5.4. Нагревание и охлаждение двигателей
Потери энергии реализуются в виде тепла и вызывают нагревание тех частей двигателя, в которых выделяются, т. е. обмоток, коллектора, магнитопровода. Возрастание температуры этих частей благодаря теплопроводности вызывает передачу тепла остальным частям двигателя - идет процесс нагревания сложного неоднородного тела двигателя.
При превышении температурой двигателя температуры окружающей среды начинается процесс теплоотдачи в окружающую среду, интенсивность которого увеличивается пропорционально разности температур. Процесс нагревания заканчивается при температуре двигателя, когда все тепло, выделяющееся в двигателе, отдается в окружающую среду.
Отключение двигателя от сети прекращает тепловыделение в двигателе и наступает процесс постепенного отвода запасенного тепла в окружающую среду - идет процесс охлаждения двигателя, который прекращается после снижения температуры всех егс частей до температуры окружающей среды.
Анализ процессов нагревания и охлаждения существенно осложняется неоднородностью двигателя, концентрацией тепловыделения в его отдельных частях, и тепловой инерцией процессов нагревания, охлаждения и внутренней теплопередачи. Поэтому в инженерной практике используют упрощенную тепловую модель двигателя как нагреваемого тела, которая основана на ряде допущений. Наиболее существенными из них являются рассмотрение двигателя как однородной массы с бесконечно большой внутренней теплопроводностью; предположение пропорциональности теплоотдачи разности температур двигателя и окружающей среды; неучет изменений тепловыделения вследствие изменений сопротивления обмоток в процессах нагревания и охлаждения. С учетом сказанного уравнение теплового баланса двигателя можно записать так:
где А - коэффициент теплоотдачи, Вт/°С; С - теплоемкость двигателя, Дж/°С, =t°s- t°0 - превышение температуры двигателя над температурой окружающей среды, °С.
Здесь левая часть равенства - количество энергии, выделяющееся в двигателе за время dt; первый член правой части - количество тепла, отдаваемое за то же время в окружающую среду второй член правой части - часть тепла, за то же время поглощенная массой двигателя и увеличившая температуру двигателя на d. Разделив (5.26) на A dt, получим дифференциальное уравнение нагревания двигателя:
где Тн=С/А - постоянная нагревания, с.
В установившемся режиме все тепло, выделяющееся в двигателе, отдается в окружающую среду
Отсюда
Корень характеристического уравнения р1=-1/Тн, решение (5.27) записывается в виде:
Так как при t=0, нач, В=нач-уст:
Зависимость =f(t) представлена на рис.5.6,а. Там же показана кривая t0=f(t), отличающаяся от =f(t) на значение постоянной температуры окружающей среды: t°=+t0ос. Общее время переходного процесса нагревания двигателя составляет (3-4)TН. Значения Тн изменяются в широких пределах: для двигателей небольшой мощности Тн составляет десятки минут, для мощных двигателей возрастает до нескольких часов.
При отключении двигателя от сети в процессе охлаждения двигателя его превышение температуры изменяется по закону:
Длительность процессов охлаждения составляет (3-4)TОХЛ, причем существенно зависит от условий охлаждения двигателя. Если двигатель имеет самовентиляцию, т. е. охлаждается вентилятором, установленным на его валу, то при отключении скорости двигателя и вентилятора становятся равными нулю, движение охлаждающего воздуха снижается до уровня, определяемого естественной вентиляцией. При этом Аохл< Ан, Тохл> Тн, время охлаждения существенно возрастает. Процессы нагревания и охлаждения такого двигателя представлены на рис.5.6,б. Для двигателей с независимой вентиляцией, осуществляемой дополнительным двигателем, постоянно вращающим вентилятор, Аохл=Ан, Тохл=Тн. При этом продолжительность процессов нагревания и охлаждения двигателя одинакова.
Рассмотренные процессы соответствуют РМ.гp=const, т. е. продолжительной работе двигателя с постоянной нагрузкой на валу и с постоянной скоростью. Это частный случай, характерный для значительной группы электроприводов конкретных производственных механизмов Для шипокого класса электроприводов характерна работа с переменной нагрузкой на валу, с частыми пусками и торможениями двигателя. Для таких механизмов тепловые процессы в двигателе протекают при изменяющемся во времени тепловыделении. Для расчета процессов нагревания и охлаждения при этих условиях необходимо определение закона изменения во времени потерь энергии, выделяющихся в двигателе, следовательно, решение уравнения (5.27) должно производиться при переменной правой части PДВ.ГР=f(t). Определение этой зависимости производится на основе так называемых нагрузочных диаграмм электропривода.
Рис.5.6 Тепловые переходные процессы