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 времени t_к, будет меньше t_доп. Следовательно, двигатель будет недоиспользован по нагреву. Для того, чтобы он был в тепловом отношении использован полностью, его нужно перегрузить так, чтобы за время t_к он был нагрет до t_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. Поскольку за это время нагрузка остается постоянной, то t_к и коэффициент термической перегрузки d можно найти из уравнения нагрева при постоянной нагрузке

, где

∆P_к=Q_к - допустимые потери при кратковременном режиме двигателя режима S1, работающего с перегрузкой.

Приравняв исходное и это равенства и преобразуя, находим

; отсюда

, где

- коэффициент термической перегрузки.

По величине d 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 d 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

.

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 для t_к:

, где

h_к и h_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.дейс отличается от каталожного t_к.кат При этом считаем, что за время t_к.кат и номинальной нагрузке двигатель нагреется до такой же допустимой температуры, что и за время t_{к.действ} и нагрузке, отличной от номинальной.

, откуда .

Т.к. , и то

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_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_¥ном Максимальное же значение тока и момента при кратковременной перегрузке определяемые электрическими и механическими свойствами машины, не зависят от теплового режима. Поэтому перегрузочная способность двигателя режима S1 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, 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.

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 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 наименьшую Т_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 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 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.