Основні відомості про нагрівання й охолодження електродвигуна
ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №4
ДОСЛІДЖЕННЯ ТЕПЛОВИХ РЕЖИМІВ РОБОТИ ЕЛЕКТРОДВИГУНА
Мета роботи
1.Дослідити основні режими роботи електродвигунів.
2.Провести теоретичні й експериментальні дослідження тривалого, повторнокороткочасного і короткочасного режимів роботи.
Зміст роботи
1. Зняття кривої нагрівання електродвигуна при номінальному навантаженні.
2. Зняття кривої охолодження електродвигуна
3. Визначення постійної масу нагрівання і постійної часу охолодження.
4.Визначення тепловіддачі за результатами експерименту електродвигуна і його теплоємності,
5.Розрахунок коефіцієнта термічного навантаження: для заданого часу короткочасної роботи.
Основні відомості про нагрівання й охолодження електродвигуна
Нагрівання й охолодження різних деталей двигуна відбувається не однаково, тому що втрати в електродвигуні розподілені нерівномірно, а умови охолодження окремих деталей різні. Це ускладнює вивчення процесів нагрівання й охолодження електродвигуна і приводить до складних і громіздких математичних виражень, що описують теплові процеси.
Дослідження в цій області показали, що досить прості наближені формули, що забезпечують прийнятну для практичних цілей точність, можна одержати, якщо електродвигун розглядати як однорідне тіло, що володіє нескінченно великою теплопровідністю, втрати в який розподілені по всьому обсязі рівномірно. При цих допущеннях диференціальне рівняння нагрівання електродвигуна, працюючою при постійному навантаженні і, отже, що має постійне значення втрат, можна записати в такому виді [І]:
Де 
- потужність втрат. 
- кількість енергії, що перетворюється в електродвигуні в тепло за час t, А - коефіцієнт тепловіддачі; 
- перевищення температури електродвигуна над температурою навколишнього середовища; 
- кількість тепла, що втрачається машиною за час t при різниці температур електродвигуна і навколишнього середовища; С - теплоємність електродвигуна; 
- кількість енергії, потрібна для нагрівання електродвигуна на 
градусів.
Розділивши обидві частини рівняння (4.1) на А 
, одержимо
(4.2)
Якщо прийняти, що в початковий момент часу підвищення температури двигуна було дорівнює 0, то розв'язки рівняння (4.2) одержимо в наступному виді:
0 
(4.3)
де Т = 
- постійна часу нагрівання.
Як видно з рівняння (4.3) , нагрів двигуна при постійних втратах відбувається по експоненціальному законі з постійною часу нагрівання Т. Стале значення перевищення температури електродвигуна дорівнює:
(4.4)
тобто температура нагрівання прямо пропорційна втратам і назад пропорційна коефіцієнту тепловіддачі.
Теоретично тривалість нагрівання машини до сталої температури дорівнює нескінченності, але практично нагрівання до сталої температури відбувається за час 
, так як через 5Т температура електродвигуна відрізняється від сталої менше, ніж на 1%.
Фізичний зміст постійної часу нагрівання полягає в тім, що вона являє собою час, протягом якого двигун досягне сталої температури 
за умови, шо вся енергія втрат йде на нагрівання
електродвигуна. Переконатися в цьому можна, якщо А в виразі для постійної часу нагрівання замінити значенням, знайденим з рівняння (4.4) , тоді:
(4.5)
Ліва частина рівняння (4.5) охарактеризує енергію, що виділилася в електродвигуні за час Т. права частина - енергію, поглинену машиною при нагріванні її до установленої температури.
Величина Т неоднакова для різних машин. Для промислових електродвигунів вона складає кілька годин, для літакових електродвигунів - виміряється хвилинами ( до 10-20 хвилин). У вимкненому електродвигуні втрати відсутні. Внаслідок того, що температура електродвигуна вище температури навколишнього середовища, тепло іде в навколишнє середовище й електродвигун остигає.
Закон охолодження можна одержати з рівняння ( 4.3) , прийнявши в ньому 
.
Тоді 
Де 
- початкове значення перевищення температури електродвигуна над температурою навколишнього середовища;
- постійна часу охолодження : А - коефіцієнт тепловіддачі
при охолодясенні.
Коефіцієнти тепловіддачі при нагріванні й охолодженні електродвигуна неоднакові в зв'язку з різними умовами охолодження.
Тому постійні часу нагрівання й охолодження мають різні значення. Співвідношення Т иT1 залежать від типу електродвигуна.
Так , як для закритого електродвигуна з природним охолодженням
для закритого електродвигуна з охолодженням внутрішніх просторів від масного вентилятора 
0.25К 0.35: для закритого електродвигуна з незалежним охолодженням 0.95К 1
Щоб скористатися для розрахунків формулою (4.3). потрібно знати значення А, Т и t
Визначення цих величин розрахунковим методом вимагає великої витрати часу і може дати лише дуже наближені значення. Значно простіше і точніше ці величини можуть бути визначені експериментально. З цією метою за даними досвіду нагрівання будують криву (рис, 4.1) підвищення температури у функції часу 
і визначають стале значення перевищення температури . Для скорочення часу і спрощення експерименту дослід припиняють до того, як температура електродвигуна досягне сталого значення.
Значення знаходять за. допомогою допоміжної побудови.
На осі системи координат, у якій побудована залежність відкладають рівні відрізки 
i 
. З початку і кінця кожного відрізка відновлюють перпендикуляри до перетинання з кривої. Через отримані точки проводять горизонтальні прямі. На. цих прямих уліво від осі координат відкладають відрізки рівні збільшенням температури 
і 
за відповідні проміжки часу i . Через кінці цих відрізків проводять пряму до перетину з віссю ординат, Точка перетинання відповідає шуканій, сталій температурі г .
Справедливість описаного методу визначення 
підтверджується наступними міркуваннями. Перевищення температури електродвигуна над температурою навколишнього середовища по проходженні з початку нагрівання часу t, буде дорівнювати
(4.6)
а після додаткового проміжку часу 
Зміна температури електродвигуна за час , складе
(4.7)
Так з (4.6) 
, то, з огляду на це. рівняння (4.7) перепишеться у виді
(4.8)
Для: однакових значень величина 
буде постійною і рівняння (4.8) буде являти собою рівняння прямої, що проходить через точку .
Так як незалежно від значення К при 
,: 
= 0, тобто вся прямі, побудовані для різних значень будуть проходити через точку 
, а метою побудови є визначення , то при побудові прямої зручно брати К=1, тобто вліво від осі ординат відкладати відрізки 
, незалежно від того, яким обране значення .
Коефіцієнт тепловіддачі може бути обчислений по формулі:
А постійна часу нагрівання визначена за графіком як час, протягом якого температура двигуна збільшується на 0.632 .
Характер нагрівання електродвигуна залежить від режиму його роботи. Розрізняють три основних режими:
- - тривалий;
- - короткочасний;
- - повторно-короткочасний.
Тривалим називається такий режим, при якому робочий період достатній, щоб температура всіх елементів електродвигуна досягла сталого значення.
Короткочасним називаються такий режим, при якому за час робочого періоду температура не встигає досягти сталого значення, а за час паузи температура знижується до температури навколишнього середовища.
У повторно-короткочасному режимі робота двигуна чергується з періодами зупинок. При цьому із період роботи двигун не встигає нагрітися до сталої температури, а період зупинок, охолонути до температури навколишньою середовища. Повторно-короткочасний режим характеризується коефіцієнтом: відносної тривалості робочого періоду.
Де 
- час робочого періоду; 
- час паузи; 
- час циклу.
На рис. 4.1 - 4.3 зображені графіки нагрівання й охолодження електродвигуна для зазначених трьох режимів у припущенні, що час робочого періоду потужність електродвигуна незмінна.
Рис. 4.1
У практиці найбільш розповсюдженими є змінні навантаження. Для спрощення розрахунків зміни температури електродвигуна, що працює зі статичним моментом, що змінюється, графік навантаження апроксимують східчастій ламаний. Підвищення температури обчислюють послідовно на кожній ділянці по рівняннях (4.3) і (4.4).
Межею навантаження електродвигуна є така її величина, при якій температура двигуна досягає максимально припустимого значення.
Рис. 4.2
З визначення, режимів і з рис. 4.1 - 4.3 випливає, що максимальне навантаження, що може сприйняти електродвигун не перегріваючись, залежить від режиму його роботи. Так, для електродвигуна, що працює в короткочасному і повторно-короткочасному режимах, можна допустити більше навантаження, ніж при роботі його в тривалому режимі.
Максимальною постійною потужністю електродвигуна, що працює в тривалому режимі, є його номінальна потужність. Припустиме перевантаження двигуна при роботі в короткочасному і повторно-короткочасному режимах характеризується коефіцієнтом термічного перевантаження.
Де 
- потужність утрат при короткочасному чи повторно-короткочасному режимах роботи; 
- номінальна потужність.
Коефіцієнт механічного перевантаження визначається виразом:
Де 
- припустима механічна потужність електродвигуна в короткочасному режимі і повторно-короткочасному режимі роботи; 
- номінальна потужність електродвигуна.
Рис. 4.3
Коефіцієнт термічного перевантаження визначають з умови рівності максимальних перегрівів для порівнюваних режимів роботи. Так, наприклад, для двигуна, розрахованого для тривалого навантаження, але використовуваного в короткочасному режимі:
Так як 
і 
, то після підстановки значень перегріву в рівняння (4.4) і (4.8) і перетворень, одержимо
Для:повторно-короткочасного режиму з великим числом циклів.
Якщо зневажити постійними втратами електродвигуна і врахувати, що змінні втрати пропорційні квадрату струму, а потужність електродвигуна пропорційна струму в першому степеню, то між коефіцієнтами механічного і теплового перевантажень можна написати наступну приблизну рівність:
З рівнянь (4.9) і (4.10) видно, що при короткочасному режимі допустиме перевантаження без побоювання, що двигун перегрівається, буде більше, чим менше відношення 
.
На рис. 4.4 показане сімейство кривих 
для різних значень , побудованих по рівняннях ( 4.10) . При порівнянні кривих видно, що при ε>0.6 можна допустити дуже незначне теплове перевантаження. Тому приε>0.6 повторно-короткочасний режим роботи двигуна у відношенні нагрівання практично не відрізняється від тривалого.
Таким чином, теплові режими електродвигуна доповнюють характеристику приводу і мають велике значення для вибору потужності електродвигуна.