9. Исследование процессов нагревания и охлаждения электродвигателей в различных режимах

Ц е л ь  р а б о т ы: ознакомиться с методикой тепловых испытаний электрических машин и расчета основных величин, характеризующих условия нагревания и охлаждения [2, с. 121-142; 3, с. 151-170; 5].

9.1. Основные положения теории

При электромеханическом преобразовании энергии ее часть всегда переходит в тепловую. Эта разница между потребляемой (затраченной) и отдаваемой (полезной) энергией в электрической машине называется потерями. Длительная работа машины под нагрузкой выше номинальной может привести к ее перегреву. Наиболее уязвимым элементом машины с точки зрения перегрева является изоляция обмоток.

Стандарты на электрические машины предусматривают оценку их теплового состояния по превышению температуры обмотки над температурой окружающей среды. В частности, превышение температуры обмоток асинхронных двигателей допускается до 90°С для класса изоляции B, 155°С –для класса F.

Непосредственный расчет теплового режима электрической машины представляет собой сложную многофакторную задачу. В практических применениях вводится ряд допущений, среди которых одним из основных является представление машины сплошным однородным телом с равномерно распределенными внутри него источниками тепла, обладающим бесконечно большой теплопроводностью. Также имеются следующие допущения: теплопередача пропорциональна первой степени разности температуры двигателя и охлаждающей среды, то есть превышению температуры; температура охлаждающей среды неизменна в процессе эксперимента; тепловые потери, теплоемкость и коэффициент теплоотдачи не зависят от температуры двигателя. В этом случае тепловое состояние машины в течение времени t может быть описано уравнением:

(9.1)

где ₀ и _уст  соответственно начальное и установившееся превышения температуры, °С;

T_н  постоянная времени нагревания, с.

Постоянная времени характеризует длительность протекания процесса нагревания (охлаждения) и равна времени, в течение которого температура тела изменилась бы до установившегося значения, если бы отсутствовала передача тепла во внешнюю среду.

При нагреве машины из холодного состояния (т.е. температура машины равна температуре окружающей среды и, следовательно, ₀ = 0) уравнение (30) приобретает вид:

(9.2)

Уравнение (30) справедливо и для процесса охлаждения, в этом случае ₀  _уст. В частности, при отключении машины от сети выделение тепла в ней прекратится и охлаждение будет продолжаться до _уст = 0, этот процесс описывается уравнением:

(9.3)

где T_ох  постоянная времени охлаждения, c.

Обычно T_ох > T_н и зависит от условий охлаждения, например, чем больше время выбега машины до полной остановки, тем меньше T_ох за счет самовентиляции.

В приведенных выше уравнениях фигурируют постоянные времени нагревания или охлаждения, трудно поддающиеся аналитическому расчету. Обычно они находятся по результатам тепловых испытаний.

Отметим, что экспоненциальный характер изменения превышения температуры машины может иметь место только при указанных допущениях. В реальных условиях, что подтверждают экспериментальные данные, характер нагревания отличается от теоретического. Такое различие объясняется различным характером нагревания меди обмоток и стали статора. Экспериментальные исследования показывают, что в начале приложения нагрузки к двигателю медь обмоток нагревается быстрее стали статора, но после некоторого времени медь и сталь нагреваются как однородное тело и действительный характер нагревания приближается к экспоненциальному.