Нагрев и охлаждение электродвигателей
Потери энергии в двигателе вызывают нагрев его отдельных частей: обмоток, магнитопроводов, подшипников. От них тепло передается к корпусу двигателя, подшипниковым щитам и др. Нагревается и изоляция обмоток: проводниковая, пазовая, междуфазовая и т. д. Срок службы изоляции определяется температурой обмоток и нагревостойкостью изоляции. По нагревостойкости изоляцию подразделяют на классы. Если температура изоляции не превышает допустимой для класса изоляции, то это условие обеспечивает при соблюдении определенных условий срок службы изоляции около 15...20 лет. Если же температура изоляции превышает допустимую для класса температуру на 8 ОС, то в соответствии с правилом Монтзингера срок службы изоляции снижается в два раза.
Предельно допустимая температура для классов изоляции равна:
класс А - 105 ОС,
класс Е - 120 ОС,
класс В - 130 ОС,
класс F - 155 ОС,
класс Н - 180 ОС,
класс С > 180 ОС.
Изоляцию классов А и Е в настоящее время в электродвигателях уже не применяют. Основная масса эксплуатируемых электрических машин имеет изоляцию классов В и F. Изоляцию класса Н имеют тяговые электрические машины, двигатели грузоподъёмных механизмов, в том числе применяемых в металлургической промышленности.
Номинальная мощность двигателей устанавливается из условия достижения максимально допустимого превышения температуры обмотки над температурой окружающей среды. Например, для класса В (130 ОС) с учетом максимальной температуры воздуха равной 40 ОС допустимое превышение равно
τ = 130 - 40 = 90 ОС.
Но в случае снижения температуры окружающей среды допустимое превышение не изменяется, так как в электрических машинах с традиционным охлаждением при превышении номинальной нагрузки резко увеличивается неравномерность нагрева изоляции и снижается срок службы изоляции в отдельных местах электрической машины, что приводит к тому же результату, то есть пробою изоляции и выходу машины из строя.
Уравнение теплового баланса для электродвигателя имеет вид
Qdt = Aτdt + Cdτ,
где Q - количество теплоты или мощность потерь в двигателе в единицу времени, Дж/с;
А - теплоотдача двигателя - количество теплоты, отдаваемой двигателем в охлаждающую среду в единицу времени при разности температур в 1 ОС, Дж/с ОС;
τ - превышение температуры двигателя над температурой охлаждающей среды;
С - теплоемкость двигателя - количество теплоты необходимое для повышения температуры двигателя на 1 ОС, Дж/ ОС.
Решение этого уравнения относительно превышения температуры
τ = τУ(1 - е-t/T) + τOe-t/T,
где τУ - установившееся превышение температуры обмотки;
Т - постоянная времени нагрева, Т = С/А;
τО - начальное превышение температуры обмоток двигателя над температурой охлаждающей среды.
Установившееся значение превышения температуры двигателя зависит от мощности Р2 на его валу. На рис 8.4 приведены кривые нагревания электродвигателя при различных значениях мощности Р2.
При t = T τ = 0,632(τУ - τО).
У серийных двигателей Т изменяется от 1 до 3...4 часов. При отключении двигателя с самовентиляцией постоянная времени охлаждения увеличивается от 2 до 4 раз.
При отключении электродвигателя Q = 0 и
где υоткл - превышение температуры в момент отключения, т. е. превышение температуры двигателя уменьшается по экспоненциальному закону.
Повлиять на уравнение теплового баланса и на реальное τ можно двумя путями. Первый из них это повлиять на теплоотдачу А. Этого добиваются улучшением охлаждения двигателя, усилением вентиляции, улучшением теплопроводности от наиболее нагретых частей двигателя к частям, эффективно отдающим тепло охлаждающей среде. Одним из наиболее эффективных методов усиления теплоотдачи является применение испарительного охлаждения обмоток и магнитопроводов. Проведенными исследованиями была доказана возможность удвоения габаритной мощности электродвигателя без существенного снижения её КПД. Рост теплоотдачи двигателя приводит к уменьшению постоянной времени нагрева, но и уменьшению величины установившегося превышения.
Вторым путем является заметное увеличение теплоемкости двигателя. Наиболее эффективным решением на этом пути является использование фазового перехода веществ из твердого в расплавленное состояние. Существенный рост теплоемкости двигателя приводит к росту постоянной времени нагрева, а реально достижимое превышение температуры обмоток в эксплуатационных условиях снижается.
РЕЖИМЫ РАБОТЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ
Различные условия работы производственных механизмов обуславливают различные режимы работы электроприводов, которые классифицируются на 8 режимов с условными обозначениями от S1 до S8.
S1 Продолжительный номинальный режим.
Это режим электрической машины при неизменной нагрузке, продолжающийся столько времени, что превышения температуры всех её частей достигает установившихся значений.
График продолжительного режима работы при а) постоянной и б) изменяющейся нагрузках.
а) б)
S2 Кратковременный номинальный режим.
При этом режиме периоды неизменной номинальной нагрузки чередуются с периодами отключения машины. Причем за период нагрузки температура машины не достигает установившихся значений, а за период остановки все её части охлаждаются до температуры окружающей среды.
Рекомендуемые продолжительности рабочего периода равны 10, 30, 60 и 90 минут.
S3 Повторно-кратковременный номинальный режим.
В этом режиме периоды номинальной нагрузки (рабочие периоды) чередуются с периодами отключения машины (паузами), причем ни в рабочие периоды, ни за время паузы превышения температур не достигают установившихся значений.
Принято стандартное время продолжительности цикла tЦ = tР + tО равное 10 минутам и относительная продолжительность включения в процентах, обозначаемая ПВ = 15, 25, 40 и 60 %.
ПВ =
100%
В режиме S3 пусковые потери практически не оказывают влияния на превышение температуры частей машины.
S4 Повторно-кратковременный номинальный режим работы с частыми пусками.
В этом режиме в отличие от режима S3 пусковые потери оказывают существенное влияние на превышение температуры частей машины. Этот режим характеризуется тремя параметрами - продолжительностью включения, числом пусков в час и коэффициентом инерции привода, причем
ПВ =
100 %.
Нормированные значения ПВ: 15, 25, 40, 60 %.
Число пусков в час нормируется 30, 60, 120 и 240.
Коэффициент инерции - это отношение суммарного приведенного к валу двигателя момента инерции привода к моменту инерции якоря (ротора) двигателя.
FI = J∑/JР
Нормированные значения коэффициента инерции: 1,2; 1,6; 2.5; 4; 6,3; 10.
S5 Повторно-кратковременный номинальный режим работы с частыми пусками и электрическим торможением.
В этом режиме периоды пуска, кратковременной неизменной номинальной нагрузки и электрического торможения чередуются с периодами отключения машины, причем как рабочие периоды, так и паузы не настолько длительны, чтобы превышения температуры частей машины могли достигнуть установившихся значений. В этом режиме потери пусковые и при электрическом торможении оказывают существенное влияние на превышение температуры частей машины. Этот режим характеризуется относительной продолжительностью включения, числом пусков в час и коэффициентом инерции привода.
Относительная продолжительность включения
ПВ =
100 %.
Нормированные значения ПВ и числа пусков в час такие же, как и в режиме S4. А из нормированных значений коэффициента инерции исключены значения FI = 6,3 и 10, но включено дополнительное значение FI = 2.
S6 Перемежающийся номинальный режим.
В этом режиме периоды номинальной нагрузки чередуются с периодами холостого хода, при которых двигатель не отключается от сети.
Продолжительность цикла не превышает 10 минут, поэтому превышения температуры частей машины не достигают установившихся значений.
Относительная продолжительность нагрузки:
ПН =
100 %,
где tхх - время холостого хода.
Нормированные значения ПН = 15, 25, 40 и 60 %.
S7 Перемежающийся номинальный режим с частыми реверсами.
В этом режиме периоды реверса чередуются с периодами неизменной номинальной нагрузки.
ПН или ПВ для этого режима отсутствуют.
Данный режим характеризуется числом реверсов в час 30, 60, 120 и 240. А также коэффициентом инерции как для S5.
S8 Перемежающийся номинальный режим с двумя или более угловыми скоростями.
В этом режиме периоды с одной нагрузкой на одной угловой скорости чередуются с периодами работы на другой угловой скорости при соответствующей этой угловой скорости нагрузке. Периоды нагрузки на каждой из угловых скоростей не настолько длительны, чтобы превышения температуры частей машины могли достигнуть установившихся значений. В этом режиме потери при переходе с одной угловой скорости на другую оказывают существенное влияние на превышения температуры частей машины.
Данный режим с двумя или более угловыми скоростями характеризуется числом циклов в час, коэффициентом инерции и относительной продолжительностью нагрузки на отдельных ступенях, определяемой по формулам:
ПН1
=
100 %;
ПН2
=
100 %;
ПН3
=
100 %,
где tP1, tP2, tP3 - время работы на каждой угловой скорости;
tT1, tT2 - время электрического торможения;
tП - время пуска.
Нормированные значения числа циклов в час: 30, 60, 120 и 240.
Нормированные значения коэффициента инерции: 1,2; 1,6; 2; 2.5; 4.