Нагревание и охлаждение двигателей

Одна из задач при проектировании тяговых электроприводов — проведение поверочного расчета двигателей по условиям нагрева. В процессе эксплуатации двигателя непрерывно снижаются изоляционные свойства материалов не только из-за естественного старения, но и нагревания машины, и темп этого процесса определяется характером температурного режима.

Кроме того, в процессе работы привода изоляция двигателя не должна иметь температуру выше предельно допустимого значения даже кратковременно, так как в этом случае происходит ее разрушение.

В тех случаях, когда двигатель работает при неизменной температуре изоляции, оценить скорость процесса старения изоляции или срок службы сравнительно несложно. Известны зависимости, связывающие срок службы изоляции данного класса — время, в течение которого сохраняются заданные диэлектрические свойства, с определенным постоянным уровнем температуры в течение срока службы. На рис. 9.2, а построены графики этих зависимостей для некоторых классов изоляции, а на рис. 9.2, б показан характер зависимости скорости старения изоляции от температуры.

Чаще всего кривая зависимости срока службы от температуры Т =у (@) аппроксимируется экспонентами вида.

где R — постоянный коэффициент;

у (@) — функция, определяемая классом изоляции.

Полезно помнить простое эмпирическое правило, гласящее, что срок службы изоляции уменьшается вдвое при повышении рабочей температуры на 8… 10 °C.

Потери энергии в тяговых электроприводах реализуются в виде теплоты и вызывают нагревание всех без исключения его элементов Однако большая часть их приходится на электрическую машину, особенно тех ее частей, которые непосредственно участвуют в преобразовании электрической энергии в механическую, т. е. в обмотках, коллекторах, магнитопроводах. Возрастание температуры этих частей приводит к передаче теплоты и остальным частям двигателя.

Рис. 9.2. Кривые зависимостей Т =J[S) и d = ф (0) для изоляции различных классов Как только температура двигателя превысит температуру окружающей среды, начинается процесс теплоотдачи в окружающую среду, интенсивность которого увеличивается пропорционально разности температур.

Отключение двигателя от сети приводит к прекращению выделения теплоты в двигателе и продолжению процесса отвода запасенной теплоты в окружающую среду, т. е. идет процесс охлаждения двигателя, который прекращается после снижения температуры всех его частей до уровня температуры окружающей среды.

Анализ процессов нагревания и охлаждения существенно осложняется неоднородностью двигателя, локализацией областей тепловыделения и инерцией процессов нагревания, охлаждения и внутренней теплопередачи. Поэтому в инженерной практике используют несколько вариантов упрощенных тепловых моделей двигателя как нагреваемого тела, которые основаны на ряде допущений. Наиболее существенные для одного из них:

• • представление двигателя в качестве однородной массы с бесконечно большой внутренней теплопроводностью;
• • положение о пропорциональности зависимости между теплоотдачей и разностью температур двигателя и окружающей среды;
• • пренебрежение вариацией тепловыделения вследствие изменений сопротивления обмоток в процессах нагревания и охлаждения.

С учетом сказанного уравнение баланса тепловой энергии в двигателе А, может быть представлено в виде [8].

где АР_Ж гр — мощность потерь в двигателе, выделившихся в виде теплоты за промежуток времени с//, Вт;

Л — коэффициент теплоотдачи, Вт/°С;

С — теплоемкость двигателя, Дж/°С;

т = /°_дв -/°_ос — превышение температуры двигателя над температурой окружающей среды, °С.

Первый член правой части уравнения представляет собой количество теплоты, отдаваемое за время dt в окружающую среду; второй член правой части — количество теплоты, поглощенное за то же время массой двигателя и увеличившее температуру двигателя на с/т.

Разделив все слагаемые уравнения (9.2) на Ach, можно просто получить дифференциальное уравнение, описывающее процесс изменения превышения температуры двигателя над температурой окружающей среды:

где Т_н = С/А — постоянная времени нагрева, с;

т_уст — превышение температурой двигателя температуры окружающей среды в установившемся режиме. Для установившегося режима характерно постоянство его температуры и то, что вся теплота, выделяющаяся в двигателе, отдается в окружающую среду, а выражение (9.2) преобразуется к виду.

Отсюда вытекает, что.

Решение уравнения (9.3) имеет вид.

Таким образом, зависимость превышения температурой двигателя температуры окружающей среды т =J[t) представляет собой экспоненту, для которой характерно достижение значения 0,97т_УС1 за (3…4)Г_Н. Значения Г, изменяются в широких пределах: для двигателей небольшой мощности Т_и составляет десятки минут, для мощных двигателей возрастает до нескольких часов.

При отключении двигателя от сети (в процессе охлаждения) превышение его температурой температуры окружающей среды уменьшается, изменяясь по экспоненциальному закону, описываемому выражением

Длительность процесса охлаждения определяется, как в случае нагревания, интервалом времени t = (3-.-4)7^хя" причем существенно зависит от условий охлаждения двигателя.

В настоящее время преимущественное распространение получили тяговые двигатели с принудительной вентиляцией и с самовентиляцией (вентилятор насажен на вал двигателя); и если у первых интенсивность обдува двигателя постоянна, то у последних зависит от скорости движения транспортного средства. При этом процесс охлаждения у первых происходит и во время стоянок на остановочных пунктах, а у последних — только во время движения. Поэтому постоянная времени охлаждения двигателей с самовентиляцией существенно больше.

Более точное представление о протекающих в тяговых двигателях процессах нагревания и охлаждения дает двухмассовая их модель, в которой разделены тепловые потери в меди АР_м и в стали АР_СТ соответственно между медными и стальными массами двигателя с теплоемкостями С] и С₂. В упрощенной модели вся масса электрической машины конструктивно представляется в виде вложенных друг в друга цилиндров, внутренний из которых имитирует медную, а наружный — стальную часть двигателя. При этом в области оси медного цилиндра предусмотрено отверстие, имитирующее вентиляционные отверстия реальной машины (рис. 9.3).

Отличаясь небольшой массой по сравнению со стальной частью машины, медная часть, включающая в себя обмотки возбуждения и якоря (ротора), служит основным источником выделения теплоты в машине. Меньшая масса меди и большая доля потерь (ДР_М), приходящаяся на нее, способствуют тому, что перегрев обмоток ij выше, чем у стальных конструкций машины (т₂). Кроме того, в связи с тем, что обмотки машины уложены внутри стальных ее элементов, обладающих худшей, чем у меди теплопроводностью, да еще и покрыты изоляционными материалами, теплопроводность которых меньше, чем у стали, отвод большей части выделяющейся в обмотках теплоты производится контактным путем от меди, к стали, что нашло отражение на рис. 9.3 в виде коэффициента А12, моделирующего термическое сопротивление изоляции.

Рис. 9.3. Двухмассовая модель двигателя.

Отсутствие непосредственного контакта между сталью и медью вследствие покрытия обмоток изоляцией приводит к появлению между ними разности температур, определяемой мощностью теплового потока АР:

где т" = (0_М — 0_ОС) — превышение температурой меди температуры окружающей среды;

Тст = (0ст — 0_О с) — превышение температурой стали температуры окружающей среды.

Медь обмоток и сталь конструкции обладают довольно высокой удельной теплопроводностью, поэтому допустимо приближенно принять, что в любой момент времени температура в пределах обмотки и стали одинакова, т. е. считать теплопроводность бесконечной.

Теплоотвод с поверхности и от внутренних частей машины, осуществляемый в основном конвекцией, зависит от скорости охлаждающего воздуха v и учитывается в схеме коэффициентами Л₂ и Л. Вентилятор, как указывалось ранее, может приводиться в движение самой машиной, и тогда v = Дсо), или от специального двигателя, тогда v = const.

Используем полученную модель для анализа статических тепловых состояний двигателя при постоянных значениях мощности потерь в меди АР_м и стали ДР_СТ и соответственно Ti = const, т₂ = const. Уравнения, описывающие статическое тепловое состояние, должны отражать баланс между мощностью внутренних тепловыделений, теплового потока, направленного к каждому из тел модели, и мощностью теплоотвода:

Решение системы относительно Ti и т₂ имеет вид

и.

Рис. 9.4. Структурная схема двухмассовой тепловой модели тягового двигателя.

Статический режим работы тягового привода свойствен движению по длинному перегону с постоянным профилем пути, что характерно, например, для железнодорожного транспорта. В реальности подвижному составу других видов транспорта присущи динамические режимы, тепловые процессы в которых описываются в соответствии с уравнением баланса тепловой энергии (9.2), т. е. с учетом изменения как потерь, так и температуры элементов машины. С учетом сказанного математическая модель (9.4), описывающая переходные процессы в двухмассовом двигателе, преобразуется к виду.

Структурная схема, соответствующая модели, показана на рис. 9.4.