15. Нагрев и охлаждение электродвигателей.

(4.1)

Решающую роль в определении мощности электродвигателя играет нагрев его обмоток. Нагрев обусловлен различными потерями мощности в двигателе (потери в обмотках статора и ротора, на гистерезис и вихревые токи, трение в подшипниках и т.п.), которые учитываются коэффициентом полезного действия:

где P - суммарные потери мощности в электродвигателе, выделяемой в виде теплоты; P_н - номинальная мощность электродвигателя; _н - номинальный КПД электродвигателя.

Вследствие непрерывного выделения тепла при работе двигателя его температура постепенно повышается. Повышение температуры продолжается до тех пор, пока количество теплоты, отдаваемое поверхностью двигателя, не станет равным количеству теплоты, выделяемому электродвигателем. Наибольшая допустимая температура нагрева двигателя ограничивается термической стойкостью его изоляции, которая является самым ответственным элементом машины, определяющим срок службы электродвигателя с максимальным использованием его мощности.

Для двигателей нормируется как предельно допустимая температура обмотки t _П.Д и других частей машины, так и предельно допустимое превышение температура обмотки _П.Д над температурой окружающей среды. Величина _П.Д определяется разностью между предельно допустимой температурой изоляции двигателя и стандартной температурой окружающей среды t_СТ, которая равна 40^С: . (4.2)

Согласно ГОСТ 183-66 изоляционные материалы, применяемые в электромашинах и аппаратах, делятся по нагревостойкости на классы (табл.4.1).

Наибольшее количество двигателей общего назначения изготовляется с изоляцией классов B и F. Изоляция обмотки класса B принята в двигателях до 5-го габарита включительно, класса F в двигателях 6 и 7 - го габаритов. Электродвигатели сельскохозяйственного назначения изготовляются с изоляцией класса F.

Уравнение нагрева и охлаждения электродвигателя находится из теплового баланса двигателя при неизменной нагрузке:

Qdt = Cd + Adt, (4.3)

где Q – количество теплоты, выделяемое двигателем в единицу времени dt; А - теплоотдача двигателя - количество теплоты, отдаваемое двигателем в окружающую среду в единицу времени dt при разности температур 1^С;  – превышение температуры двигателя над температурой окружающей среды; С – теплоемкость двигателя - количество теплоты, необходимое для повышения температуры двигателя на 1^С; t – время нагрева.

Уравнение теплового баланса показывает, что количество теплоты Qdt, выделяемое двигателем за время dt, равно сумме количества теплоты Cd, израсходованной на повышение температуры тела двигателя, и количества теплоты Adt, рассеиваемой поверхностью двигателя в окружающую среду.

Решив дифференциальное уравнение (4.3) относительно τ при начальных условиях t=0,  =₀, получим уравнение нагрева двигателя: , (4.4)

где _у; ₀ - соответственно конечное (установившееся) и начальное значения превышения температуры двигателя над температурой окружающей среды; Т_н – постоянная времени нагрева двигателя - время, в течение которого превышение температуры от  =0 достигло бы установившегося значения _у при Q=const и отсутствии теплоотдачи в окружающую среду, T_н=С/А.

При ₀=0 уравнение (4.4) примет следующий вид:

(4.5)

Анализ уравнений (4.4) и (4.5) показывает, что двигатель нагревается до τ_у за бесконечно большой промежуток времени. Однако на практике его нагрев считается законченным, когда температура достигает (0,95…0,98)τ_у, чему соответствует время работы (4…5) Т_н.

Согласно уравнениям (4.4) и (4.5) на рис. 4.1 построены кривые нагрева двигателя для двух начальных условий, но при одинаковых нагрузках: 1) при τ₀ =0 – это кривая 1, описываемая уравнением (4.4), и 2) τ₀ >0 – кривая 2, описываемая уравнением (4.5). Здесь же представлена кривая 3, которая построена при τ₀ =0 и соответствует уравнению (4.5), получена она при меньшей нагрузки двигателя, чем для кривых 1 и 2.

Если предположить, что процесс нагрева двигателя происходит без отдачи теплоты в окружающую среду, превышение температуры его изменяется по линейному закону (тонкие прямые линии на рис.4.1). Отсюда следует, что постоянная времени нагрева двигателя равна отрезку, заключенному между перпендикуляром к оси абсцисс, проведенной через точку касания касательной к экспоненциальной кривой =f(t) и точку пересечения касательной с асимптотой (ось ординат на рис.4.1).

Отключенный нагретый двигатель охлаждается до тех пор, пока его температура не достигнет температуры окружающей среды.

Рис.4.1 .Кривые нагрева двигателя

Уравнение охлаждения электродвигателя можно получить из выражения (4.3), если принять Q=0 и решить данное дифференциальное уравнение при начальных условиях t=0, τ=τ₀:

, (4.6)

где Т₀ - постоянная времени охлаждения двигателя.

Рис.4.2. Кривые охлаждения двигателя

Кривые, отображающие процесс охлаждения двигателя, представлены на рис.4.2. Кривая 1 соответствует уменьшению температуры нагрева двигателя с до при снижении нагрузки на двигатель, кривые 2 и 3 – соответствуют отключению его от сети и охлаждению при начальных температурных условиях и .

При отключении самовентилируемого двигателя и его остановке постоянная времени охлаждения Т₀ значительно больше, чем постоянная времени нагрева Т_н. Это объясняется тем, что при остановке самовентилируемого двигателя уменьшается его теплоотдача.

16. Режимы работы электроприводов (S1,S2, S3).

При выборе мощности и типа двигателя, а также аппаратуры управления важную роль играет режим работы двигателя, который обуславливается характером нагрузки, создаваемой рабочей машиной.

Нагрузочная диаграмма электропривода представляет собой зависимость нагрузки электропривода от времени.

ГОСТом предусматривается восемь номинальных режимов работы электрических машин с условными обозначениями от S1 до S8.

Номинальным режимом работы электрической машины называют режим работы, для которого рабочая машина предназначается предприятием-изготовителем и который указан на щитке машины.

Основными номинальными режимами работы электродвигателей являются: продолжительный S1, кратковременный S2, повторно-кратковременный S3.

Продолжительным номинальным режимом работы (S1) называется режим работы двигателя при неизменной нагрузке, продолжающийся столько времени, что превышение температуры всех частей двигателя достигает установившихся значений (рис.4.3а, где Р, Р,  ⁰С – соответственно мощность на валу двигателя, мощность потерь и температура превышения).

Температуру считают установившейся, если в течение часа работы двигателя она увеличивается не более чем на 1⁰. Такое состояние в электродвигателе наступает при работе с постоянной нагрузкой в течение времени 4Т_н. Продолжительная работа характерна для большинства сельскохозяйственных машин: насосов, вентиляторов, молотилок, зерноочистительныех машин, большинства станков в ремонтных мастерских и т.д.

Кратковременным номинальным режимом работы (S2) называется режим работы двигателя, при котором рабочие периоды с неизменной номинальной нагрузкой чередуются с периодами отключения машины; при этом периоды нагрузки (рабочие периоды) недлительны и превышение температуры не достигает установившегося значения, а периоды паузы позволяют двигателю охладиться до температуры окружающей среды (рис.4.3б).

Промышленность выпускает электродвигатели со стандартной продолжительностью рабочего периода 10, 30, 60 и 90 мин. В кратковременном режиме работает электропривод, например, механизма поворота лотков в инкубаторе, транспортеров по уборке навоза, раздаче кормов, подъема щитов плотин в системах полива и др.

Рис.4.3. Графики, характеризующие основные номинальные режимы работы электродвигателей: а - продолжительный S1; б – кратковременный S2; в - повторно-кратковременный S3

Повторно-кратковременным режимом работы (S3) называется режим работы двигателя, при котором периоды неизменной номинальной нагрузки t_р (рабочие периоды) чередуются с периодами отключения машины t_п (паузами), причем как рабочие периоды, так и паузы не настолько длительны, чтобы превышение температуры могло достигнуть установившихся значений как при нагреве, так и при охлаждении (рис.4.3в).

Повторно-кратковременный режим характеризуется длительностью цикла, коэффициентом относительной продолжительности рабочего периода (4.7)

и относительной продолжительностью включения (ПВ):

(4.8)

Длительность одного рабочего цикла t_ц=t_р+t_п, (4.9)

где t_ц, t_р, t_п – соответственно продолжительность цикла, рабочего периода и паузы.

ГОСТом установлено, что для данного режима работы продолжительность цикла не превышает 10 мин и относительная продолжительность включения ПВ=15, 25, 40 и 60%. Примером электропривода с повторно-кратковременным режимом работы является электропривод подъемно-транспортных механизмов.