6.2. Потери энергии в электродвигателях постоянного и переменного тока

Потери в двигателе складываются из переменных, зависящих от нагрузки, и постоянных потерь, не зависящих от нагрузки.

Для электропривода постоянного тока суммарные потери мощности равны:

,

(6.1)

где - постоянные потери,

- соответственно потери на возбуждение, потери в стали и механические;

потери в силовой (якорной) цепи двигателя.

Аналогично для асинхронного двигателя

.

(6.2)

Переменные потери могут быть выражены также через электромагнитный момент и относительную скорость (или скольжение), а именно:

1) для двигателя постоянного тока независимого возбуждения

,

(6.3)

где - электромагнитная мощность;

- соответственно перепад угловой скорости, обусловленный моментом , и угловая скорость идеального холостого хода;

2) для асинхронного двигателя

.

(6.4)

6.3. Нагрев и охлаждение двигателя. Классификация режимов работы электроприводов

Потери энергии в двигателе вызывают нагрев его отдельных частей. Допустимый нагрев двигателя определяется нагревостойкостью применяемых изоляционных материалов. Чем больше нагревостойкость, тем при той же мощности меньше размеры двигателя или при тех же размерах можно увеличить его мощность. Кроме того лучшему использованию двигателя способствует также более совершенная система его охлаждения.

Изоляционные материалы, применяемые при изготовлении электрических машин, делятся на следующие основные классы нагревостойкости.

Изоляция класса А. К этому классу относятся хлопчатобумажные ткани, пряжа, бумага, волокнистые материалы из целлюлозы и шелка, пропитанные или погруженные в жидкий диэлектрик. Допустимая предельная температура 105 °С.

Изоляция класса Е. Этот класс включает синтетические эмали (для изоляции проводов) на основе полиэфирных эпоксидных и подобных им смол, синтетические органические пленки и т. п. Допустимая предельная температура нагрева 120 °С.

Изоляция класса В. К этому классу относятся слюда, асбест, стеклянное волокно и другие неорганические материалы со связывающими материалами органического происхождения. Допустимая предельная температура нагрева 130 °С.

Изоляция класса F. Этот класс включает те же материалы, что и для класса В, но сочетающиеся с синтетическими связующими и пропитывающими составами, модифицированными кремнийорганическими соединениями. Допустимая предельная температура нагрева 155 °С.

Изоляция класса Н. К этому классу относятсяте же материалы, что и для класса В, но в сочетании с кремнийорганическими связующими и пропитывающими составами. Допустимая предельная температура 180 °С.

Изоляция класса С.. Этот класс включает слюду, керамические материалы, стекло, кварц, применяемые с неорганическими связующими составами или без связующих составов. Допустимая предельная температура более 180 °С.

Соблюдение установленных ограничений по допустимой температуре нагрева обеспечивает срок службы изоляции электрических машин 15—20 лет. Превышение допустимых температур ведет к разрушению изоляции обмоток и к сокращению срока эксплуатации двигателя. Так, для изоляции класса А превышение допустимой температуры нагрева на 8—10 °С сокращает срок службы изоляции вдвое.

Предельные температуры обмоток двигателей с изоляцией различных классов достигаются при номинальной нагрузке и температуре окружающей (охлаждающей) среды и при высоте над уровнем моря до 1000 м. При температуре меньшедвигатель может быть нагружен несколько выше номинальной нагрузки. При большей температуре окружающей среды и высоте над уровнем моря выше 1000 м нагрузка двигателя должна быть снижена относительно номинального значения.

Условия нагрева отдельных частей машины различны. Большему нагреву подвергаются части обмоток, расположенные во внутренних областях машины. Так же неодинаково и выделение теплоты в различных режимах работы, и поэтому направление тепловых потоков внутри машины непостоянно. Эти обстоятельства весьма усложняют тепловые расчеты, и поэтому без соответствующих упрощений получить аналитические выражения для них невозможно.

Обычно исследование тепловых процессов в двигателях производится со следующими допущениями:

1) двигатель рассматривается как однородное тело, обладающее бесконечно большой теплопроводностью, с одинаковой температурой во всех точках выделения теплоты и точках, соприкасающихся с окружающей средой;

2) теплоотдача во внешнюю среду пропорциональна первой степени разности температур двигателя и окружающей среды;

3) температура охлаждающей среды постоянна;

4) теплоемкость двигателя, мощность тепловых потерь и теплоотдача не зависят от температуры двигателя.

При принятых допущениях и неизменной нагрузке уравнение теплового баланса двигателя имеет вид:

,

(6.5)

где - количество теплоты (мощность потерь в двигателе), выделяемое двигателем в единицу времени,;

—теплоотдача двигателя - количество теплоты, отдаваемой двигателем в охлаждающую среду в единицу времени при разности температур в ,;

—превышение температуры двигателя над температурой охлаждающей среды,

;

(6.6)

где - соответственно температура двигателя и охлаждающей среды;

- теплоемкость двигателя — количество теплоты, необходимое для повышения температуры двигателя на , Дж/°С.

Разделив члены уравнения (6.5) на , получим:

(6.7)

или

,

(6.8)

где - постоянная времени нагрева двигателя - время, в течение которого превышение температуры отдостигло бы установившегося значенияприи отсутствии теплоотдачи в охлаждающую среду.

Решение уравнения (6.8) дает

(6.9)

где - соответственно конечное (установившееся) и начальное значения превышения температуры двигателя над температурой окружающей среды

(6.10)

Если , то (6.10) принимает вид

		(6.11)
	Согласно (6.9) и (6.11) на рис. 6.2 построены кривые нагрева двигателя соответственно для (кривая 1) и(кривая 2) при одной и той же нагрузке () За время превышение температуры двигателя достигает значения
Рис. 6.2. Кривые нагрева двигателя

Как следует из (6.9) или (6.11), время нагрева двигателя до установившейся температуры равно бесконечности. Практически нагрев двигателя можно считать законченным, когда превышение температуры его достигнет значения соответственно через время от начала нагрева, равное.

Различные условия работы производственных механизмов обусловливают различные режимы работы электроприводов, которые классифицируются на 8 режимов работы (). Эти режимы можно объединить в три группы:

1. Длительный режим (первая группа). Режим работы электропривода называется длительным, если его продолжительность настолько велика, что все части электродвигателя за время работы достигают установившихся значений (рис. 6.3, а).

2. Кратковременный режим работы (вторая группа). Режим работы называется кратковременным, если длительность рабочего периода недостаточна для того, чтобы электродвигатель достиг установившегося перегрева, а периоды остановки настолько длительны, что все его части охлаждаются до температуры окружающей среды (рис.6.3, б). В этом режиме стандартные продолжительности рабочего периода:10, 30, 60 и 90 мин.

3. Повторно-кратковременный режим (третья группа). Режим работы называется повторно-кратковременным в том случае, когда периоды работы привода чередуются с его отключениями. При этом продолжительность рабочего периода настолько мала, что электродвигатель не успевает достигнуть установившейся температуры, а за время последующей паузы не успевает охладиться до температуры окружающей среды (рис. 6.3, в).

В этом режиме работы продолжительность цикла не превышает 10 мин, и режим характеризуется относительной продолжительностью включения, которая определяется по формуле

(6.12)

Условия нагревания двигателя в каждом из перечисленных режимов различны, и поэтому необходимы не только различные методы определения мощности, но и для каждого из режимов применять двигатели специального назначения.

а) б) в)

Рис. 6.3. Зависимости мощности на валу двигателя, мощности потерьи температурыот времени при длительном (а), кратковременном (б) и повторно-кратковременном (в) режимах