НАГРЕВ И ОХЛАЖДЕНИЕ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ

Потери энергии в двигателе вызывают нагрев его отдельных частей: обмоток, магнитопроводов, подшипников. От них тепло передается к корпусу двигателя, подшипниковым щитам и др. Нагревается и изоляция обмоток: проводниковая, пазовая, междуфазовая и т. д. Срок службы изоляции определяется температурой обмоток и нагревостойкостью изоляции. По нагревостойкости изоляцию подразделяют на классы. Если температура изоляции не превышает допустимой для класса изоляции, то это условие обеспечивает при соблюдении определенных условий срок службы изоляции около 15...20 лет. Если же температура изоляции превышает допустимую для класса температуру на 8 ^ОС, то в соответствии с правилом Монтзингера срок службы изоляции снижается в два раза.

Предельно допустимая температура для классов изоляции равна:

класс А - 105 ^ОС,

класс Е - 120 ^ОС,

класс В - 130 ^ОС,

класс F - 155 ^ОС,

класс Н - 180 ^ОС,

класс С > 180 ^ОС.

Изоляцию классов А и Е в настоящее время в электродвигателях уже не применяют. Основная масса эксплуатируемых электрических машин имеет изоляцию классов В и F. Изоляцию класса Н имеют тяговые электрические машины, двигатели грузоподъёмных механизмов, в том числе применяемых в металлургической промышленности.

Номинальная мощность двигателей устанавливается из условия достижения максимально допустимого превышения температуры обмотки над температурой окружающей среды. Например, для класса В (130 ^ОС) с учетом максимальной температуры воздуха равной 40 ^ОС допустимое превышение равно

τ = 130 - 40 = 90 ^ОС.

Но в случае снижения температуры окружающей среды допустимое превышение не изменяется, так как в электрических машинах с традиционным охлаждением при превышении номинальной нагрузки резко увеличивается неравномерность нагрева изоляции и снижается срок службы изоляции в отдельных местах электрической машины, что приводит к тому же результату, то есть пробою изоляции и выходу машины из строя.

Уравнение теплового баланса для электродвигателя имеет вид

Qdt = Aτdt + Cdτ,

где Q - количество теплоты или мощность потерь в двигателе в единицу времени, Дж/с;

А - теплоотдача двигателя - количество теплоты, отдаваемой двигателем в охлаждающую среду в единицу времени при разности температур в 1 ^ОС, Дж/с ^ОС;

τ - превышение температуры двигателя над температурой охлаждающей среды;

С - теплоемкость двигателя - количество теплоты необходимое для повышения температуры двигателя на 1 ^ОС, Дж/ ^ОС.

Решение этого уравнения относительно превышения температуры

τ = τ_У(1 - е^-t/T) + τ_Oe^-t/T,

где τ_У - установившееся превышение температуры обмотки;

Т - постоянная времени нагрева, Т = С/А;

τ_О - начальное превышение температуры обмоток двигателя над температурой охлаждающей среды.

Установившееся значение превышения температуры двигателя зависит от мощности Р₂ на его валу. На рис 8.4 приведены кривые нагревания электродвигателя при различных значениях мощности Р₂.

При t = T τ = 0,632(τ_У - τ_О).

У серийных двигателей Т изменяется от 1 до 3...4 часов. При отключении двигателя с самовентиляцией постоянная времени охлаждения увеличивается от 2 до 4 раз.

При отключении электродвигателя Q = 0 и

где υ_откл - превышение температуры в момент отключения, т. е. превышение температуры двигателя уменьшается по экспоненциальному закону.

Повлиять на уравнение теплового баланса и на реальное τ можно двумя путями. Первый из них это повлиять на теплоотдачу А. Этого добиваются улучшением охлаждения двигателя, усилением вентиляции, улучшением теплопроводности от наиболее нагретых частей двигателя к частям, эффективно отдающим тепло охлаждающей среде. Одним из наиболее эффективных методов усиления теплоотдачи является применение испарительного охлаждения обмоток и магнитопроводов. Проведенными исследованиями была доказана возможность удвоения габаритной мощности электродвигателя без существенного снижения его КПД. Рост теплоотдачи двигателя приводит к уменьшению постоянной времени нагрева, но и уменьшению величины установившегося превышения.

Вторым путем является заметное увеличение теплоёмкости двигателя. Наиболее эффективным решением на этом пути является использование фазового перехода веществ из твердого в расплавленное состояние. Существенный рост теплоёмкости двигателя приводит к росту постоянной времени нагрева, а реально достижимое превышение температуры обмоток в эксплуатационных условиях снижается.