9.3. 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. Лучшему исполь­зованию двигателя способствует также более совершенная система его охлаждения.

Изоляционные материалы, применяемые в электриче­ских машинах, 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. В настоящее время электрические дви­гатели с изоляцией класса А практически не изготовляют. Такую изоляцию имеют двигатели постоянного тока се-рии П мощностью до 2,2 кВт и асинхронные двигатели се­рий А, АО до 6-го габарита включительно, AК

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., синтетические материалы. Допустимая предельная температура нагрева 120 °С. Эта изоляция имеет небольшое применение в двигателях малой мощности. В основном двигатели изготовляют с изоляцией классов ВиF.

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. Эти материалы применяются в двигателях серий 2П с высотой оси вращения до 120 мм включительно; 4А с высотой оси вращения до 132 мм. При­менялись в старых сериях П мощностью от 3,2 до 14 кВт и в компенсированных двигателях мощностью 100—400 кВт; АО свыше 6-го габарита; А2 и АК2 мощностью от 400 до 1250 кВт.

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. Такую изоляцию имеют двигатели серий: 4А с высотой оси вращения свыше 132 мм, 2П с высотой оси вращения свыше 225 мм; MTF, MTKF; старых серий П мощностью свыше 14 кВт.

Изоляция класса Н. К этому классу относятся те же материалы, что и для класса В, но в сочетании с крем-нийорганическими связующими и пропитывающими со­ставами. Допустимая предельная температура 180 °С. Эта изоляция применяется для двигателей с частыми пусками и реверсами, а также при высокой температуре окружаю­щей среды, например, для двигателей, предназначенных для грузоподъемных машин, в том числе металлургических. Такую изоляцию имеют двигатели серий МТН, МТКН, Д.

Изоляция класса С. Этот класс включает cлюду, керамические материалы, стекло, кварц, применяе-

мые с неорганическими связующими составами или без связующих составов. Допустимая предельная температура более 180 °С. Нагревостойкость этих материалов не исполь­зуется полностью в современном электромашиностроении, поэтому предельная температура нагрева для этого класса не установлена.

Соблюдение установленных ограничений по допустимой температуре нагрева обеспечивает срок службы изоляции электрических машин для новых серий двигателей 15— 20 лет (например, двигатели серии 4А — 15 лет, серии Д — 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 40 °С и при высоте над уровнем моря до 1000 м. При тем­пературе меньше 40 °С двигатель может быть нагружен не­сколько выше номинальной нагрузки (для изоляции клас­са А превышение номинальной нагрузки не допускается). При большей температуре окружающей среды и высоте над уровнем моря выше 1000 м нагрузка двигателя должна быть снижена относительно номинального значения. Сте­пень снижения (или увеличения) нагрузки зависит, кроме температуры окружающей среды и высоты, еще от класса изоляции, режима работы двигателя и соотношения по­стоянных и переменных потерь. Ориентировочно для вы­соты до 1000 м при повышении температуры среды до 45 °C рекомендуемое снижение тока нагрузки составляет от 2 до 7 %, при температуре 50 °С — от 4 до 15 %, при 60 °С — от 10 до 30 %. Увеличивать нагрузку сверх номинальной при температуре среды ниже 40 °С (за исключением аварий­ных случаев) не рекомендуется, так как разница между сред­ней и максимальной температурой (наиболее нагретой части обмотки) возрастает примерно пропорционально квадрату коэффициента нагрузки, что может привести к появлению опасных пиковых температур; кроме того, устанавливаемый срок службы двигателя учитывает естественные колебания температуры окружающей среды, что находит отражение в отказе от нормирования допустимой температуры обмо­ток двигателя.

Для двигателей нормируется не допустимая температура

обмотки и других частей машины, а допустимое превышение температуры обмотки над температурой окружающей среды.

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. При холостом ходе теплота передается от более нагретой стали двигателя к его обмоткам, а в на­груженном состоянии обмотки более нагреты, чем сталь, и направление теплового потока обратное. Эти обстоятель­ства весьма усложняют тепловые расчеты, и поэтому без соответствующих упрощений сделать выбор мощности не­возможно.

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 охлаждающей 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.

Уравнение теплового баланса двигателя при неизмен­ной нагрузке имеет вид:

(9.61)

где Q — количество теплоты (мощность потерь в двига­теле), выделяемое двигателем в единицу времени, Дж/с; А — теплоотдача двигателя — количество теплоты, отда­ваемой двигателем в охлаждающую среду в единицу вре­мени при разности температур в 1 °С, Дж/(с°С); т — пре­вышение температуры двигателя над температурой охла­ждающей среды, °С, равно:

(9.62)

где _д, _0с — соответственно температура двигателя и охлаждающей среды, °С; С — теплоемкость двигателя — количество теплоты, необходимое для повышения темпера­туры двигателя на 1 °С, Дж/°С.

Разделив члены уравнения (9.61) наA dt, получим:

(9.63)

или

(9.64)

где Т_н — постоянная времени нагрева двигателя — время, в течение которого превышение температуры от τ = 0 до­стигло бы установившегося значения τ_у при Q = const и отсутствии теплоотдачи в охлажденную среду, Т_я = С/А. Решение уравнения (9.64)

(9.65)

где τ_у, τ₀ — соответственно конечное (установившееся) и начальное значения превышения температуры двигателя над температурой окружающей среды:

(9.66)

Если τ₀ = 0, то (9.65) примет вид:

(9.67)

Согласно (9.65) и (9.67) на рис. 9.12 построены кривые / и 2 нагрева двигателя соответственно для τ > 0 и τ₀ = 0

при одной и той же нагрузке (Q₁ = const). Если двигатель будет нагружен меньше (Q₂ <. < Q₁), то этому случаю от­вечает кривая 3 при усло­вии, что τ₀ = 0.

Рис. 9.12, Кривые нагрева дви- гателя.

На рис. 9.13 даны кривые, отображающие процесс охла­ждения двигателя. Здесь кри­вая 1 соответствует уменьше­нию нагрузки, а кривые 2 и 3 — отключению двигателя от сети.

В предположении, что про­цесс нагрева двигателя про­исходит без отдачи теплоты в охлаждающую среду, превы­шение температуры его изменяется по линейному закону (тонкие линии на рис. 9.12 и 9.13). Отсюда следует, что постоянная времени нагрева (охлаждения) двигателя равна отрезку, заключенному между перпендикуляром к оси абс-

цисс, проведенным через точку касания касательной к экспоненциальной кривой τ (t), и точкой пересечения этой касательной с асимптотой (на рис. 9.12 и 9.13 это ось ор­динат).

В реальных условиях вследствие теплоотдачи двигателя за время Т_н превышение температуры двигателя достигнет значения τ = 0,632 τ_у, что следует из (9.67), в котором t = Т_н

(9.68)

Действительная кривая нагрева несколько отличается от экспоненты. В начале процесса нагрева повышение тем­пературы двигателя идет бы­стрее, чем по теоретической кривой, и лишь начиная с τ = (0,5 - 0,6) τ_у до τ = τ_у действительная кривая при­ближается к экспоненциаль­ной. Поэтому определение по­стоянной времени нагрева на начальном участке по методу касательной может привести к значительной ошибке.

Рис. 9.13. Кривые охлаждения двигателя.

У самовентилируемых дви­гателей открытого исполне­ния малой и средней мощно­сти постоянная времени соста­вляет около 1 ч, у двигателей закрытого типа большой мощ­ности — 3—4 ч. При отключении самовентилируемого дви­гателя и его остановке постоянная времени охлаждения Т₀ оказывается значительно больше, чем нагрева Т_н. Это объясняется тем, что при остановке самовентилируемого двигателя уменьшается его теплоотдача; Коэффициент ухуд­шения теплоотдачи при неподвижном якоре (роторе)

(9.69)

где А₀, А — теплоотдача соответственно при неподвижном двигателе и номинальной угловой скорости.

Примерные значения коэффициента р₀ для двигателей различного исполнения приведены ниже:

Исполнение двигателя ....... β_о

Закрытый с независимой вентиляцией 1

Закрытый без принудительного охлаждения 0,95 — 0,98

Закрытый самовентилируемый 0,45 — 0,55

Самовентилируемый защищенный . . . 0,25 — 0,35

Как следует из (9.65) или (9.67), время нагрева двига­теля до установившейся температуры равно бесконечности. Практически нагрев двигателя можно считать законченным, когда превышение температуры его достигнет значения (0,95—0,98) τ_у соответственно через время от начала на­грева, равное (3—4) Т_н.

Различные условия работы производственных механиз­мов обусловливают различные режимы работы электро­приводов, которые классифи­цируются на восемь режимов с условными обозначениями от S1 до S8 , что позволяет более точно рассчитывать мощ­ность двигателя.

Рис, 9.14, Зависимости мощно­сти Р на валу двигателя, мощ- поста потерь ДР и температуры θ от времени в продолжитель­ном номинальном режиме рабо­ты (S1).

1. Продолжительным но­минальным режимом работы (S1) электрической машины называется режим работы ее при неизменной нагрузке, про­должающийся столько вре­мени, что превышения темпе­ратуры всех частей ее дости­гают установившихся значе-

ний (рис.9.14, где Р, ΔР, θ — соответственно мощность на валу двигателя, мощность потерь и температура).

2. Кратковременным но­минальным режимом работы

(S2) называется режим, при котором периоды неизменной номинальной нагрузки чередуются с периодами отключе­ния машины; при этом периоды нагрузки не настолько длительны, чтобы превышения температуры машины могли достигнуть установившихся значений, а периоды остановки настолько длительны, что все части ее охлаждаются до температуры окружающей среды (рис. 9.15). В этом ре­жиме рекомендуются продолжительности рабочего периода: 10, 30, 60 и 90 мин.

3. Повторно-кратковременным номинальным режимом работы (S3) называется режим, при котором кратковре­менные периоды неизменной номинальной нагрузки (рабо-

чие периоды) чередуются с периодами отключения машины (паузами), причем как рабочие периоды, так и паузы не

Рис, 9,15, Зависимости Р, ΔР и θ от времени для кратковре­менного режима (S2),

Рис. 9.16. Зависимости Р, ΔР и θ от времени для повторно-кратковременного режима (S3),

настолько длительны, чтобы превышения температуры могли достигнуть установившихся значений.

В этом режиме работы (рис. 9.16) продолжительность цикла не превышает 10 мин, и режим характеризуется отно­сительной продолжитель­ностью включения, %, ПВ = 15, 25, 40 и 60 %, которая определяется по формуле

(9.70)

где t_р — время работы; t₀ — время паузы; t_ц — время цикла.

Пусковые потери в этом режиме практически не оказывают влияния на пре­вышение температуры ча­стей машины.

Рис. 9.17. Зависимости Р, ДР и в от времени для повторно-кратко­временного режима с частыми пу­сками (S4).

4. Повторно-кратковре­менным номинальным режи­мом работы с частыми пусками (S4) называется режим, при котором периоды пуска и кратковременной неизменной

номинальной нагрузки чередуются с периодами отключе­ния машины, причем как рабочие периоды, так и паузы не настолько, длительны, чтобы превышения температуры ча­стей машины могли достигнуть установившихся значений. В этом режиме пусковые потери оказывают существенное влияние на превышение температуры частей машины. Здесь остановка двигателя после его отключения осуществляется путем выбега либо посредством механического торможения, так что при отключении двигателя дополнительного нагрева его обмоток не происходит (рис. 9.17). Данный режим ха­рактеризуется относительной продолжительностью вклю­чения, числом пусков в час и коэффициентом инерции при­вода. Относительная продолжительность включения, %, определяется по формуле

(9.71)

Нормируемые значения ПВ = 15, 25, 40 и 60 %. Нор­мируемое число пусков в час — 30, 60, 120 и 240.

Коэффициент инерции — это отношение суммарного при­веденного к валу двигателя момента инерции привода (сумма

момента инерции приводимо­го механизма и момента инер­ции якоря или ротора двига­теля) к моменту инерции яко­ря (ротора) двигателя:

(9.72)

Нормированные значения коэффициента инерции: 1,2; 1,6; 2,5; 4; 6,3; 10.

Рис. 9.18. Зависимости Р, ΔР и θ от времени для повтор но-крат­ковременного режима с частыми пусками и электрическим тормо­жением (S5).

5. Повторно-кратковре­менным номинальным режи­мом работы с частыми пуска­ми и электрическим тормо­ жением (S5) называется ре­ жим, при котором периоды пуска, кратковременной не­изменной номинальной на­грузки и электрического тор­можения чередуются с перио­дами отключения машины, причем как рабочие периоды, так и паузы не настолько длительны, чтобы превышения температуры частей машины могли достигнуть установив-

шихся значений (рис. 9.18). В этом режиме потери пуско­вые и при электрическом торможении оказывают сущест­венное влияние на превышение температуры частей маши­ны. Этот режим характеризуется относительной продол­жительностью включения, числом пусков в час и коэффи­циентом инерции.

Относительная продолжительность включения, %,

(9.73)

Нормированные значения ПВ, числа пусков в час и коэффициентов инерции такие же, как и в режиме S4, исключая значения FI = = 6,3 и 10 и включая до­полнительное значение FI = 2.

Рис. 9.19. Зависимости Р, ΔР и θ от времени для перемежающегося режима (S6).

6. Перемежающимся но­минальным режимом рабо­ты (S6) называется режим, при котором кратковремен­ные периоды неизменной номинальной нагрузки (ра­бочие периоды) чередуют­ся с периодами холостого хода, во время которых двигатель не отключается, причем как рабочие перио­ды, так и периоды холосто­го хода не настолько дли­тельны, чтобы превышения

температуры частей машины могли достигнуть установив­шихся значений (рис. 9.19). Продолжительность одного цикла не должна превышать 10 мин.

Относительная продолжительность нагрузки, %,

(9.74)

где t_х.x — время холостого хода.

Нормируемые значения ПН = 15, 25, 40 и 60 %.

7. Перемежающимся номинальным режимом работы с ча­стыми реверсами (S7) называется режим, при котором пе­риоды реверса чередуются с периодами неизменной номи-

иальной нагрузки, причем периоды последней не настолько длительны, чтобы превышения температуры частей машины могли достигнуть установившихся значений (рис. 9.20). В этом режиме потери при реверсировании оказывают суще­ственное влияние на пре­вышение температуры ча­стей машины, которая ра­ботает без остановки, на­ходясь постоянно под на­пряжением. Данный режим характеризуется числом ре­версов в час (30, 60, 120 и 240) и коэффициентом инер­ции (как для S5).

Рис. 9.20. Зависимости Р, ДР и 0 от времени для перемежающегося режима с частыми реверсами (S7).

8. Перемежающимся но­минальным режимом рабо­ты с двумя или более угло­выми скоростями (S8) на­зывается режим, при ко­тором периоды с одной на­грузкой на одной угловой скорости чередуются с пе­риодами работы на другой угловой скорости при со­ответствующей этой угловой скорости нагрузке. Периоды нагрузки на каждой из угловых скоростей не настолько длительны, чтобы превыше­ния температуры частей ма­шины могли достигнуть уста­новившихся значений (рис. 9.21). В этом режиме потери при переходе с одной угло­вой скорости на другую ока­зывают существенное влия­ние на превышения темпера­туры частей машины.

Рис. 9.21. Зависимости Р, ΔР, τ и ω от времени для перемежающего­ся режима с двумя и более скоро­стями (S8).

Данный режим с двумя или более угловыми скоростями характеризуется числом циклов в час, коэффициентом инерции и относительной продолжительностью нагрузку %,

на отдельных ступенях, определяемой по формулам:

(9.75)

(9.76)

(9.77)

где t_pl, t_p2, t_p3 — время работы на каждой угловой скорости; t_Tl, t_T2 — время электрического торможения; t_п — время пуска.

Нормированные значения числа циклов в час: 30, 60, 120, 240; коэффициента инерции: 1,2; 1,6; 2; 2,5; 4.