Нагрев и охлаждение электродвигателей.

Нагрев двигателя.

Работая с некоторой постоянной мощностью на валу , двигатель потребляет из сети мощность , превышающую мощность на значение потерь , которые выражают через к.п.д. двигателя

Потери мощности в двигателе превращаются в теплоту, вызывая нагрев до некоторой температуры, определяемую его нагрузкой. Количество теплоты , выделяемое в двигателе

.

При расчёте тепловых процессов принимают следующие допущения:

- двигатель представляют в виде однородного твёрдого тела, равномерно нагревающегося по всему объёму;

- считают, что двигатель охлаждается только благодаря теплопроводности и конвекции. При этих условиях количество теплоты, выделяемой двигателем в окружающую среду, пропорционально повышению его температуры над температурой окружающей среды

.

Введём обозначения: С – теплоёмкость двигателя – количество теплоты, необходимое для нагревания двигателя на 1^oС, ; А – теплоотдача двигателя – количество теплоты, отдаваемое в окружающую среду в течение 1с при разности температур двигателя и среды 1^oС, ^oС. Уравнение теплового баланса имеет вид [1]

,

где - количество теплоты, выделяющейся в двигателе за время dt;

- количество теплоты, идущей на нагрев двигателя;

- количество теплоты, отдаваемой двигателем в окружающую среду за время dt.

Решив дифференциальное уравнение относительно , можно определить температуру двигателя в любой момент времени его работы (при условии, что температура двигателя в момент пуска равна температуре окружающей среды) [1]. ,

где - постоянная времени нагрева, ;

- установившееся превышение температуры, которое будет

достигнуто за время . В реальных условиях через двигатель достигает температуры . Исходя из реальных условий нагрева двигателя, постоянную нагрева Т определяют как время, в течение которого нагревается до . Действительно

.

Для двигателей малой и средней мощности постоянная времени нагрева находится в пределах 10-20 мин (рис.6.10а).

Охлаждение двигателя.

После отключения двигателя от сети выделение теплоты в нём сокращается: . Тогда , т.е. двигатель охлаждается до температуры окружающей среды . При этом двигатель останавливается, и теплоотдача в большинстве случаев ухудшается , а постоянная времени охлаждения становится больше . Для самовентилируемых двигателей ; для двигателей с независимым охлаждением можно принять .

Используя уравнение нагрева двигателя [1], получим уравнение охлаждение двигателя:

,

где - превышение температуры двигателя в момент отключения его от сети.

Если за время работы двигатель нагрелся до , т.е. , то после отключения то сети он будет охлаждаться по экспоненциальной кривой.

За время двигатель охлаждается до температуры, соответствующей превышению

.

На практике можно считать полностью остывшим, если его температура не более чем на отличается от температуры окружающей среды, (рис.5б).

Выбор электродвигателя.

Длительный режим работы.

Двигатели, работающие в длительном режиме, могут иметь неизменную или циклически меняющуюся во времени нагрузку, что определяет тепловые процессы в двигателе и методику выбора его мощности.

При неизменной нагрузке выбор двигателя довольно прост и заключается в определении потребляемой исполнительным механизмом мощности , по которой находят расчётную мощность электродвигателя

,

где - к.п.д. передачи от двигателя к рабочему органу механизма.

Далее, по каталогу выбирают двигатель нужных параметров (скорость, напряжение и др.) и конструктивного исполнения с номинальной мощностью . Выбранный таким образом двигатель будет удовлетворять всем требованиям со стороны исполнительного механизма и в дополнительной проверке не нуждается.

При циклически меняющейся нагрузке, с какой работает большинство электрифицированных механизмов, мощность электродвигателя рассчитывают на основе нагрузочной диаграммы исполнительного механизма по среднему статическому моменту.

.

Зная среднее значение статического момента, определяют расчётный момент выбираемого двигателя

,

где - коэффициент, учитывающий необходимость преодоления двигателем динамических нагрузок: увеличивается с увеличением колебаний нагрузки и числа включений двигателя в час.

Проверка мощности на нагрев производится по методу эквивалентного момента

,

или по методу эквивалентной мощности

.

Выбранный двигатель не будет перегреваться, если или .

Кратковременный режим работы.

Если двигатель, предназначенный для длительного режима, будет

работать кратковременно в течение с номинальной мощностью , то к концу рабочего периода его температура не достигнет максимально допустимого значения и двигатель будет недогружен (рис.5.9б).

Для полного использования такого двигателя необходимо, чтобы к концу рабочего периода его температура достигла значения . При этом он должен развивать мощность , определяемую коэффициентом тепловой нагрузки , который представляет собой отношение тепловых потерь кратковременного режима к номинальным потерям двигателя при условии одинакового нагрева ( до ):

;

При полном использовании двигателей в кратковременном режиме по тепловой перегрузке, двигатель может ограничиваться допустимой механической перегрузочной способностью. Поэтому предварительный выбор производят обычно по максимальной статической нагрузке с учётом перегрузочной способности .

Асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором кроме того, проверяют на возможность пуска.

Повторно-кратковременный режим работы.

Для работы в повторно-кратковременном режиме, как и в кратковременном, используют электродвигатели специального исполнения. Эти двигатели кроме повышенной перегрузочной способности, необходимой для работы в кратковременном режиме, должны также иметь минимальный момент инерции, чтобы обеспечивать, возможно, малое время переходных процессов (пуск, торможение).

Двигатель для работы в поворотно-кратковременном режиме выбирают в два этапа. Предварительно двигатель можно выбрать по мощности, развиваемой на рабочем органе механизма при номинальной статической нагрузке. Эту мощность (кВт) определяют по следующим выражениям:

- при вращательном движении рабочего органа

- при поступательном движении рабочего органа

,

где - момент на валу рабочего органа, Нм;

- усилие, Н;

- угловая скорость рабочего органа, ;

- заданная скорость линейного перемещения рабочего органа, .

Для грузоподъёмных механизмов:

,

где - диаметр грузового барабана, м;

m – масса поднимаемого груза, кг;

; - скорость навивки троса на барабан, .

Построив кинематическую схему и выбрав вид передачи, определяют к.п.д. механизма и мощность на валу электродвигателя. Для исполнительного механизма с заданной скоростью рабочего органа можно выбрать двигатель мощностью с различными номинальными скоростями.

Для электропривода с выбранным таким образом двигателем находят приведённый момент инерции, рассчитывают переходные процессы и строят нагрузочную диаграмму с учётом пуска и торможения. На основании полученной нагрузочной диаграммы предварительно выбранный двигатель проверяют на нагрев.

Повторно-кратковременный режим – режим, к которому можно привести работу электроприводов рулевых устройств, якорно-швартовых устройств, грузоподъёмных механизмов, траловых, буксирных лебёдок и т.д.

Этот режим состоит из периодов работы и пауз, причем за время работы двигатель успевает нагреться до установившейся температуры, а за время паузы не успевает остыть до температуры окружающей среды (рис.5.7в). суммарная продолжительность рабочего периода t_раб. И паузы t_о (время цикла t_ц ) не должна превышать 10 мин. Этот режим характеризуется относительной продолжительностью включения – отношением продолжительности рабочего периода t_раб к продолжительности t_ц , выраженной в процентах:

Стандартные значения ПВ-15,25,40,60%.

Повторно-кратковременный режим характерен для грузоподъемных механизмов.