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 колторогопревышение температурыдвигателя 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 (3 5) (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 2 3 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