Нагревание и охлаждение двигателей

Потери энергии в двигателе вызывают нагрев тех его частей, в которых они выделяются. Допустимый нагрев двигателя определяется нагревостойкостью применяемых в двигателе изоляционных материалов. Чем больше их нагревостойкость, тем меньше размеры двигателя при равной мощности (или больше мощность при равных размерах). Эти величины зависят также от способа охлаждения двигателя.

Изоляционные материалы, применяемые в электрических машинах, в зависимости от допустимой температуры нагрева делятся на классы (А, Е, В, F, H, C). Минимальная допустимая температура нагрева 105^оС, максимальная более 180^о С.

Соблюдение температурного режима обеспечивает срок службы изоляции двигателей 15-20 лет. Превышение допустимых температур ведет к разрушению изоляции и к значительному сокращению срока ее службы.

Допустимые температуры нагрева изоляции нормируются при температуре окружающей среды 40^оС и при высоте над уровнем моря до 1000 м. Естественно, что изменения параметров окружающей среды вызовет и изменения величины допустимой нагрузки двигателя. Поэтому для электрических двигателей нормируется не допустимая температура нагрева, а допустимое превышение температуры двигателя над температурой окружающей среды.

При включении двигателя и протекании по нему тока начинается нагрев тех частей двигателя, в которых выделяются потери (обмотки, коллектор, магнитопровод). Увеличение их температуры благодаря явлению теплопроводности вызывает передачу тепла другим частям двигателя – начинается процесс нагревания сложного неоднородного тела.

Как только температура двигателя превысит температуру окружающей среды, начинается процесс теплоотдачи, интенсивность которого увеличивается пропорционально разности температур двигателя и окружающей среды. Процесс нагревания заканчивается (двигатель достигает установившейся температуры), когда количество тепла, выделяющееся в двигателе, станет равным количеству тепла, отдаваемому в окружающую среду.

При выключении двигателя процесс тепловыделения прекращается, а теплоотдача в окружающую среду продолжается – идет процесс охлаждения двигателя. Этот процесс закончится при равенстве температуры двигателя и окружающей среды.

Исследовать тепловые процессы с учетом всех факторов, влияющих на них, весьма сложно и осуществимо только с помощью современной вычислительной техники. Поэтому в инженерной практике используется упрощенная тепловая модель двигателя, которая основана на следующих допущениях:

1) двигатель представляет собой однородное тело, обладающее бесконечно большой тепловодностью;

2) теплоотдача пропорциональна первой степени разности температур двигателя и окружающей среды;

3) температура окружающей среды постоянна;

4) теплоемкость двигателя, мощность потерь и теплоотдача не зависят от температуры двигателя.

При этих допущениях уравнение теплового баланса двигателя имеет вид:

(6.32)

Δ Р_дв.гр d t = A∙τ∙ d t + C d t,

где А – коэффициент теплоотдачи;

C - теплоемкость двигателя;

- превышение температуры двигателя над температурой окружающей среды.

В этом уравнении левая часть – количество энергии, выделяющееся в двигателе за время d t; первое слагаемое правой части – количество тепла, отдаваемое за то же время в окружающую среду; второе слагаемое правой части – часть тепла, поглощенная массой двигателя за то же время, что приводит к увеличению температуры двигателя на d τ.

Разделив (6.32) на A d t, получим дифференциальное уравнение нагревания двигателя:

(6.33)

,

где - постоянная времени нагрева;

- установившиеся превышение температуры двигателя над температурой окружающей среды.

Решение уравнения (6.33) имеет вид:

(6.34)

,

где τ_нач – начальное значение превышения температуры двигателя над температурой окружающей среды.

При τ_нач =0 (начало нагрева двигателя) уравнение (6.34) примет вид:

(6.35)

.

На рис. 6.5а представлены зависимости τ=f (t) и t^o=f (t) при нагревании двигателя для случая τ_нач =0. Общее время переходного процесса нагревания двигателя составляет (3÷4) Т_н. Значение Т_н в зависимости от мощности двигателя лежит в пределах от десятков минут до нескольких часов.

При выключении двигателя в процессе его охлаждения превышение температуры изменяется по закону:

(6.36)

,

Длительность процесса охлаждения [(3÷4) T_охл ] определяется величиной постоянной времени охлаждения, которая зависит от способа вентиляции. При независимой вентиляции Т_охл=Т_н, и время охлаждения двигателя такое же, как и время нагревания. Для двигателей с самовентиляцией, у которых в выключенном состоянии вентилятор не вращается, Т_охл>Т_н, и время охлаждения существенно возрастает (рис. 6.5б).

Рассмотренные тепловые процессы соответствуют случаю Δ Р_дв.гр =const, то есть продолжительной работе двигателя с постоянной нагрузкой на валу и постоянной скоростью. Но наряду с такими электроприводами существует широкий класс электроприводов, работающих с переменной нагрузкой с частыми пусками, торможениями и реверсами. В этом случае тепловыделение в двигателе изменяется во времени Δ Р_дв.гр = f (t).

Определение этой зависимости производится на основе так называемых нагрузочных диаграмм электропривода.