин можно считать, что нагревание происходит без отдачи тепла (адиабатически). При этом величина нарастает по линейному закону

318

В современной технике электрические машины часто работают в повторно-кратковременном режиме. При этом режиме (рис. 28.3, à) периоды работы машины под нагрузкой tð периоди- чески чередуются с периодами отключения машины (паузами) tï, вследствие чего общее время работы машины разбивается на периодически повторяющиеся циклы продолжительностью tö tð tï . При этом за периоды tð нагрузки превышение температуры не достигает установившегося значения, а за периоды отключения машина не успевает охладиться до температуры окружающей среды. Согласно ГОСТу время цикла tö при работе машины в этом режиме не должно превышать 10 мин. По- вторно-кратковременный режим характеризуется продолжительностью включения (%)

Условное обозначение режима — S3.

Рис. 28.3. Кривые изменения P, P и при работе электрической машины в повторно-кратковременном режиме

Стандартные значения ПВ составляют 15, 25, 40 и 60 %. При работе в повторно-кратковременном режиме кривая на-

гревания 3 приобретает пилообразный характер (рис. 28.3, á), так как периоды нагревания чередуются с периодами охлаждения. Во время рабочего периода tð величина возрастает по некоторой кривой, параллельной кривой нагревания машины 1, âî

319

время паузы tï она уменьшается по кривой, параллельной кривой охлаждения 2.

При достижении установившегося режима превышение температуры колеблется от ìàêñ äî ìèí , причем величина ìàêñ будет меньше превышения температуры , которую имела бы машина при непрерывной работе с той же нагрузкой. Следовательно, при повторно-кратковременном режиме можно допустить большие нагрузки, чем при длительной непрерывной работе. На практике при определении мощности, которую может развивать электрическая машина при повторно-кратковременном режиме, часто исходят из эквивалентного тока:

tð

I ýêâ I ð I ð ÏÂ, (28.4) tð tï

ãäå Ið — действительный ток машины в рабочий период tð. Если машина рассчитана на работу при повторно-кратко-

временном режиме ПВ1, то при работе ее в режиме ПВ2 величину тока, определяющую развиваемую мощность P, можно увели- чить или уменьшить пропорционально:

Из формулы (28.4) следует, что при ПВ = 60 % машина может реализовать мощность, приблизительно равную 1,3P , при ПВ = 40 % — мощность 1,6P , при ПВ = 25 % — мощность 2P , при ПВ = 15 % — мощность 2,6P , ãäå P — мощность при длительном режиме работы (при ПВ = 100 %).

В режиме (рис. 28.4) кратковременные периоды работы под нагрузкой (рабочие периоды) чередуются с периодами холостого хода (паузами).

Перемежающийся режим характеризуется относительной продолжительностью нагрузки (%).

ãäå tð — время работы;

t0 — время холостого хода.

320