§18.1. Нагревание и охлаждение электрических машин

Все виды потерь, происходящие в электрической машине, преобразуются в теплоту, которая частично идет на нагревание машины, а частично отдается в окружающую среду. Условно принято считать, что нагрев происходит равномерно по всему объему ма­шины, а рассеивание теплоты происходит также рав­номерно со всей ее поверхности. В этих условиях уравнение теплового баланса имеет вид

q dt = тс dτ + Sλτ dt, (18. 1)

где q — количество теплоты, выделяемое в машине в единицу времени (Дж/с):

q = ∑Р

∑Р - суммарные потери мощности в двигателе, Вт; тс dτ — количество теплоты, расходуемое на нагре­вание машины; m — масса нагреваемой машины; с — удельная теплоемкость материала машины, т.е. количество теплоты, необходимое для нагревания 1 кг этого материала на 1°С; τ — превышение темпе­ратуры нагрева машины над температурой окру­жающей среды; Sλτ — количество теплоты, рассеи­ваемое с поверхности двигателя в окружающее пространство в единицу времени; λ — коэффициент теплового рассеяния, т.е. количество теплоты, рассеиваемое с единицы поверхности машины в 1 с при превышении температуры на 1°С.

В начальный период работы машина имеет тем­пературу нагрева, не отличающуюся от температуры окружающей среды Θ₁ т.е. τ = 0. В этом случае рассеяния теплоты в окружающую среду не происхо­дит, т.е. Sλτ dt = 0 и вся выделяемая в двигателе теп­лота идет на его нагревание. Затем, когда температура нагрева двигателя начинает превышать температуру окружающей среды, т.е. τ > 0, часть теплоты, выделяемой в двигателе, начинает рассеиваться в окружающую среду. И, наконец, когда температура нагрева машины достигает установившегося значения Θ_уст = const, вся выделяемая в машине теплота рассеивается в окружающую среду, т.е. наступает режим теплового равновесия:

q dt = Sλτ_уст dt (18.2)

где

τ_уст = Θ_уст – Θ₁ (18.3)

Из (18.2)следует, что

τ_ycm = q/ (Sλ) (18.4)

Выражение (18.4) позволяет сделать вывод:

а) установившаяся температура перегрева не зависит от мас­сы машины m, а определяется количеством теплоты q, выделяемой в ней в единицу времени, т.е. мощностью потерь электрической машины АР;

б) установившаяся температура перегрева обратно пропор­циональна площади охлаждаемой поверхности S и коэффициенту теплового рассеяния λ, т.е. зависит от интенсивности охлаждения машины; в машинах со специальными способами охлаждения (ис­кусственно вентилируемых) τ_уст меньше чем у машин с естествен­ной вентиляцией (при их одинаковой конструкции и условиях ра­боты).

Если машина включается в сеть, когда ее температура равна температуре окружающей среды Θ₁, то зависимость температуры перегрева этой машины τ от времени t выражается равенством:

τ = τ_уст (1 – е^{-t / TH} ), (18.5)

где е = 2,718 — основание натуральных логарифмов; Т_Н — постоянная времени нагревания, показывающая время (с), необходимое для нагревания машины до установившейся температуры, если бы не было теплового рассеяния с ее поверхности.

График нагревания τ = f (t), построенный по (18.5), представ­ляет собой экспоненциальную кривую, которая показывает, что машина нагревается до установившейся температуры перегрева τ_уст лишь спустя продолжительное время (рис. 18.1, а). Процесс нагревания сначала идет интенсивно, а затем, по мере приближе­ния к установившейся температуре перегрева, замедляется. Теоретически машина достигает установившейся температуры перегрева за время t = ∞. Проведя касательную к графику нагревания в его начальной части, получим отрезок, который в масштабе времени определяет постоянную времени нагревания. Таким образом, физически величину Т_Н можно рассматривать как время, в

Рис. 18.1 Графики нагревания (а) и охлаждения (б) электрической машины

те­чение которого превышение температуры достигло бы устано­вившегося значения τ_уст, если бы график нагревания представлял собой прямую линию. Принято считать, что в реальных условиях температура перегрева достигает установившегося значения за время нагревания t = (4 - 5) Т_Н.

Если машину отключить от сети, прекратив этим ее дальней­шее нагревание, то тепловое рассеяние с ее поверхности будет происходить за счет накопленной в ней теплоты. При этом темпе­ратура перегрева машины будет понижаться до τ = 0, т.е. пока температура не станет равной температуре окружающей среды. Этот процесс остывания протекает по графику охлаждения (рис. 18.1, б), построенному по уравнению:

τ = τ_уст е ^{– t / To} , (18.6)

где Т₀ — постоянная времени охлаждения, с.

Принято считать, что температура перегрева машины достигает практически нулевого значения за время охлаждения t = (4 —5)Т₀.

Таким образом, постоянные времени нагревания и охлаждения характеризуют скорость процессов. Например, машина на­гревается тем быстрее, чем меньше постоянная времени нагревания.

Итак, в процессе работы электрическая машина нагреваете, при этом для разных ее частей установлены предельно допусти­мые температуры перегрева.

Наиболее чувствительна к перегреву электрическая изоляция обмоток. Под действием температур, превышающих допустимые значения, ускоряется процесс теплового старения изоляции, ухуд­шающий ее изоляционные и механические свойства. Электроизо­ляционные материалы, применяемые в электротехнических изде­лиях, разделяются на пять классов нагревостойкости, обозначаемых А, Е, В, F и Н. В электрических машинах применяют изоляцию трех наиболее нагревостойких классов: В, F и Н. В процессе работы машины изоляция обмоток нагревается неравномерно, при этом измерение температуры нагрева в наиболее горячих точках технически невозможно. Поэтому, согласно действующему стандарту, предельные температуры нагревания изоляции обмоток принимают ниже предельно-допустимых значе­ний соответствующего класса нагревостойкости:

Чрезмерный перегрев неблагоприятно влияет и на другие части машины, например, подшипники, контактные кольца и др.

Температура нагрева какой-либо части машины Θ₂ при извест­ной температуре ее перегрева τ и температуре окружающей среды Θ₁ =40 °С:

Θ₂ = τ_уст + Θ₁ = τ_уст + 40. (18.7)

Для машин, работающих в условиях повышенных температур окружающей среды, например, в условиях металлургического производства, температуру Θ₁, принимают более 40 °С.

Режимы работы электрических машин. В соответствии с действующим стандартом, существуют три основных номиналь­ных режима работы электрических машин, различающиеся ха­рактером изменения нагрузки.

1.Продолжительный номинальный режим — когда при неиз­менной номинальной нагрузке Р_н работа машины продолжается так долго, что температура перегрева всех ее частей успевает дос­тигнуть установившихся значений τ_уст. Условное обозначение ре­жима S1. Различают продолжительный режим с неизменной нагрузкой P = const (рис. 18.2, а) и продолжительный режим с изменяющейся нагрузкой (рис. 18.2, б). Например, двигатели насосов, транспортеров, вентиляторов работают в продолжительном режиме с неизменной нагрузкой, а двигатели прокатных станов, металлорежущих станков и т. п. работают в продолжительном ре­жиме с изменяющейся нагрузкой.

2.Кратковременный номинальный режим S2 — когда периоды неизменной номинальной нагрузки чередуются с периодами включения двигателя (рис. 18.2, в). При этом, периоды нагрузки

Рис. 18.2. Номинальные режимы работы электрических машин:

а — с неизменной нагрузкой, б — с изменяющейся нагрузкой, в — кратковременный номинальный режим, г — повторно-кратковременный номи­нальный режим

двигателя t_н настолько кратковременны, что температуры перегре­ва всех частей двигателя не достигает установившихся значений, а периоды отключения двигателя настолько продолжительны, что все части двигателя успевают охладиться до температуры окру­жающей среды. Стандартом установлена длительность периодов нагрузки 10; 30; 60 и 90 мин. В условном обозначении кратковре­менного режима указывается продолжительность периода нагруз­ки, например S2 — 30 мин. В кратковременном режиме работают приводные двигатели шлюзов, разного рода заслонок и других запорных устройств, регулирующих подачу рабочего вещества (нефть, газ и др.) через трубопроводы к объекту потребления.

3) Повторно-кратковременный номинальный режим S3 - когда кратковременные периоды номинальной нагрузки двигателя t_н чередуются с периодами отключения двигателя (паузами), при­чем за период нагрузки превышение температуры всех частей не успевает достигнуть установившихся значений, а за время паузы части двигателя не успевают охладиться до температуры окру­жающей среды. Общее время работы двигателя в повторно-кратковременном режиме разделяется на периодически повто­ряющиеся циклы продолжительностью t_ц = t_н + t_п.

При повторно-кратковременном режиме график нагревания двигателя имеет вид пилообразной кривой (рис. 18.2, г). При дос­тижении двигателем установившегося значения температуры пе­регрева, соответствующего повторно - кратковременному режиму τ_уст.к температура перегрева двигателя продолжает колебаться on τ_min до τ_mах. При этом, τ_уст.к меньше установившейся температуры перегрева, которая наступила бы, если бы режим работы двигателя был продолжительным (τ_уст.к < τ_уст). Примерами повторно кратковременного режима являются работа электроприводов лифтов, подъемных кранов, экскаваторов и других устройств, для работы которых характерна цикличность (чередование периодов на грузки с паузами).

Повторно-кратковременный режим характеризуется относительной продолжительностью включения, %,

ПВ = (t_н / t_ц). (5.8)

Действующим стандартом предусмотрены номинальные повторно-кратковременные режимы с ПВ 15, 25, 40 и 60% (для продолжительного режима ПВ = 100%). В условном обозначении повторно-кратковременного режима указывают величину ПВ например, S3 — 40%.

Рассмотренные три номинальных режима считают основными. В каталогах на двигатели, предназначенных для работы в каком либо из этих режимов, указаны номинальные данные, соответствующие режиму работы.

Помимо рассмотренных трех основных режимов, стандартом предусмотрены еще пять дополнительных режимов.