Open Library - открытая библиотека учебной информации

Открытая библиотека для школьников и студентов. Лекции, конспекты и учебные материалы по всем научным направлениям.

Категории

Электротехника Нагревание и охлаждение электрических машин
просмотров - 171

Конструктивные формы исполнения электрических машин

Все виды потерь, происходящие в электрической машинœе, преобразуются в теплоту, которая частично идет на нагревание машины, а частично отдается в окружающую среду. Условно принято считать, что нагрев происходит равномерно по всœему объему ма­шины, а рассеивание теплоты происходит также рав­номерно со всœей ее поверхности. В этих условиях уравнение теплового баланса имеет вид

q dt = тс dτ + Sλτ dt, (18. 1)

где q — количество теплоты, выделяемое в машинœе в единицу времени (Дж/с):

q = ∑Р

∑Р - суммарные потери мощности в двигателœе, Вт; тс dτ — количество теплоты, расходуемое на нагре­вание машины; m— масса нагреваемой машины; с— удельная теплоемкость материала машины, ᴛ.ᴇ. количество теплоты, крайне важное для нагревания 1 кг этого материала на 1°С; τ— превышение темпе­ратуры нагрева машины над температурой окру­жающей среды; Sλτ— количество теплоты, рассеи­ваемое с поверхности двигателя в окружающее пространство в единицу времени; λ — коэффициент теплового рассеяния, ᴛ.ᴇ. количество теплоты, рассеиваемое с единицы поверхности машины в 1 с при превышении температуры на 1°С.

В начальный период работы машина имеет тем­пературу нагрева, не отличающуюся от температуры окружающей среды Θ1ᴛ.ᴇ. τ = 0. В этом случае рассеяния теплоты в окружающую среду не происхо­дит, ᴛ.ᴇ. Sλτ dt = 0 и вся выделяемая в двигателœе теп­лота идет на его нагревание. Затем, когда температура нагрева двигателя начинает превышать температуру окружающей среды, ᴛ.ᴇ. τ > 0, часть теплоты, выделяемой в двигателœе, начинает рассеиваться в окружающую среду. И, наконец, когда температура нагрева машины достигает установившегося значения Θуст = const,вся выделяемая в машинœе теплота рассеивается в окружающую среду, ᴛ.ᴇ. наступает режим теплового равновесия:

q dt = Sλτуст dt (18.2)

где

τуст = Θуст – Θ1 (18.3)

Из (18.2)следует, что

τycm = q/ (Sλ) (18.4)

Выражение (18.4) позволяет сделать вывод:

а) установившаяся температура перегрева не зависит от мас­сы машины m, а определяется количеством теплоты q, выделяемой в ней в единицу времени, ᴛ.ᴇ. мощностью потерь электрической машины АР;

б) установившаяся температура перегрева обратно пропор­циональна площади охлаждаемой поверхности Sи коэффициенту теплового рассеяния λ, ᴛ.ᴇ. зависит от интенсивности охлаждения машины; в машинах со специальными способами охлаждения (ис­кусственно вентилируемых) τуст меньше чем у машин с естествен­ной вентиляцией (при их одинаковой конструкции и условиях ра­боты).

В случае если машина включается в сеть, когда ее температура равна температуре окружающей среды Θ1, то зависимость температуры перегрева этой машины τот времени t выражается равенством:

τ = τуст (1 – е-t / TH ), (18.5)

где е = 2,718 — основание натуральных логарифмов; ТН — постоянная времени нагревания, показывающая время (с), крайне важное для нагревания машины до установившейся температуры, если бы не было теплового рассеяния с ее поверхности.

График нагревания τ = f (t), построенный по (18.5), представ­ляет собой экспоненциальную кривую, которая показывает, что машина нагревается до установившейся температуры перегрева τуст лишь спустя продолжительное время (рис. 18.1, а). Процесс нагревания сначала идет интенсивно, а затем, по мере приближе­ния к установившейся температуре перегрева, замедляется. Теоретически машина достигает установившейся температуры перегрева за время t = ∞. Проведя касательную к графику нагревания в его начальной части, получим отрезок, который в масштабе времени определяет постоянную времени нагревания. Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, физически величину ТН можно рассматривать как время, в

Рис. 18.1 Графики нагревания (а) и охлаждения (б) электрической машины

те­чение которого превышение температуры достигло бы устано­вившегося значения τуст, если бы график нагревания представлял собой прямую линию. Принято считать, что в реальных условиях температура перегрева достигает установившегося значения за время нагревания t = (4 - 5) ТН.

В случае если машину отключить от сети, прекратив этим ее дальней­шее нагревание, то тепловое рассеяние с ее поверхности будет происходить за счет накопленной в ней теплоты. При этом темпе­ратура перегрева машины будет понижаться до τ = 0, ᴛ.ᴇ. пока температура не станет равной температуре окружающей среды. Этот процесс остывания протекает по графику охлаждения (рис. 18.1, б), построенному по уравнению:

τ = τуст е t / To , (18.6)

где Т0 — постоянная времени охлаждения, с.

Принято считать, что температура перегрева машины достигает практически нулевого значения за время охлаждения t = (4 —5)Т0.

Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, постоянные времени нагревания и охлаждения характеризуют скорость процессов. К примеру, машина на­гревается тем быстрее, чем меньше постоянная времени нагревания.

Итак, в процессе работы электрическая машина нагреваете, при этом для разных ее частей установлены предельно допусти­мые температуры перегрева.

Наиболее чувствительна к перегреву электрическая изоляция обмоток. Под действием температур, превышающих допустимые значения, ускоряется процесс теплового старения изоляции, ухуд­шающий ее изоляционные и механические свойства. Электроизо­ляционные материалы, применяемые в электротехнических изде­лиях, разделяются на пять классов нагревостойкости, обозначаемых А, Е, В, F и Н. В электрических машинах применяют изоляцию трех наиболее нагревостойких классов: В, F и Н. В процессе работы машины изоляция обмоток нагревается неравномерно, при этом измерение температуры нагрева в наиболее горячих точках технически невозможно. По этой причине, согласно действующему стандарту, предельные температуры нагревания изоляции обмоток принимают ниже предельно-допустимых значе­ний соответствующего класса нагревостойкости:

Класс нагревостойкости изоляции В F Н
Предельно-допустимая температура нагрева изоляции, °С
Предельно-допустимая температура нагрева обмоток двигателя,°С
Предельно-допустимые превышения темпера­туры обмоток при Θ1 = 40 °С

Чрезмерный перегрев неблагоприятно влияет и на другие части машины, к примеру, подшипники, контактные кольца и др.

Температура нагрева какой-либо части машины Θ2 при извест­ной температуре ее перегрева τи температуре окружающей среды Θ1 =40 °С:

Θ2 = τуст + Θ1 = τуст + 40. (18.7)

Для машин, работающих в условиях повышенных температур окружающей среды, к примеру, в условиях металлургического производства, температуру Θ1, принимают более 40 °С.

Режимы работы электрических машин.В соответствии с действующим стандартом, существуют три базовых номиналь­ных режима работы электрических машин, различающиеся ха­рактером изменения нагрузки.

1.Продолжительный номинальный режимкогда при неиз­менной номинальной нагрузке Рнработа машины продолжается так долго, что температура перегрева всœех ее частей успевает дос­тигнуть установившихся значений τуст. Условное обозначение ре­жима S1. Различают продолжительный режим с неизменной нагрузкой P = const(рис. 18.2, а)и продолжительный режим с изменяющейся нагрузкой (рис. 18.2, б). К примеру, двигатели насосов, транспортеров, вентиляторов работают в продолжительном режиме с неизменной нагрузкой, а двигатели прокатных станов, металлорежущих станков и т. п. работают в продолжительном ре­жиме с изменяющейся нагрузкой.

2.Кратковременный номинальный режимS2 — когда периоды неизменной номинальной нагрузки чередуются с периодами включения двигателя (рис. 18.2, в). При этом, периоды нагрузки

Рис. 18.2. Номинальные режимы работы электрических машин:

а—с неизменной нагрузкой, б— с изменяющейся нагрузкой, в — кратковременный номинальный режим, г — повторно-кратковременный номи­нальный режим

двигателя tн настолько кратковременны, что температуры перегре­ва всœех частей двигателя не достигает установившихся значений, а периоды отключения двигателя настолько продолжительны, что всœе части двигателя успевают охладиться до температуры окру­жающей среды. Стандартом установлена продолжительность периодов нагрузки 10; 30; 60 и 90 мин. В условном обозначении кратковре­менного режима указывается продолжительность периода нагруз­ки, к примеру S2 — 30 мин. В кратковременном режиме работают приводные двигатели шлюзов, разного рода заслонок и других запорных устройств, регулирующих подачу рабочего вещества (нефть, газ и др.) через трубопроводы к объекту потребления.

3) Повторно-кратковременный номинальный режим S3 - когда кратковременные периоды номинальной нагрузки двигателя tн чередуются с периодами отключения двигателя (паузами), при­чем за период нагрузки превышение температуры всœех частей не успевает достигнуть установившихся значений, а за время паузы части двигателя не успевают охладиться до температуры окру­жающей среды. Общее время работы двигателя в повторно-кратковременном режиме разделяется на периодически повто­ряющиеся циклы продолжительностью tц = tн + tп.

При повторно-кратковременном режиме график нагревания двигателя имеет вид пилообразной кривой (рис. 18.2, г). При дос­тижении двигателœем установившегося значения температуры пе­регрева, соответствующего повторно - кратковременному режиму τуст.к температура перегрева двигателя продолжает колебаться on τmin до τmах. При этом, τуст.к меньше установившейся температуры перегрева, которая наступила бы, если бы режим работы двигателя был продолжительным (τуст.к < τуст). Примерами повторно кратковременного режима являются работа электроприводов лифтов, подъемных кранов, экскаваторов и других устройств, для работы которых характерна цикличность (чередование периодов на грузки с паузами).

Повторно-кратковременный режим характеризуется относительной продолжительностью включения, %,

ПВ = (tн / tц). (5.8)

Действующим стандартом предусмотрены номинальные повторно-кратковременные режимы с ПВ 15, 25, 40 и 60% (для продолжительного режима ПВ = 100%). В условном обозначении повторно-кратковременного режима указывают величину ПВ к примеру, S3 — 40%.

Рассмотренные три номинальных режима считают основными. В каталогах на двигатели, предназначенных для работы в каком либо из этих режимов, указаны номинальные данные, соответствующие режиму работы.

Помимо рассмотренных трех базовых режимов, стандартом предусмотрены еще пять дополнительных режимов.


Читайте также


  • - Нагревание и охлаждение электрических машин

    Конструктивные формы исполнения электрических машин Все виды потерь, происходящие в электрической машине, преобразуются в теплоту, которая частично идет на нагревание машины, а частично отдается в окружающую среду. Условно принято считать, что нагрев происходит... [читать подробенее]