Тема 1.2. Нагрев и номинальные режимы работы электродвигателей

Правильный выбор мощности электродвигателя обеспечивает надежную и экономичную работу приводимого механизма. Основным требованием при выборе электродвигателя является соответствие его мощности условиям технологического процесса. При выборе двигателя заниженной мощности, снижается производительность приводимой машины, возникает повышенный нагрев двигателя, что приводит к быстрому старению изоляции и выходу двигателя из строя.

При завышении мощности двигателя увеличиваются первоначальные капитальные затраты, а также потери энергии за счет снижения КПД двигателя. Для асинхронных двигателей при снижении нагрузки ухудшается также и коэффициент мощности ( ) , что приводит к дополнительной непроизводительной загрузке питающей сети и генераторов электростанций.

Мощность электродвигателей выбирают из условия обеспечения нормального теплового режима двигателя в процессе работы и допустимой кратковременной перегрузки. Для асинхронных двигателей двигатель должен также иметь достаточный пусковой момент, чтобы обеспечить пуск и не затянуть время пуска.

Нагрев и охлаждение электродвигателей.

Изучение характера нагрева и охлаждения ЭД позволяет провести анализ распределения тепловых потоков в ЭД во времени, выявить условия и характер нагрева ЭД, рационально выбрать ЭД по мощности из условий его нагрева.

Нагрев двигателя происходит за счет потерь, которые возникают в нем при преобразовании электрической энергии в механическую. Электрические потери (в меди) вызывают нагрев обмоток, магнитные потери - нагрев стали ротора, статора, якоря, полюсных наконечников; механические - подшипников, щеток коллектора, поверхности якоря или ротора - всех частей, где происходит трение.

Особое значение имеет нагрев изоляции обмоток. Мощность двигателя должна быть выбрана такой, чтобы он всегда работал при температуре, допустимой для класса изоляции, используемой в данном двигателе. Перегревание обмоток на 8-10 градусов выше допустимой температуры изоляции вызывает интенсивное ее старение и снижение срока службы некоторых видов изоляции в два раза. Недопустимым является даже кратковременное превышение предельно допустимой температуры для данного класса изоляции, поскольку это приводит к ее разрушению.

Электроизоляционные материалы по нагревостойкости делятся на несколько классов. Материалы класса А имеют предельно допустимую температуру 105С (пропитанная маслом хлопчатобумажная ткань, волокнистые материалы из целлюлозы и шелка). КлассH - свыше 180С (слюда, керамика, стекло, асбест без вяжущих составов). Новые классы – 200, 220, 250 имеют такую же предельно допустимую температуру.

В процессе работы двигателя происходит непрерывный износ и старение изоляции, вызываемый ее нагревом. Скорость износа определяется температурным режимом двигателя. Под допустимым тепловым режимом ЭД понимают такой режим, при котором срок службы изоляции будет не менее заданного. Срок службы изоляции (Т) экспоненциально уменьшается с ростом ее температуры:

,

где R – постоянный коэффициент;

–температура изоляции;

–функция, определяемая классом изоляции.

Чем выше класс изоляции, тем больший ток можно пропустить через обмотки, а соответственно и большую мощность будет иметь двигатель при прочих равных условиях. Таким образом, номинальная мощность ЭД зависит от ее тепловой нагрузки, т.е. от допустимой температуры обмоток.

Тепловая модель электродвигателя.

Конструктивно электрические машины изготавливают из материалов, имеющих существенно различную теплоемкость и теплопроводность. Неоднородность тепловых свойств объема машины и неравномерность распределения источников теплоты приводит к сложному распределению температуры по объему машины. Поэтому тепловая модель электродвигателя получается достаточно сложной.

При исследовании тепловых процессов с целью упрощения принимают следующие допущения: двигатель рассматривается как однородное тело, которое нагревается равномерно. Теплоотдача во внешнюю среду пропорциональная первый степени разности температур двигателя и среды. Теплоемкость двигателя и его коэффициент теплоотдачи не зависят от температуры двигателя.

При работе ЭД часть тепловой энергии, которая выделяется в двигателе, отдается в окружающую среду, а другая часть аккумулируется в двигателе, повышая его температуру.

Уравнение теплового баланса.

Уравнение теплового баланса двигателя при продолжительной неизменной нагрузке имеет вид;

(1.18)

где Q – общее количество теплоты, которая выделяется в двигатель за единицу времени [Дж/с] - это есть мощность потерь (∆Р [Вт]);

А – теплоотдача двигателя - количество теплоты, которое выделяется в окружающую среду, в единицу времени при разности температур в 1 С [Дж/с*град] (пропорциональна площади поверхности и зависит от вентиляции ЭД);

С – теплоемкость двигателя - количество тепла, необходимое для повышения температуры двигателя на 1С [Дж/град] (пропорциональна объему двигателя)

τ = tдв-tср – превышение температуры двигателя tдв над температурой окружающей среды tср.

Стандартно температура окружающей среды принимается равной t_ср = 40ºС.

Разделив обе части (8.1) на Adt получим линейное дифференциальное уравнение первой степени относительно перегрева τ:

(1.19)

Обозначив через Т_н постоянную времени нагрева:

(1.20)

и установившееся превышение температуры, когда температура двигателя уже не повышается , получим дифференциальное уравнение первого порядка в канонической форме:

(1.21)

Решением уравнения (1.21) будет выражение:

(1.22)

где τ₀ – начальное значение превышения температуры, при t=0.

Как вытекает с (1.22) нагрев двигателя происходит по экспоненте с постоянной времени Тн.

Физический смысл постоянной времени нагрева - время, за которое, двигатель достиг бы установившейся температуры, если бы отдача тепла в окружающую среду отсутствовала А=0).

Теоретически процесс нагрева ЭД длится бесконечно долго, а практически заканчивается через ( 4-5) Т_н (погрешность при этом не превышает 1-2%).

Постоянная нагрева реальных ЭД - Т_н составляет от нескольких минут до нескольких часов. Ее можно определить по экспериментально снятой кривой нагрева двигателя, проведя подкасательную в любой точке кривой нагрева ЭД, или как время нагрева ЭД до уровня 0,632 τ_y (рис.1.18 )

Рис. 1.18 Определение постоянной времени нагрева.

Выражение (8.3) может использоваться для исследования как процесса нагрева двигателя так и его охлаждения. Необходимо лишь подставить соответствующие значения τ₀ и τ_y.

Для двигателя с самовентиляцией постоянная времени охлаждения в 2-3 раза больше чем постоянная времени нагрева из-за ухудшения условий теплоотдачи при остановке двигателя.

При переменной нагрузке температура двигателя непрерывно изменяется. Уравнение (1.22) позволяет рассчитать кривую нагрева ЭД при изменении нагрузки. Прямой метод проверки ЭД по нагреву заключается в расчете по (1.22) кривой нагрева ЭД, определение из нее значения максимального перегрева τ_max и проверки условия:

где τ_доп – допустимый перегрев для данного класса изоляции обмотки двигателя.

На практике для проверки двигателей по нагреву используют менее точные, но существенно более простые инженерные методы расчета.

Литература: 1, с. 453-457; 4, с. 304-305.

СРС: Получить решение уравнения теплового баланса.

Литература: 1, с. 453-457; 4, с. 304-305.

Контрольные вопросы:

1.Приведите уравнение теплового баланса.

2.Что показывает теплоотдача двигателя.

3.Что показывает теплоемкость двигателя .

4.Чему равняется постоянная времени нагрева.

5.Как экспериментально определить постоянную времени нагрева.

ЛЕКЦИЯ 7

Номинальные режимы работы электродвигателей.

Тепловой режим двигателя определяется мощностью внутренних потерь , характер изменения которой определяется режимом работы электропривода и нагрузкой механизма. Рост температуры ЭД прекращается, когда количество тепла, отдаваемое двигателем в окружающую среду (а оно увеличивается, пропорционально его температуре), становится равным количеству тепла, выделяемого в двигателе.

Такой тепловой режим установившейся температуры достигается при длительной работе ЭД. Во многих случаях работа двигателя прекращается до достижения им установившейся температуры, или происходит снижение нагрузки на двигатель, а, следовательно, уменьшение потерь и снижение температуры ЭД. В связи с этим при выборе мощности двигателя выделены наиболее характерные режимы работы ЭД.

Реальные режимы работы электроприводов различаются огромным разнообразием: по характеру и продолжительности циклов, значению нагрузок, режимам пуска, соотношением потерь в период пуска и установившегося движения и т.д. На основании их анализа выделен специальный класс режимов – номинальные режимы, для которых и проектируются двигатели. ГСТУ предусматривает 9 номинальных режимов работы, обозначаемых как S1– S9. Основными из них являются четыре режима S1– S3 и S6, а остальные – дополнительные или рекомендованные. Они введены для упрощения эквивалентирования произвольного режима номинальным.

Каждый из режимов характеризуется диаграммой мощности и графиком изменения температуры двигателя.

1. Продолжительный номинальный режим – режим работы двигателя с постоянной номинальной нагрузкой, которая длится до тех пор, пока превышение температуры двигателя над окружающей средойне достигнет установившегося значения (рис. 1.19).

Рис. 1.19 Характеристики режима

2. Кратковременный номинальный режим – режим работы двигателя, при котором периоды постоянной номинальной нагрузки чередуются с периодами отключения двигателя. При этом за время работы двигателя превышение температуры не успевает достичь установившегося значения, а за время отключения двигатель успевает остыть до температуры окружающей среды (рис. 1.19).

Рис. 1.20 Характеристики режима .

3. Повторно-кратковременный номинальный режим – режим работы двигателя, при котором кратковременные периоды неизменной номинальной рабочей нагрузки (рабочие периоды ) чередуются с периодическими отключениями двигателя (паузами ). При этом, как рабочие периоды, так и паузы не такие продолжительные, чтобы превышение температуры могло достичь установившегося значения (рис. 1.21).

Рис. 1.21 Характеристики режима

Максимальная продолжительность цикла в повторно-кратковременном режиме равняется 10 мин.

Режим характеризуется относительной продолжительностью включения:

(1.23)

Эту величину часто выражают в процентах и в каталогах указывают, как продолжительность включения – . Двигатели для режима проектируются для стандартных продолжительностей включения .

4. Повторно-кратковременный номинальный режим работы электродвигателя с частыми пусками – S4. Отличается от режима S3 тем, что пусковые потери начинают оказывать существенное влияние на нагрев двигателя.

Кроме значения , режим S4 дополнительно характеризуется следующими параметрами:

1) количеством включений в час (если нет специально установленных) – Z=30; 60; 120; 240 вкл/час;

2) коэффициентом инерции (соответственно значениям Z) – (FJ)=1.2; 1,6; 2,5; 4.

Коэффициент инерции представляет собой отношение суммы приведенного к валу двигателя момента инерции механизма и якоря (ротора) к моменту инерции якоря (ротора).

5. Повторно-кратковременный номинальный режим работы электродвигателя с частыми пусками при наличии электрического торможения – S5 .

6. Перемежающийся номинальный режим работы электродвигателя – S6.

Отличается от режима S3 тем, что в периоды пауз нагрузки электродвигатель не отключается от сети, а работает в режиме холостого хода.

7. Перемежающийся номинальный режим работы электродвигателя с

частыми реверсами – S7 .

8. Перемежающийся номинальный режим работы при использовании

электродвигателя с двумя и более скоростями – S8.

9. Режим с не периодическими изменениями нагрузки и скорости – S9.

Режим работы, при котором нагрузка и скорость обычно изменяются не периодически в границах допустимого рабочего диапазона. Этот режим часто включает перегрузки, которые могут значительно превысить полную нагрузку.

Литература: 1, с. 456-458; 4, с. 306-312.

СРС: Приведите нагрузочные диаграммы и графики изменения температуры номинальных режимов S4-S9.

Литература: 1, с. 456-458; 4, с. 306-312.

Контрольные вопросы:

1.Чем обусловленная необходимость введения номинальных режимов?

2. Приведите характеристики режима ,.

3. Приведите характеристики режима .

4. Как определяется продолжительность включения?

5. Какие номинальные режимы являются основными, а какие – дополнительные или рекомендованные?

ЛЕКЦИЯ 8