2.6. Зависимость постоянной времени нагревания от мощности и исполнения двигателя и способы его охлаждения

Теплоемкость машины зависит от ее объема, а теплоотдача - от площади поверхности. Следовательно, с ростом мощности и габарита машины значение также растет. При одной и той же мощности теплоемкость двигателя пропорциональна его массе. Поэтому постоянная времени машины закрытого исполнения при прочих равных условиях выше той же постоянной для машины открытого исполнения.

В зависимости от мощности, исполнения и других факторов постоянные времени нагревания изменяются в пределах (15...300) мин.

Рис.8 Изменение температуры нагрева двигателя; а – нагревание, б – охлаждение.

Интенсивность теплоотдачи двигателя зависит от способа отвода тепла. При искусственной вентиляции увеличение коэффициента теплоотдачи можно считать не зависящим от скорости вращения, в то время как при естественной вентиляции по мере снижения скорости снижается также интенсивность теплоотдачи.

Для самовентелируемых машин в качестве номинального коэффициента теплоотдачи применяется значение этого коэффициента при скоростях вращения не ниже номинальной. При вводится относительный коэффициент теплоотдачи .

Если электропривод работает с установившейся скоростью , которая ниже номинальной скорости , то

(2.17)

где - относительный коэффициент теплоотдачи для неподвижного двигателя. Обычно .

В переходных режимах средние значения а вычисляется по формулам:

- при пуске, - при торможении.

(2.18)

Здесь - значения а и скорости вращения в начале и конце переходного процесса соответственно.

Из изложенного следует, что постоянная времени нагревания самовентелируемых машин увеличивается при снижении скорости вращения вала двигателя.

2.7. Номинальные тепловые режимы работы Электродвигателей

Режимы работы электрических машин в условиях эксплуатации весьма разнообразны. При этом двигатели нагреваются неодинаково. Для систематизации процессов нагревания установлены восемь номинальных тепловых режимов, которые имеют условные обозначения S1... S8.

Номинальным режимом S1 называется режим продолжительной работы (продолжительный номинальный режим), когда время работы с неизменной нагрузкой и неизменной скоростью достаточно для достижения теплового равновесия. В этом случае превышения температуры всех частей электрической машины достигают установившегося значения. Соответствующие этому режиму диаграммы изменения мощности тепловых потерь и температуры перегрева показаны на рис. 9

Рис.9. Зависимости мощности потерь и температуры перегрева от

времени для режима S1

Допускаются кратковременные перерывы в работе двигателей. В этом случае продолжительность рабочего периода должна быть достаточно большой, чтобы температура перегрева достигла установившегося значения. Так как температура перегрева изменяется по экспоненциальному закону, необходимым условием отнесения режима работы двигателя к режиму S1 является выполнение неравенства . При циклическом характере работы условием отнесения режима работы двигателя к режиму S1 является выполнение неравенства , где - длительность цикла.

Режимом кратковременной нагрузки (кратковременным номинальным тепловым режимом) S2 электрической машины называется режим, в котором период работы с неизменными нагрузкой и скоростью чередуется с периодом отключения машины. При этом периоды нагруженного (рабочего) состояния не настолько длительны, чтобы превышения температуры нагревания могли достигнуть установившихся значений, а периоды отключения настолько длительны, что машина охлаждается до температуры окружающей среды (рис.10). Математически условия отнесения режима работы двигателя к режиму S2 можно записать следующим образом:

(2.19)

Здесь - постоянная времени нагревания при .

Рис.10 Зависимость и для режима S2

S3 - повторно-кратковременный режим. Он представляет собой последовательность идентичных рабочих циклов, каждый из которых состоит из периодов работы при постоянной нагрузке с неизменной скоростью и отключенного неподвижного состояния. Длительность цикла недостаточна для достижения теплового равновесия за время одного рабочего цикла. Тепловой баланс достигается по истечении достаточного количества циклов, когда возникает установившийся режим колебания температуры прегрева между максимальным и минимальным значениями (рис. 11) Рабочий период не настолько длителен, чтобы температура перегрева могла достигнуть установившегося значения, соответствующего мощности выделяемых потерь: . Длительность паузы в работе двигателя также недостаточна для полного его остывания: . При рассмотрении режима S3 полагают, что потери при пуске и торможении двигателя существенно не влияют на нагрев.

Рис.11. Изменение потерь и температуры перегрева в режиме S3

Режим S3 характеризуется относительной продолжительностью включения

(2.20)

Если нет других указаний, продолжительность одного цикла принимается равной 10 мин.

Режимы S1-S3 являются в настоящее время основными при изготовлении электрических двигателей.

Номинальные режимы S4...S8 введены для того, чтобы упростить задачу эквивалептированию произвольного режима номинальным.

Режим S4 отличается от режима S3 тем, что учитываются потери при пуске двигателя (рис.12). В режиме S5 дополнительно учитываются потери при торможении (рис.13).

Рис 12 .Изменение потерь энергии в режиме S4

Для режимов работы S4 и S5 вводятся следующие показатели:- относительная продолжительность включения , число включений в час z, коэффициент инерции .

Под коэффициентом инерции понимается отношение

(2.21)

где - момент инерции двигателя, - приведенный к валу двигателя момент инерции рабочего механизма.

Для режимов S4 и S5 определяются следующие показатели:

Рис 7. Изменение потерь энергии в режиме S5

Перемещающийся номинальный режим S6 представляет собой режим продолжительной работы с неизменной скоростью при переменной нагрузке. Он состоит из последовательности идентичных циклов, каждый из которых включает период работы при постоянной (номинальной) нагрузке и период работы на холостом ходу (рис. Длительности этих периодов недостаточны для достижения теплового баланса в течение одного цикла. Кроме того, выполняются условия:

(2.22)

Отличается от режима S3 тем, что во время паузы двигатель не отключается от источника питания. Показатели режима S6 аналогичны соответствующим показателям режимов S4, S5

Рис.14. Изменение потерь энергии в режиме S6

Рис.15. Изменение потерь энергии в режиме S7

Перемежающийся номинальный режим S7 - режим продолжительной работы, состоящий из последовательности идентичных циклов, каждый из которых состоит из периодов пуска, работы при неизменных нагрузке и скорости и электрического торможения (рис.15). Длительность цикла недостаточна для достижения теплового равновесия. Показателем режима является продолжительность включения и коэффициент инерции. Режим S8 - режим работы при периодическом изменении скорости вращения и нагрузки. Он состоит из последовательности идентичных циклов (рис.16).

Каждый из циклов состоит из периодов разгонов и торможений, работы при различных нагрузках и различных скоростях. Продолжительности работы с неизменными нагрузками недостаточны для установления теплового равновесия. Для режима S8 определяются число включений в час и коэффициент инерции.

Электрическая промышленность изготавливает электрические двигатели для трех номинальных тепловых режимов: SI, S2, S3. Основная доля выпускаемых машин соответствует режиму S1. Меньше всего изготавливаются двигателей режима S2. Машины большой мощности (Р_н > 500кВт) обычно создаются для эксплуатации в режиме S1.

Двигатели режима S1 можно использовать во всех случаях. При этом наивысшая энергетическая эффективность обеспечивается лишь в режиме S1. Наихудшим для двигателя режима S1 с точки зрения энергетической эффективности является режим S2.

Для двигателей режима S2 в каталожных данных приводится нормированное (стандартное) значение продолжительности t_pa6 кратковременной работы:

. Задание означает, что с указанной в каталоге номинальной мощностью двигатель может работать с продолжительностью, не превышающей . По истечении этого времени двигатель необходимо отключить. Двигатели режима S2 можно использовать только в этом режиме.

Двигатели режима S3 характеризуются нормированными (стандартными) значениями продолжительности включения: . Машины данного режима можно использовать в режимах S3 и S2.

Рис.16. Изменение скорости вращения и мощности потерь в режиме S8

2. Оценка работоспособности двигателей

по условиям нагревания

3.1. Принцип эквивалентирования потерь

в электродвигателе

Необходимость эквивалентирования потерь возникает в тех случаях, когда реальный характер изменения нагрузки и скорости двигателя не соответствуют поминальному тепловому режиму, на который рассчитан двигатель.

Прямым и основным условием эквивалентированием двух режимов работы является равенство максимальных температур перегрева двигателя в обоих случаях. Непосредственное вычисление температур перегрева обычно невозможно, как правило, значения теплопередачи и теплоемкости машин неизвестны. В этой связи применяются косвенные методы эквивалентирования, среди которых наибольшее распространение получили методы эквивалентных потерь, тока и момента. Основой для разработки методов эквивалентных величин является формула, позволяющая теоретически оценить максимальную температуру перегрева двигателя.