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

52 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

64567. Творчество Караваджо 15.24 KB
  Ранние работы Караваджо поясные портреты иногда с включением деталей натюрморта которые Караваджо писал мастерски. В капелле Черази церкви СантаМария дель Пополо Караваджо изменил манеру письма. Фигуры у Караваджо изображены таким образом что у зрителя возникает ощущение необыкновенной реалистичности.
64569. Проблема баланса сил в XVIII веке. Военные конфликты 30-х - 60-х годов XVIII века 13.5 KB
  Главным в международной политике стало строгое соблюдение принципа баланса сил. Три основных конфликта этого периода фактически определяли направленность усилий европейских политиков и дипломатов.
64570. Социально-этичный маркетинг 19.73 KB
  Социально-этический маркетинг (социально-этичный маркетинг, социальный маркетинг) – это комплексное взаимодействие коммерческой фирмы, работающей на рынке, с клиентами, контрагентами, различными общественными институтами, основанное на признании решающей роли социальной ответственности фирмы.
64571. ХАРАКТЕРИСТИКИ ДОРОЖНОГО ДВИЖЕНИЯ. ТРАНСПОРТНЫЙ ПОТОК 36.01 KB
  При формировании информации о состоянии дорожного движения в первую очередь необходимы данные характеризующие транспортный поток. По мере совершенствования методов и аппаратуры для исследования транспортных потоков номенклатура показателей используемых в организации...
64573. Основные направления европейской политики XVIII столетия. Проблема баланса сил 15.45 KB
  Причиной войны стал династический спор французских Бурбонов и австрийских Габсбургов за право наследования испанского престола после смерти в ноябре 1700 Карла II (1665–1700), последнего представителя испанских Габсбургов.
64574. Реабилитация русской истории. Народы Поволжья в составе РФ. 16 – начало 20 веков 29 KB
  В Москву прибыли посланцы чувашей и горных марийцев которые просили великого князя Ивана IV о том чтобы государь пожаловал послал рать на Казань. Постепенно Расширение территории обитания чувашей. начинается переселение чувашей в Западную Сибирь.