Проверка двигателей по нагреву прямым методом

Электрический двигатель при работе может нагреваться лишь до определенной, допустимой температуры, определяемой в пер­вую очередь нагревостойкостью применяемых изоляционных ма­териалов. Соблюдение установленных заводом-изготовителем ог­раничений по допустимой температуре нагрева, заложенных в пас­портные данные двигателя, обеспечивает нормативный срок его службы в пределах 15-20 лет. Превышение допустимой темпера­туры ведет к преждевременному разрушению изоляции обмоток и сокращению срока службы электрических двигателей. Так, превы­шение допустимой температуры нагрева на 8^о-10 ^оС сокращает срок службы изоляции класса А вдвое.

В современных двигателях применяется изоляция нескольких классов, допустимая (нормативная) температура нагрева которой составляет: класса А - до 105°С, Е - до 120°С, В - до 130°С, F - до 155°С, Н - до 180°С, С - свыше 180°С.

В настоящее время при изготовлении электрических двигателей применяется в основном изоляция классов В, F и Сущность проверки двигателя по нагреву состоит в сопоставле­нии допустимой для него температуры с его температурой при ра­боте. Очевидно, что если рабочая температура не превышает допу­стимую, то двигатель работает в допустимом тепловом режиме, и наоборот. Обычно оценивается не абсолютная температура, а так называемый перегрев τ, который представляет собой разность тем­ператур двигателя t^о и окружающей среды t^о_o.с

τ = t^о - t^о_o.c.

При выполнении тепловых расчетов берется стандартная тем­пература окружающей среды, равная 40 °С, которой соответствует номинальная мощность двигателя, указанная на его щитке. При более низкой температуре окружающей среды двигатель может быть нагружен несколько выше номинальной мощности, а при более вы­сокой температуре его нагрузка должна быть снижена или следует предпринять меры по дополнительному его охлаждению или заме­не на более мощный двигатель.

Двигатель будет работать в допустимом тепловом режиме при выполнении условия

τ_раб<τ_доп, (265)

где τ_доп - допустимый (нормативный) перегрев двигателя, опреде­ляемый классом его изоляции; τ_раб - перегрев двигателя при работе.

В качестве τ_раб при проверке выбирается средний или максималь­ный за время (цикл) работы двигателя перегрев. При ориентирова­нии на средний перегрев будет иметь место наиболее полное ис­пользование двигателя, хотя в некоторые периоды его работы пе­регрев будет превышать средний. Если же ориентироваться на мак­симальный перегрев, то рабочий перегрев двигателя всегда будет меньше нормативного, но при этом двигатель будет недоиспользо­ван по своей мощности.

Проверка условия (265) может быть выполнена прямым или кос­венными методами. Использование прямого метода предусматри­вает расчет и построение кривой перегрева τ(t) за цикл работы дви­гателя.

По этой кривой непосредственно определяются максималь­ный или средний перегревы, которые сопоставляются с допусти­мыми, и на основании этого судят о тепловом режиме двигателя. При использовании косвенных методов о нагреве двигателя судят по тем или иным косвенным показателям - потерям мощности, эк­вивалентным току, моменту или мощности.

Для использования прямого метода необходимо иметь матема­тическое описание (математическую модель) теплового режима дви­гателя. Точное описание процессов нагрева и охлаждения двига­телей является очень сложной задачей. Двигатель представляет со­бой совокупность деталей и узлов различной конфигурации, вы­полненных из различных материалов, что обусловливает и их раз­личные теплоемкости и теплопередачу. Неодинаковыми являются условия нагрева отдельных частей двигателя, а направление тепло­вых потоков зависит от режима его работы.

В связи с трудностью проведения точного анализа при иссле­довании тепловых процессов в двигателях обычно принимаются следующие допущения: двигатель рассматривается как однород­ное тело, имеющее бесконечно большую теплопроводность и оди­наковую температуру во всех своих точках; теплоотдача во вне­шнюю среду пропорциональна первой степени разности темпера­тур двигателя и окружающей среды; окружающая среда обладает бесконечно большой теплоемкостью, т.е. в процессе нагрева дви­гателя ее температура не изменяется; теплоемкость двигателя и ко­эффициент его теплоотдачи не зависят от температуры. При этих условиях можно записать следующее исходное уравнение тепло­вого баланса:

ΔPdt = Aτdt + Cdτ,

где ΔP - потери мощности в двигателе, Вт; А - теплоотдача двига­теля, Дж/(с∙°С);

С - теплоемкость двигателя, Дж/°С.

Решение уравнения теплового баланса имеет вид

τ= (τ_нач - τ_уст) е^-t/Tт + τ_уст, (266)

где τ_уст = ΔР/А - установившееся превышение температуры двига­теля, ^оС;

Т_т = С/А - тепловая постоянная времени нагрева или ох­лаждения двигателя, с; τ_нач - начальный перегрев двигателя, °С.

Выражение (266) может быть использовано для исследования теплового режима двигателя, как при его нагреве, так и при охлаж­дении. Необходимо лишь подставлять соответствующие значения τ_уст, τ_нач и соответствующую тепловую постоянную времени Т_т - на­грева или охлаждения.

Процессы нагрева и охлаждения некоторых типов двигателей могут характеризоваться различными тепловыми постоянными вре­мени. Связано это с тем, что тепловая постоянная времени, харак­теризующая процесс изменения температуры, обратно пропорцио­нальна теплоотдаче двигателя. Поэтому если при охлаждении дви­гателя, вызванном его остановом, условия его теплоотдачи изме­няются, то изменяется и постоянная времени.

Количественно ухудшение теплоотдачи характеризуется коэф­фициентом ухудшения теплоотдачи при неподвижном роторе

β₀ = А₀ /А_н, (267)

где А₀, А_н - теплоотдача соответственно при неподвижном двигате­ле и номинальной скорости его вращения.

Приведем примерные значения коэффициента β₀ для двигателей:

- с независимой вентиляцией ……………1,0;

- без принудительного охлаждения ……..0,95...0,98;

- самовентилируемых …………………..0,45...0,55;

- защищенных самовентилируемых ……..0,25...0,35.

Постоянная времени охлаждения двигателя Т₀ с учетом (267) свя­зана с постоянной времени нагрева Т_н следующим соотношением: Т₀ = T_н/β₀. Так как β₀ < 1, то Т₀ > Т_н, т.е. охлаждение неподвижного двигателя происходит медленнее, чем нагрев.

Время достижения перегревом своего устано­вившегося значения зависит от постоянной времени нагрева дви­гателя. Так как теплоемкость двигателя пропорциональна его объему, а теплоотдача - площади поверхности, то двигатели боль­шей мощности, имеющие большие габаритные размеры, имеют, как правило, и большую постоянную времени нагрева. Обычно постоянная времени нагрева лежит в пределах от нескольких ми­нут до нескольких часов.

Порядок проверки электродвигателей по нагреву прямым мето­дом состоит в следующем. По графику нагрузки двигателя опреде­ляются потери мощности на отдельных участках цикла работы и на­ходятся значения установившегося перегрева на каждом из них по формуле τ_{уст i} = ΔР_i/А_i. Далее для участков работы (нагрева) и пауз (охлаждения) двигателя определяют­ся постоянные времени нагрева и ох­лаждения. Затем по формуле (266) для каждого участка цикла строится кривая перегрева τ(t), при этом на­чальным значением τ_начi на каждом участке является конечное значение τ_{кон (i-1)} на предыдущем участке.

По построенной таким образом кривой перегрева τ(t) находится его максимальное или среднее значение и проверяется выполнение условия (266).