Нагревание двигателей при кратковременном режиме работы с постоянной нагрузкой

Нагревание двигателей, работающих в кратковременном режиме, значительно отличается от соответствующего процесса при продолжительном режиме. Кратковременный режим на практике встречается довольно редко и двигателей, специально предназначенных для этого режима, выпускается мало. Поэтому, зачастую для работы в кратковременном режиме приходится использовать двигатели режима S1. Но если такой двигатель нагрузить номинальной мощностью, то максимальная температура, которую он будет иметь в конце рабочего периода, т.е. в конце времениt_к, будет меньше_доп. Следовательно, двигатель будет недоиспользован по нагреву. Для того, чтобы он был в тепловом отношении использован полностью, его нужно перегрузить так, чтобы за времяt_кон был нагрет до_доп. Иначе говоря, можно взять двигатель меньшей мощности, чем требуется для кратковременной работы (например, мощностью 10 кВт вместо 15 кВт, а нагрузить мощностью 15 кВт).

Д

ля количественной оценки перегрузки используются коэффициенты термической (тепловой) и механической перегрузки. В длительном режиме с номинальной нагрузкой температура перегрева асимптотически приближается к предельно допустимой для данного класса изоляции

, где

Q_=∆P_- потери в длительном режиме с номинальной нагрузкой.

При кратковременной работе двигателя режима S1 с перегрузкой эта же температура будет достигнута за времяt_к. Поскольку за это время нагрузка остается постоянной, тоt_ки коэффициент термической перегрузкиможно найти из уравнения нагрева при постоянной нагрузке

, где

∆P_к=Q_к- допустимые потери при кратковременном режиме двигателя режимаS1, работающего с перегрузкой.

Приравняв исходное и это равенства и преобразуя, находим

; отсюда

, где

- коэффициент термической перегрузки.

По величине может быть определен и коэффициент механической перегрузки двигателяX, представляющий отношение допустимого по условиям нагрева моментаМ^(к)при кратковременной нагрузкеР_кк номинальному моментуМ^(н)при продолжительной работе с номинальной нагрузкойР_н, а также степень перегрузки двигателя по току (или). Для этого в выражении дляразделим потери на постоянныеКи переменныеV

, где

- коэффициент потерь;

V_Н- номинальные переменные потери.

Отсюда можно найти допустимую длительность кратковременной работы двигателя режима S1 при заданной степени перегрузки двигателя по току

.

Допустимая перегрузка двигателя по току при заданной длительности работы t_к

или .

Если пренебречь постоянными потерями, т.е. принять а=0, то.

При необходимости определения Т_Н, ее можно найти из выражения дляt_к:

, где

_ки_н- КПД двигателя при работе в кратковременном режиме с перегрузкой и номинальный КПД.

Определим, теперь, допустимую нагрузку двигателя кратковременного режима по моменту, мощности или току если действительное время кратковременной работы t_к.дейсотличается от каталожногоt_к.катПри этом считаем, что за времяt_к.кати номинальной нагрузке двигатель нагреется до такой же допустимой температуры, что и за времяt_{к.действ}и нагрузке, отличной от номинальной.

, откуда .

Т.к. , ито

или .

Отметим, что использовать двигатели длительного режима для работы в кратковременном режиме нецелесообразно. Объясняется это тем, что если стремиться полностью использовать двигатель длительного режима по нагреву в кратковременном режиме, то его нагрузка должна быть больше номинальной. Однако, перегрузочная способность, определяемая электрическими и механическими свойствами машины, уменьшается. Кроме того, если время t_кневелико, то для полного использования двигателя по нагреву необходимо значительно перегрузить его по моменту. Иначе говоря, поскольку в режимеS2 двигатель, предназначенный для длительного режима, может работать с большей нагрузкой, чем в режимеS1, то можно считать, что его мощность в кратковременном режиме повышается, т.е.Р_к.номР_номМаксимальное же значение тока и момента при кратковременной перегрузке определяемые электрическими и механическими свойствами машины, не зависят от теплового режима. Поэтому перегрузочная способность двигателя режимаS1 в режимеS2 будет ниже, чем в режимеS1, т.е.

.

Е

сли изобразить кривые зависимости коэффициента перегрузкихпо мощности (моменту) от отношения, то оказывается, что уже при0,35х>2,5, т.е. для того, чтобы двигатель длительного режима полностью использовался в тепловом отношении при0,35, его нужно перегрузить более, чем в 2,5 раза по мощности (моменту). Однако не все двигатели нормального исполнения, предназначенные для длительного режима, допускают такую перегрузку. Поэтому мощность двигателя пришлось бы выбирать не из условий нагрева, а по условиям допустимой перегрузки по моменту, что ведет к неполному использованию двигателя по нагреву.

К

роме того, не все части двигателя имеют одинаковыеТ_Н. При длительном режиме это не существенно. В кратковременном режиме в случае двигателя постоянного тока коллектор и обмотки возбуждения ограничивают нагрузку, в то время как якорь допускает дальнейшее ее повышение. В двигателях длительного режима температура всех частей достигает установившегося значения в течение времени>(4–5)Т_Н. При работе такого двигателя в режимеS2 температура перегрева не достигнет установившего значения, причем к концу рабочего периода нагрев отдельных частей машины может быть различным. Например, на рисунке приведены кривые нагрева обмотки возбуждения (1), коллектора (2) и обмотки якоря (3). Видно, что допустимая длительность кратковременной работы определяется условиями нагрева элемента машины, имеющего наименьшуюТ_Н(в данном случае обмотки возбуждения). По этой причине в двигателях, предназначенных для кратковременной работы, при их расчетах потери в отдельных элементах распределяют таким образом, чтобы к концу времениt_ктемпература перегрева всех элементов машины достигала предельно-допустимого значения.

Нецелесообразность использования двигателей режима S1 в режимеS2 определяется еще и энергетическими соображениями. Двигатели режимаS1 рассчитываются и конструируются таким образом, чтобы максимальный КПД был при номинальном режиме. Известно, что максимальному КПД отвечает условие равенства переменных и постоянных потерь. При работе этих двигателей в кратковременном режиме при большей нагрузке переменные потери будут больше постоянных и КПД будет меньше.

Нецелесообразно также использовать двигатели режима S2 для работы в длительном режиме, т.к. они имеют повышенные постоянные потери и будут сильно греться, вследствие чего допустимая мощность резко снижена. В отдельных случаях при наличии больших постоянных потерь они не могут работать длительно даже вхолостую. В связи с изложенным, двигатели, предназначенные для кратковременной работы, рассчитываются иначе, чем двигатели, предназначенные для длительного режима. Для них характерна повышенная перегрузочная способность, имеют усиленную конструкцию коллектора (если это МПТ) и обмотки возбуждения.