Тепловой баланс и превышение температуры электродвигателей
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 7.1Классы изоляционных материалов по устойчивости к температуре
Класс изоляции | Y | A | E | B | F | H | C |
Предельно допустимая температура °С | >180 |
. Y – на судах бывшего СССР не допускалось применение изоляции этого класса;
∙ A – пропитанные волокнистые материалы;
∙ B – материалы на основе слюды, асбеста и стекловолокна с пропиткой;
∙ 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°Сдвигатель может быть нагружен несколько выше номинальной нагрузки (для изоляции класса А превышение номинальной нагрузки не допускается).
При температуре окружающей (охлаждающей) среды больше 40°Си 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:
a) 15÷20 лет – при номинальной нагрузке;
b) 1.5 месяца – при нагрузке 1.25 от номинальной;
c) 3 часа – при нагрузке 1.5 от номинальной.
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 отдостигло 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