44670

Нагревание и охлаждение электродвигателей

Лекция

Физика

Для определения необходимой для привода мощности электродвигателя рассмотрим особенности нагрева двигателя и классификацию режимов его работы по условиям нагрева. Во время работы в двигателе возникают потери эллектрической энергии, которые превращаются в теплоту и нагревают обмотки и другие части ЭД

Русский

2014-03-28

60.42 KB

67 чел.

ТЕМА ЛЕКЦИИ 7

Нагревание и охлаждение электродвигателей

ПЛАН ЛЕКЦИИ

  1.  Классификация изоляции
  2.  Тепловой баланс и превышение температуры электродвигателей
  3.  Постоянные времени нагрева и охлаждения

Для определения необходимой для привода мощности электродвигателя  рассмотрим особенности нагрева двигателя и классификацию режимов его работы по условиям нагрева. Во время работы в двигателе возникают потери эллектрической энергии, которые превращаются в теплоту и нагревают обмотки и другие части ЭД.

        Допустимый нагрев определяется наименее теплостойким материалом, таким материалом в электродвигателе (ЭД) является изоляция обмоток. Срок службы изоляции практически определяет срок службы ЭД. Следовательно, мощность выбранного ЭД должна быть такой, чтобы изоляция ЭД не перегревалась при наиболее тяжелых условиях работы привода.[Гер 449]

        

Классификация изоляции

         Работа ЭД сопровождается потерей части энергии, которая превращается в теплоту. Мощность потерь :

                                                 (7-1)

где:    – номинальная мощность;

        потери при номинальной мощности;

          – к.п.д. при номинальной мощности.

тем больше, чем большую мощность P развивает двигатель на валу и чем ниже его  к.п.д. – .

      С ростом нагрузки мощность P и потери P растут,  а следовательно растёт и температура двигателя, соответственно и температура его изоляции, и температура может достигнуть опасных для изоляции значений.

  По устойчивости к температуре изоляционные материалы ЭД подразделяют на несколько классов(Таблица 7.1).

Таблица 7.1 Классы изоляционных материалов по устойчивости к температуре

Класс изоляции

Y

A

E

B

F

H

C

Предельно допустимая температура °С

90

105

120

130

155

180

>180

.     Y – на судах бывшего СССР не допускалось применение изоляции этого класса;

  1.  A – пропитанные волокнистые материалы;
  2.  B – материалы на основе слюды, асбеста и стекловолокна с пропиткой;
  3.  H – те же что и B с кремний органическими связывающими пропитками;

На судах Морфлота используется изоляция:

  1. Для обмоток статоров класса H и B;
  2. Для обмоток роторов  класса H,  B и F;

Указанные рабочие температуры установлены исходя из срока службы ЭД. Соблюдение установленных ограничений по допустимой температуре нагрева, а следовательно и по допустимой нагрузки, обеспечивает длительный срок службы изоляции ЭД.  

 Предельные температуры обмоток двигателей с различными классами изоляции достигаются при  номинальной нагрузке  и температуре окружающей (охлаждающей) среды 40°С и высоте над уровнем моря до 1000м. Превышение допустимых температур ведёт к разрушению изоляции и сокращению срока эксплуатации электродвигателя.

 При температуре окружающей (охлаждающей) среды меньше 40°С двигатель может быть нагружен несколько выше номинальной нагрузки (для изоляции класса А превышение номинальной нагрузки не допускается).

При температуре окружающей (охлаждающей) среды больше 40°С и высоте над уровнем моря больше 1000м нагрузка двигателя должна быть снижена относительно номинальной.
 Степень снижения (или увеличения) нагрузки, кроме температуры окружающей среды и высоты, зависит ещё и от класса изоляции, режима работы  электродвигателя и соотношения постоянных и переменных потерь.

Например, для высоты до 1000м

при превышении температуры окружающей среды до 45°С рекомендуемое снижение тока нагрузки составляет от 2% до 7%,

при превышении температуры 50°С снижение тока от4% до 15%,

при превышении температуры 60°С снижение тока от10% до 30%.

Опытным путём установлено, что электродвигатель сохраняет  эксплуатационные свойства, определённые технической документацией:

  1. 15÷20 лет – при номинальной нагрузке;
  2. 1.5 месяца – при нагрузке 1.25 от номинальной;
  3. 3 часа – при нагрузке 1.5 от номинальной.

Тепловой баланс и превышение температуры электродвигателей

Температура ЭД зависит не только от нагрузки, но и от температуры окружающей (охлаждающей) среды.[гер450с чек 352. 350]  При расчетах температуру окружающей (охлаждающей) среды для судового электрооборудования  принимают +40.

Для электродвигателей нормируется не допустимая температура обмотки и других частей машины, а допустимое превышение температуры обмотки над температурой окружающей среды.[чилк350]

Разность между температурами двигателя и окружающей (охлаждающей) среды называют превышением температуры или  температурой  перегрева и обозначают  .

         Например, для широко распространенной изоляции класса «А» допустимая температура перегрева составляет 65, , а допустимая температура изоляции класса «А»  105 (Табл7.1).

 

=  =105,

          где; 40 – температура окружающей среды.

          При расчетах процессов нагревания и охлаждения электрическую машину рассматривают как однородное тело, которое равномерно нагревается и излучает теплоту всей поверхностью.

          Перед работой ЭД имеет температуру окружающей среды, а при работе вся выделяющаяся теплота идет на повышение температуры двигателя.  

         Количество теплоты, необходимое для нагрева двигателя массой – m, теплоемкость которого – C [Вт·с/град], при повышении температуры двигателя в процессе работы на –  , определяется по формуле

.                                                     (7-2)

 

          Когда температура ЭД становится выше температуры окружающей среды, начинается процесс теплоотдачи от двигателя в окружающую среду. При постоянной нагрузке, через некоторое время, температура ЭД достигает установившегося значения и прекращается повышение ткемпературы.

 При установившейся температуре  , вся теплота, выделяющаяся в ЭД, отдается в окружающую среду. То есть наступает тепловое равновесие : при этом часть выделяющейся теплоты расходуется на поддержание установившейся температуры двигателя а остальная часть теплоты отдается в окружающую среду.

Если нагрузка на вал двигателя увеличится,  то ток  двигателя увеличится и установившаяся температура так же увеличится при большем значении мощности, развиваемой двигателем.

           Уравнение теплового баланса двигателя при постоянной нагрузке имеет следующий вид:

                                             (7-3)   

         где;   количество теплоты (мощность потерь в двигателе), выделяющейся в двигателе  за 1секунду;

                 – температура перегрева   (превышение температуры двигателя  над температурой окружающей среды),соответствующая промежутку времени , за который выделяется энергия  ; 

 – общее количество тепла, выделяющееся в двигателе за время ;

  – количество тепла, расходуемого на нагрев двигателя до установившейся температуры;

  количество тепла, отдаваемого двигателем в окружающую среду;

– коэффициент теплоотдачи, количество тепла, отдаваемого двигателем в окружающую среду в течение  1 секунды при разности температур двигателя и среды ;

                  – теплоемкость двигателя  количество теплоты, необходимое для повышения температуры двигателя на .

После достижения установившегося превышения температуры двигателя  , увеличение температуры двигателя прекращается  то есть становится равным нулю.  

                 

Подставим  в (7-3) и получим установившееся превышение температуры (температуру перегрева) двигателя :

 

                                                (7-4)

        Каждой нагрузке двигателя соответствует своя установившаяся температура превышения двигателя  .

Совершенно очевидно [герс 450с], двигатель можно нагружать только мощностью,  при которой температура не превышает максимально допустимого значения для его изоляции.

  

Наибольшую мощность , при которой двигатель  длительно работает без опастности перегрева изоляции , называют номинальной мощностью[герс 450с].

 

        Номинальная  мощность вместе с другими номинальными параметрами указывается на щитке ЭД.

        Из выражения (7-4) видно, что установившаяся температура превышения возрастает с уменьшением теплоотдачи . Чем лучше охлаждается ЭД при работе, тем ниже установившаяся температура  превышения (). Поэтому ЭД снабжают вентиляторами и применяют ребристые корпуса для увеличения охлаждающей поверхности.

        Разделим  (7-3)   на  :

Учитывая  (7-4)   что   :

обозначим  ,

 

                                           (7-5)

получили дифференциальное уравнение 1– го порядка(7-5) ,неизвестная .

         Решение линейного дифференциального уравнения (7-5) показывает закон изменения температуры превышение двигателя –   во времени  (7-6):

                 (7-6)

         здесь:

 – начальное превышение температуры, с которым ЭД начинает работать;

 – конечное установившееся превышение температуры двигателя.

постоянная времени нагревания двигателя это время, в течение колторого превышение температуры двигателя над температурой окружающей среды от достигло бы установившегося значения  при  = const (при постоянном количестве теплоты, выделяющейся в двигателе  за 1секунду) и отсутствии теплоотдачи в окружающую среду.

         Если ЭД начинает работать в «холодном» состоянии (нагрет до ) то   и уравнение  (7-6) не содержит второго слагаемого,

.                                 (7-6а)

Рассмотрим графики нагревания и охлаждения ЭД при разных нагрузках и начале работы привода  с разных температур.

 

Рис. 7.1 Кривые нагрева и охлаждения двигателя

          Кривая 1 и 2 соответствуют работе двигателя с «холодного» состояния  (тмпературы двигателя и окружающей среды одинаковые),  но при разных нагрузках: кривая 1соответствует –малой нагрузке, кривая 2 –большей нагрузке.

          Кривая 3 – соответствует работе  двигателя c  такой же нагрузкой как и для кривой 2 но, когда двигатель уже имеет начальное превышение температуры  по сравнению с кривыми 1 и 2.

          Кривые нагревания и охлаждения являются экспонентами. Установившаяся температура  (1,2,3) достигается практически за время (35)  (погрешность 5 и 0.5%).

         После отключения двигателя от сети выделение теплоты в нем прекращается.

и соответственно:  

.

        Для процесса охлаждения изменение температуры принимает вид:

,

                                        (7-7)

           где :  – постоянная времени охлаждения;

                     – теплоотдача при охлаждении.

           Время охлаждения ЭД до установившейся температуры или до температуры охлаждающей среды принимается равным:


          Интенсивность охлаждения ЭД зависит от способа вентиляции и его скорости. В двигателе с самовентиляцией условия охлаждения значительно хуже, чем в двигателе с принудительной  вентиляцией. Поэтому постоянная охлаждения –   для них в 23 раза больше постоянной нагрева .      

           Регулярные продувки и очистки поверхности ЭД от пыли увеличивают теплоотдачу и обеспечивают его наиболее полное использование.

После этого листа идет стр 20 (М) печатный текст

 

Постоянные времени нагрева и охлаждения

          Постоянную времени нагрева –  в уравнении (7-5) можно определить, подставив  время в (7-6а)

получим:

.

          Постоянная времени нагрева – это время, в течении которого превышение температуры двигателя над окружающей средой, при неизменных условиях работы,  достигнет значения   .[чилк353]

         Двигатель в процессе охлаждения, стремится к температуре окружающей среды – этот период может быть очень длительным. Для практических целей считают двигатель остывшим полностью, если его температура отличается от температуры окружающей среды не более чем на 3.

        Подставим в уравнение охлаждения:

и получим:

           Постоянная времени охлаждения   – это время, в течении которого превышение температуры двигателя над окружающей средой, при неизменных условиях работы,  достигнет значения    .

          Постоянные времени нагрева и охлаждения двигателя зависят от его  массы, а следовательно и от  мощности. Чек 302


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

52375. Великобританія. Great Britain 233.5 KB
  London is the capital of the United Kingdom of Great Britain ad Northern Ireland. It stands on the river Thames. London consists of four parts: East End, West End, City and Westminster Abbey. Great Britain is a parliamentary monarchy. The head of the state is king or queen. The British Parliament consists of two Houses: the House of Commons and the House of Lords.
52376. Discover Britain. Travelling to London 149.5 KB
  The form of our today’s lesson is a bit unusual. Today we’ll have a short competition between two teams. At our lesson you will make a trip to London. During our trip we shall have several stops. We’ll visit these stations and do the tasks at each station. Let’s divide into two teams. I’ll give you the parts of two pictures. You have to match them. What kind of picture have you got? OK. Now we have got two teams. You have to choose the captain and the name of your team.
52377. The United Kingdom of Great Britain 36 KB
  I’m glad to see you today. I’m happy to work with you, our topic is very interesting and exciting, because we are going to take a trip to one of the most beautiful countries of Europe. I want you to be positive, I want you to be in a high spirit today, I hope you’ll get bright impressions about our meeting. I do my best to make our trip memorable and interesting.
52378. Значення дихання. Будова і функції верхніх органів дихання 532 KB
  Він включає систему уроків з теми Дихання у відповідності до нової програми. У посібнику є додатковий пізнавальний матеріал схеми таблиці використаний метод проектів у вигляді презентації для подачі різних етапів уроку Значення дихання. Будова і функції верхніх органів дихання. Значення дихання.
52379. Урок: подготовка и проведение 282.5 KB
  Урок закрепления знаний и способов деятельности запоминание. Урок комплексного применения знаний умений применение. Урок обобщения и систематизации знаний и способов деятельности обобщение и систематизация. На этих уроках учитель показывает важность ключевых вопросов учебного материала его связь с другими разделами курса место в системе знаний по предмету.
52380. Побудова зображення будинку у кутовій перспективі 11.81 MB
  Поглибити знання учнів про просторові відношення на основі використання законів лінійної перспективи розширити знання про лінію горизонту. Обладнання: відеоряд картин художників різних епох і фотографій архітектурних споруд плакати з прикладами визначення різних видів перспективи і побудови геометричних предметів у перспективі презентація до уроку; альбоми графітові олівці гумки. Лінійна перспектива вид перспективи що показує у скільки разів зменшиться віддалена частина предмета в порівнянні з наближеною завдяки чому з'являється...
52381. Будова речовини. Атоми та молекули. Взаємодія молекул. Явище дифузії 74 KB
  Мета: вдосконалити уявлення та знання учнів про атоми та молекули та взаємодію; сформувати знання учнів про явище дифузії та дослідити залежність швидкості процесу дифузії від температури; формувати в учнів науковий світогляд інтерес до фізики розвивати уяву учнів спонукати їх до самовдосконалення та самореалізації. Учитель фізики. Формування нових знань Учитель фізики. Учитель фізики.
52382. Розробка бінарного уроку на тему: «Вплив податкової системи на формування державного бюджету» 534 KB
  Згідно даних динаміки доходів Держбюджету України за 2003-2010 роки найбільшим джерелом доходів держбюджету є податок на додану вартість. Другим за величиною джерелом надходжень до бюджету є податок на прибуток підприємств. Вплив держбюджету на розвиток економіки Підприємство сплачує до дохідної частини держбюджету три основних види податків: акцизний збір податок на додану вартість податок на прибуток. Є ціле розмаїття податків про яких багато хто навіть і не чули 1 ведучий Податок на...
52383. Сімейний бюджет. Доходи і витрати сім’ї 138 KB
  Доходи і витрати сімї. Мета: поглибити знання про доходи сімї як джерело збільшення її багатства; види доходів витрати обовязкові платежі бюджет родини; вчити планувати бюджет родини раціонально розраховувати витрати і співставляти їх з доходами; усвідомити свою роль у формуванні сімейного бюджету; виховати грамотного споживача та дбайливого господаря. Основні поняття: доходи витрати бюджет сімї збалансований бюджет надлишковий бюджет дефіцитний бюджет....