6.4 Нагревание двигателей при кратковременном режиме работы с постоянной нагрузкой

Механизмов, работающих в кратковременном режиме, в промышленности мало 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 времени t_к, будет меньше _доп. Следовательно, двигатель будет недоиспользован по нагреву. Для того, чтобы он в тепловом отношении был использован полностью, его нужно перегрузить так, чтобы за время t_к он 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).

Для 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 время t_к (см. рис. 6.4.1). Поскольку за это время нагрузка остается постоянной, то t_к и коэффициент термической перегрузки  можно найти из уравнения нагрева

, где

∆P_к - допустимые потери при кратковременном режиме двигателя режима S1, при кратковременной работе с перегрузкой.

Приравняв эти равенства и преобразуя, находим

; отсюда

, где

- коэффициент термической перегрузки.

По величине  может быть определен и коэффициент механической перегрузки двигателя X, представляющий отношение допустимого по условиям нагрева момента М^(к) при кратковременной нагрузке Р_к к номинальному моменту М^(н) при продолжительной работе с номинальной нагрузкой Р_н, а также степень перегрузки двигателя по току (или). Для этого в выражении для разделим потери на постоянные К и переменные V

, 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 или мощности и допустимую перегрузку двигателя по току при заданной длительности t_к.

; или.

Если пренебречь постоянными потерями, то .

При необходимости определения Т_Н, и зная каталожные данные двигателя кратковременного режима ее можно найти из выражения для t_к:

, где

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

Определим, теперь, допустимую нагрузку двигателя кратковременного режима по моменту или мощности если действительное время кратковременной работы t_к.дейс отличается от каталожного t_к.кат. При этом считаем, что за время t_к.кат и нагрузке отличной от номинальной, двигатель нагреется до такой же допустимой температуры, что и за время t_к.кат и номинальной нагрузке.

, 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 их по нагреву в кратковременном режиме, то их нагрузка должна быть больше номинальной. Однако, перегрузочная способность, определяемая электрическими и механическими свойствами машины, уменьшается, т.к. эти свойства не зависят от теплового режима двигателя. Кроме того, если время t_к невелико, то для полного использования двигателя по нагреву необходимо значительно перегрузить его по моменту. Иначе говоря, поскольку в режиме S2 двигатель, предназначенный для длительного режима, может работать с большей нагрузкой, чем в режиме S1, то можно считать, что его мощность в кратковременном режиме повышается, т.е. Р_к.номР_{осн.ном}. Максимальное же значение тока и момента при кратковременной перегрузке не зависят от теплового режима.

Поэтому перегрузочная способность двигателя режима S1 при работе в режиме S2 будет ниже, чем в режиме S1, т.е.

.

Если изобразить кривые зависимости коэффициента перегрузки х по мощности (моменту) от отношения , то оказывается, что уже при0,35 х>2,5 (см. рис. 6.4.2), т.е. для того, чтобы двигатель длительного режима полностью использовался в тепловом отношении при 0,35, его нужно перегрузить по мощности (моменту) более, чем в 2,5. 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 (мощности), что ведет к его недоиспользованию по нагреву.

Кроме того, не все части двигателя имеют одинаковые Т_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 режиме S2 температура перегрева не достигнет установившего значения, причем к концу рабочего периода нагрев отдельных частей машины может быть различным. Например, на рис. 6.4.3 приведены кривые нагрева обмотки возбуждения (1), коллектора (2) и обмотки якоря (3).

Видно, что допустимая длительность кратковременной работы определяется условиями нагрева элемента машины, имеющего наименьшую Т_Н (в данном случае обмотки возбуждения). По этой причине в двигателях, предназначенных для кратковременной работы, при их расчетах потери в отдельных элементах перераспределяют таким образом, чтобы к концу времени t_к температура перегрева всех элементов машины достигала предельно-допустимого значения.

Нецелесообразность использования двигателей режима S1 в режиме S2 определяется еще и энергетическими соображениями. Двигатели режима S1 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 же этих двигателей в режиме S2 с перегрузкой 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. В отдельных случаях при наличии больших постоянных потерь они не могут работать длительно даже вхолостую.

Двигатели, предназначенные для кратковременной работы, рассчитываются иначе, чем двигатели режима S1. Для них характерна повышенная перегрузочная способность, а если это машины постоянного тока, то они имеют усиленную конструкцию коллектора и обмотки возбуждения.