Механическая нагрузка и нагрев электрического двигателя

После изучения данной главы студент должен: знать

• • положения и теоретические основы нагрева двигателя;
• • методологические принципы выбора двигателя по нагреву при различных нагрузках;

уметь

• • применять теоретические знания при подборе двигателя, соответствующего нагрузке, создаваемой рабочей машиной;
• • грамотно ориентироваться в паспортных данных двигателя при его выборе; владеть
• • навыками работы с техническими справочниками по электрическим машинам;
• • спецификой выбора двигателя по нагреву при различных нагрузках.

Уравнение нагрева

Все электрические двигатели при работе нагреваются из-за потерь энергии, которые превращаются в теплоту. Потери в электродвигателе подразделяются на два вида:

1) постоянные, не зависящие от нагрузки на валу двигателя.

где АР_мех — механические потери от трения в подшипниках и ротора о воздух; АР_магн — потери на гистерезис, вихревые токи; АР_возб — потери в обмотках возбуждения двигателей постоянного тока; АР_доб — неучтенные добавочные потери (принимается 1%);

2) переменные потери, зависящие от нагрузки на двигатель.

где I — ток, потребляемый двигателем при данной нагрузке; R — активное сопротивление обмотки.

Общая сумма потерь составляет

где Q — тепловая мощность потерь в двигателе.

При постоянной нагрузке мощность, потребляемая двигателем, постоянна (Р = const), следовательно, постоянен и ток (/ = const), а следовательно, и потери постоянны (Q = const).

Электрическая машина состоит из неподвижных и вращающихся частей. Части такой машины изготавливаются из материалов, имеющих различные теплотехнические свойства.

Рассеяние теплоты с внешней поверхности двигателя при постоянном нагреве (выделении теплоты в двигателе) подчиняется законам теплового излучения, теплопроводности и конвекции. Метод расчета реального теплового процесса такого неоднородного тела, каким является двигатель, очень сложен.

Упрощенное решение этой сложной задачи возможно, если двигатель представить в виде однородного твердого тела с едиными тепловыми свойствами в любой его точке.

Для вывода уравнения нагрева двигателя сделаем ряд допущений:

• 1) полагаем, что двигатель — однородное тело;
• 2) температура окружающей среды постоянна (0_окр= const);
• 3) теплоотдача двигателя в окружающую среду прямо пропорциональна разности температур двигателя и окружающей среды

• 4) величины теплоотдачи А и теплоемкости двигателя С не зависят от температуры нагрева двигателя;
• 5) Q — dt— количество теплоты, выделяющееся в двигателе.

Тогда уравнение теплового баланса будет иметь вид

Это уравнение показывает, что количество теплоты Q, выделившееся в двигателе за время dt, равно сумме количества теплоты С • dx, израсходованной на повышение температуры тела двигателя, и количества теплоты А • т dt, рассеянной поверхностью двигателя в окружающую среду. Разделив левую и правую части на А • dt, получим или.

Обозначим как Т постоянную времени нагрева, равную С/А. Тогда уравнение нагрева примет вид.

Продифференцировав это уравнение при начальных условиях t = О, 0 = 0_нач> ^то ⁼ 0цач «0(жр> получим уравнение нагрева в общем виде:

Данное уравнение показывает, что изменение превышения температуры двигателя над температурой окружающей среды во времени т = f (t) происходит по экспоненте.

При постоянной нагрузке по истечении бесконечно большого промежутка времени, т. е. при t = получим.

Тогда уравнение нагрева примет вид.

Графическое выражение данного уравнения представлено на рис. 8.1.

Рис. 8.1. График изменения температуры и превышения температуры двигателя над температурой окружающей среды.

При т₀ = 0 = (0_нач — 0_окр) получим При t = 3T

т.е. за время t = ЗТ двигатель нагревается до установившегося значения превышения температуры с погрешностью до 5%. При времени t = АТт = = 0,98т_уст, т. е. погрешность снижается до 2%.

Постоянная времени Т — это величина, характеризующая длительность переходного теплового процесса или тепловую инерционность двигателя. Чем больше Т, тем дольше достигается т_уст.

Промышленность выпускает двигатели в различном исполнении, предназначенные для разных условий работы. Для защищенных двигателей, предназначенных для работы в пыльных или влажных помещениях, мощностью Р = 1,0-=-10 кВт, Т = 12-=-25 мин. Для закрытых двигателей той же мощности, не имеющих отверстий для охлаждения, Т = 2(Н40 мин.