РЕЖИМ РАБОТЫ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ

Так как электродвигатель – главный элемент электропривода, рассмотрим основные режимы его работы.

На валу электродвигателя исполнительным механизмом создается тормозной момент М_т. Чтобы двигатель продолжал устойчивое вращение, он должен развивать вращающий момент М, равный по значению тормозному моменту М_т. Различные механизмы, вращаемые электродвигателем, могут создавать постоянный или изменяющийся во времени тормозной момент, то есть потребляют постоянную или изменяющуюся по значению мощность. Потребляемая исполнительным механизмом мощность Р – это мощность на валу электродвигателя, то есть его полезная мощность. Подводимая к двигателю электрическая мощность Р_с больше мощности Р на значение потерь Р_п в электродвигателе. Эти потери мощности затрачиваются на нагревание обмоток, стали магнитопровода, других частей двигателя.

При постоянной мощности на валу двигателя происходит постоянное выделение теплоты и температура частей двигателя повышается. С ростом температуры увеличивается теплоотдача в окружающую среду. При достижении некоторого значения температуры происходит выравнивание теплоты, выделяющейся в двигателе, и теплоты, отдаваемой в то же время в охлаждающую среду. При этих условиях прекращается повышение температуры, она достигает установившегося значения.

Если принять, что в тепловом отношении электрический двигатель – однородное тело, то можно написать уравнение теплового баланса двигателя:

где Q – количество теплоты, выделяемое в двигателе в единицу времени, Дж/с; С – теплоемкость двигателя – количество теплоты, необходимое для повышения температуры двигателя на 1 °С, Дж/°С; А – теплоотдача двигателя – количество теплоты, отдаваемой двигателем в охлаждающую среду в единицу времени при разности температур в 1 °С, Дж/(с·°С); υ – превышение температуры двигателя над температурой охлаждающей среды, °С; t – время, с.

Разделяя переменные в уравнении теплового баланса, имеем

После интегрирования этого уравнения получим

Обозначим υ₀ превышение температуры двигателя над температурой охлаждающей среды в момент t=0. С учетом этого условия из предыдцщего уравнения получаем

где Т=С/А – постоянная времени.

При нагреве двигателя за время t→∞ превышение температуры двигателя над температурой охлаждающей среды принимает установившееся значение υ_у и из предыдущего уравнения получаем, что

С учетом этого равенства

Из этого выражения видно, что превышение температуры двигателя увеличивается во времени по экспоненциальному закону. За промежуток времени 4Т превышение температуры двигателя достигает значения, которое лишь на 2% меньше установившегося. Поэтому ко времени t=4Т процесс нагрева двигателя можно считать законченным (у маломощных двигателей открытого исполнения постоянная времени Т составляет 20—30 мин).

Чем больше мощность, развиваемая двигателем, тем больше ток в рабочих обмотках, а следовательно, большее количество теплоты выделяется в двигателе и, тем большее значение имеет установившаяся температура. Следовательно, установившаяся температура υ_у зависит от мощности Р на валу двигателя. На рисунке показано, как с изменением мощности (по сравнению с номинальной) меняется значение υ_у.

Изменение во времени превышения температуры двигателя над температурой охлаждающей среды при разных мощностях нагрузки (P_2ном – номинальная мощность на валу двигателя)

 

При отключении двигателя от электрической сети Q=0 и из (15.2) получим

то есть превышение температуры двигателя над температурой охлаждающей среды уменьшается по экспоненциальному закону.

 

Изменение превышения температуры двигателя при его охлаждении

 

Если при включении двигателя его температура была равна температуре окружающей среды, то υ₀=0. Такие условия имеют место тогда, когда двигатель включают под нагрузку после длительной остановки. Если включить двигатель, когда после отключения его температура еще не успела уменьшиться до температуры охлаждающей среды, то υ₀> 0 и изменение υ происходит по другому закону

Изменение превышения температуры двигателя при разных значениях температуры охлаждающей среды

 

Механические устройства, приводимые во вращение двигателем, в процессе работы создают различные тормозные нагрузки на его валу, начиная от режима холостого хода, когда Р=0, и кончая номинальным режимом, когда Р=Р_ном, или даже режимом перегрузки, когда Р>Р_ном Поэтому кривые, соответствующие изменению мощности во времени, называемые графиками нагрузки двигателя, могут быть самыми различными. Все разнообразие графиков нагрузки можно объединить в три группы, которые определяют три основных режима работы двигателя: продолжительный, кратковременный и повторно-кратковременный.

Продолжительным режимом работы называется такой режим, когда двигатель работает с неизменной нагрузкой такое длительное время, что превышение температуры υ двигателя достигает значения υ_у. Вид графиков нагрузки продолжительного режима приведен на рисунке.

Графики нагрузки продолжительного режима работы двигателей: а) – при постоянной нагрузке; б) – при изменяющейся нагрузке

 

В этом режиме с постоянной нагрузкой работают электродвигатели, приводящие во вращение насосы, вентиляторы, компрессоры, воздуходувные установки, бумагоделательные машины и т. д.

При кратковременном режиме двигатель вначале работает короткий промежуток времени, за который не успевает нагреться до установившейся температуры, затем следует длительный период, когда двигатель не работает и охлаждается до температуры окружающей среды. Кратковременный режим работы характерен для двигателей редко работающих механизмов, таких, как затворы шлюзов, подъемные механизмы разводных мостов, механизмы убирающихся шасси самолетов и т. д. Вид графиков нагрузки двигателя кратковременного режима приведен на рисунке.

Графики нагрузки кратковременного режима

 

Повторно-кратковременным режимом работы двигателя называется такой режим, при котором периоды работы под нагрузкой чередуются с периодами отключения машины, причем как рабочие периоды, так и паузы не настолько длительны, чтобы превышение температуры могло достигнуть установившегося значения.

В повторно-кратковременном режиме работает большая группа электродвигателей, приводящих в движение подъемно-транспортные механизмы, прессы, штамповочные машины, металлообрабатывающие станки. Пример графика нагрузки повторно-кратковременного режима приведен на рисунке.

График нагрузки повторно-кратковременного режима

 

Показанное на этом же рисунке изменение превышения температуры υ двигателя представляет собой линию, состоящую из чередующихся отрезков нагрева в периоды работы двигателя под нагрузкой и охлаждения в периоды пауз. В каждый следующий период работы двигателя температура его увеличивается, но не достигает установившегося значения.

Время цикла t_ц повторно-кратковременного режима складывается из промежутка времени t_р работы двигателя и промежутка паузы t₀.Режим считается повторно-кратковременным, если время цикла t_ц≤10 мин. Если время цикла больше, то режим считается продолжительным. Условия работы двигателя в повторно-кратковременном режиме зависят от соотношения времени работы двигателя и времени паузы. Для графика нагрузки этого режима введено понятие продолжительности включения (ПВ), под которой понимается отношение времени работы двигателя ко времени цикла (%):

Стандартные значения ПВ составляют 15, 25, 40 и 60%.