При работе любого электродвигателя часть поступающей к тему энергии затрачивается на потери, связанные с нагревом обмоток и магнитопроводов, трением в подшипниках и вращающихся частей о воздух.
Хотя потери энергии в современных электродвигателях невелики, при их работе все же выделяется значительное количество тепла, что приводит к нагреву электродвигателей. Различают постоянные и переменные потери в электрических машинах. Величина первых не зависит или мало зависит от нагрузки машины. К ним относятся потери на перемагничивание, на вихревые токи, на нагрев параллельных обмоток возбуждения и на трение (о воздух, в подшипниках, на щетках и т. п.). К переменным относят потери, пропорциональные квадрату тока нагрузки. Это потери на нагрев обмотки якоря или статора), последовательных обмоток возбуждения, коллектора и т. п. На холостом ходу нагрев машин определяется постоянными потерями. По мере загрузки машины увеличиваются переменные потери и нагрев ее повышается.
Таким образом, вопросы нагрева электродвигателей имеют большое практическое значение, так как нагревом должна определяться допустимая нагрузка электродвигателя. Температура неработающей машины равна температуре окружающего воздуха. Если машина приведена в рабочее состояние и нагрузка на ,нее постоянна, то в каждую единицу времени в ней начинают выделяться определенные порции тепла. В начальный момент работы все выделенное в машине тепло почти полностью идет на ее нагрев, при этом повышается температура машины, т. е. появляется температурный перепад ? между температурой машины и температурой окружающей среды. При появлении температурного перепада машина начинает часть выделяющегося в ней тепла отдавать окружающей среде путем конвекции, лучеиспускания и теплопроводности.
Чем выше перепад ?, тем больше тепла машина будет отдавать окружающей среде. Наконец, перепад достигает такого предельного значения ?пр, когда все выделяемое в машине тепло станет отводиться в окружающую среду и нагрев машины прекратится, т. е. ее температура достигнет значения, предельного для данной нагрузки.
В случае, когда нагрузка на машину превышает допустимую, установившаяся температура может оказаться слишком высокой и превысит допустимую. Установившаяся температура работающей машины не должна превосходить величины, определяемой теплоемкостью ее изоляции.
Современные электроизоляционные материалы, используемые в электрических машинах, делятся на классы: А, В и др. К материалам класса А относятся хлопок, шелк и другие подобные органические материалы, пропитанные специальными лаками или маслами, различные эмали. К материалам класса В относятся материалы из слюды или асбеста, пропитанные органическими связующими составами.
Для всех изоляционных материалов классов А и В ГОСТом установлены допускаемые превышения температуры при температуре охлаждающего воздуха +35°С. Номинальная мощность электродвигателей нормируется для температуры охлаждающего воздуха до 40°С. Если кран или другой механизм предназначается для работы при температуре окружающей среды более 40°С, при выборе электродвигателей нужно учитывать это обстоятельство и вводить соответствующую (поправку, повышающую мощность электродвигателей. В качестве первого приближения можно рекомендовать следующее эмпирическое правило: учитывать повышенную температуру воздуха, увеличивая мощность выбираемого двигателя на 1% при повышении температуры воздуха на 1 ?С.
Для максимального использования (по тепловым возможностям) всех применяемых в электродвигателе материалов необходимо, чтобы при полной нагрузке его отдельные части нагревались до температур, близких к предельно допустимым. С этой же целью используется искусственное охлаждение электродвигателей, позволяющее большую часть выделяющегося при работе машины тепла отдавать окружающей среде и тем самым повышать нагрузку без опасности разрушения изоляции машины. Большинство электродвигателей, используемых для привода подъемно-транспортных машин, оборудуется самовентиляцией. Лишь электродвигатели, работающие в особо тяжелых условиях, могут иметь независимую вентиляцию. В этом случае воздух через внутренние полости машины продувается независимым вентилятором.
Напрев электрической машины характеризует зависимость вида ? = f(t). Аналитическое определение этой зависимости затруднено тем, что электрическая машина не является однородным телом. Отдельные ее части имеют различные теплоемкости, теплопроводности и теплоотдачу. Они по-разному нагреваются и по-разному отдают тепло окружающей среде. Если для упрощения принять, что электрическая машина является однородным телом, то задача определения зависимости вида ? = f(t) может быть решена следующим образом.
Предварительно примем следующие обозначения:
? — температурный перепад, град;
q — количество тепла, выделяемого в машине, кал/сек;
с — теплоемкость машины, кал/град;
А — теплоотдача машины, кал/град • сек.
За время dt в машине выделится Q=qdt калорий тепла.
где Q1 — тепло, затрачиваемое за время dt на нагрев машины;
Q2 — тепло, отданное окружающей среде за это же время. За время dt температурный перепад машины возрастет на величину d?. Следовательно,
Подставив эти выражения в уравнение (8), получим дифференциальное уравнение теплового баланса машины
Интеграл этого уравнения, решаемого относительно t,
Примем за начальные условия t = 0 и ? = ?0 (?0 — температурный перепад машины). Тогда
Теперь выражение (12) примет вид
Подставив это выражение в уравнение (11) и произведя преобразования, получим
Полученное уравнение и является аналитически выраженной зависимостью температурного перепада ? от времени t. Положив в этом уравнении t = ? , получим значение ?пр:
Следовательно, величина предельного или установившегося перепада ?пр, а значит, и установившаяся температура машины зависят лишь от количества тепла, выделяемого в машине за единицу времени, и от ее теплоотдачи.
Величина входящая в показатель степени в уравнении (15), имеет размеренность времени и называется постоянной времени нагревания. Эта величина от нагрузки машины не зависит и физически является тем временем, в течение которого машина достигла бы перегрева, равного предельному, при отсутствии теплоотдачи в окружающую среду. Значение постоянной времени нагревания зависит от мощности и конструктивных особенностей машины и колеблется в пределах от 1 до 4 ч. Приближенно величину постоянной времени нагревания можно определить по эмпирической формуле:
где ?1, ?2 и ?3 — значения температуры машины, измеренные через равные промежутки времени ?t.
Таким образом, уравнение (15) примет вид:
Из этого уравнения вытекает, что теоретически предельный перегрев достигается машиной по истечении бесконечно большого периода времени.
Однако практически можно считать, что машина достигает предельного (установившегося) перегрева по истечении времени, равного (3?4)Т. Действительно, подставив в уравнение (18) значение t = 3Т, получим, что ? = 0,95?пр, а при t = 4Т ? = 0,98 ?пр
Кривая, соответствующая уравнению (18), называется экспонентой (рис. 7). Уравнению (18) соответствует кривая 1. Кривой 2 соответствует уравнение
которое можно получить, приняв ?0=0. Кривые охлаждения электрических машин подобны кривым нагрева. Действительно, если выделение тепла в машине прекратится (q = 0), то уравнения (15) и (18) примут вид:
которому соответствует кривая 3, представляющая собой кривую охлаждения машины от начального перегрева до нуля.
Следует иметь в виду, что значения Т в уравнениях (19) и (20) должны быть одинаковыми, если принять электрическую машину за однородное тело. В действительности же постоянная времени нагревания вращающейся машины меньше постоянной времени охлаждения этой же машины и составляет в среднем 0,25?0,7 Тохл.
|