Нагревание и охлаждение двигателя

Понятия о статике и динамике электропривода.

Электродвигатель, механическая передача и рабочая машина механически соединены между собой и образуют совместно движующуюся систему.

Основное положение динамики электропривода: при движении системы электродвигатель – рабочая машина движущий момент всегда уравновешивается моментами сил сопротивления движению, т. е.

М _дв = М _с + М _дин,

где М _дв – вращающий момент двигателя;

М _с – статический момент сопротивления (создаётся всеми видами сил – силы молекулярного сцепления обрабатываемого материала, силы трения, силы притяжения к земле перемещающихся масс);

М _дин – динамический момент (создаётся силами инерции движущихся масс электропривода; возникают при изменеии скорости движения).

Если система движется с постоянной частотой вращения, то силы инерции отсутствуют, т. е. М _дин = 0,а М _дв = М _с.

При пуске системы скорость движущихся частей увеличивается, а всякое изменение скорости вызывает силы инерции масс этих частей. При увеличении частоты вращения силы инерции, создающие М _дин, будут направлены навстречу действию вращающего момента:

М _дв = М _п = М _с + М _дин,

Это же наблюдается при увеличении частоты вращения системы, когда нагрузка на двигателе уменьшается.

При уменьшении частоты вращения электропривода, что соответствует увеличению нагрузки, вращающиеся массы стремятся сохранить прежнюю частоту вращения, поэтому силы инерции направлены на поддержание движения

М _дв = М _с – М _дин,

При отключении двигателя от электросети М _дв = 0, но система мгновенно не остановится, а будет продолжать вращаться за счет М _дин по инерции

М _с = М _дин.

Процессы движения электропривода, соответствующие пуску, остановке, изменению нагрузки, являются неустановившимися процессами, т. к. протекают при изменении скорости вращения. Этот процесс продолжается до наступления равновесия М _дв = М _с.

 

Определение времени переходного процесса (пуск, торможение, разгон).

Из уравнения основного движения электропривода определяем временя переходного процесса.

М _дв = М _с + М _дин;

М _дин = Jdω / dt =(GD ² /4 g 30) dn/dt = GD ² dn /375 dt

Откуда М _дв = М _с + GD ² dn /375 dt

Для определения времени переходных режимов проинтегрируем уравнение:

dt = GD ² dn /375(М _дв – М _с); t ₁.₂ = GD ² dn /375(М _дв – М _с);

При пуске, когда n₁ = 0

t _п = GD ² n_ном /375(М_п – М_с) = GD ² n_ном /375 М _дин

где n_ном – номинальная частота вращения двигателя по окончании разгона

(М_п – пусковой вращающий момент.

При пуске вхолостую М_с = 0

t _п = GD ² n_о /375 М_п; n_о – частота вращения х.х.

При замедлении

– (М _дв + М _с) = GD ² dn /375 dt

Если GD ² = const, М _дв = const, М _с = const

t _з = GD 2(n ₁ – n ₂)/375(М _дв + М _с);

Время остановки (n ₂ = 0) при отключении двигателя от сети (М _дв = 0)

t _ост = GD ² n₁ /375 М_с

Длительность переходного процесса определяется электромеханической постоянной времени Т _м

Т _м = GD ² n_о /375 М_кр; М _кр – критический момент

На практике t = (3…4) Т _м.

Ускорение переходного процесса, как следует из формул, может быть осуществлено путем снижения махового момента электродвигателя, специальные электродвигатели с пониженным маховым моментом имеют большую длину ротора (якоря) и меньший диаметр. Иногда вместо одного двигателя на одном валу устанавливают два половинной мощности каждый.

 

 

Нагревание и охлаждение двигателя

В процессе преобразования электрической энергии в механическую в двигателе происходит потеря части энергии, которая выделяется в виде тепла и вызывает повышение температуры отдельных его частей над температурой окружающей среды.

Электрическая машина представляет собой сложную конструкцию, в которой используются различные материалы (медь, сталь, изоляция). Условия их нагревания не одинаковы, так как зависят от расположения источников выделения тепла и системы охлаждения машины. Тепловые расчеты сложны и трудоемки.

Для приближенных расчетов тепловых режимов работы двигателя его рассматривают как однородное тело с бесконечно большой теплопроводностью, т. е. считают, что температура в любой точке машины одинаковая и отдаваемое тепло пропорционально первой степени разности температур машины и окружающей среды.

Если полезная мощность двигателя Р, а коэффициент полезного действия η, то потери Δ р будут равны:

Предположим, что двигатель подключен к сети и работает с постоянной нагрузкой. Тогда условие теплового равновесия для переходного процесса

Δ рdt = C d + A dt,

где Δ pdt – тепло, выделяемое в двигателе за время dt; Δ р – потери тепла, выделяемые в двигателе в единицу времени, Вт или Дж/с; C d – часть тепла, идущая на повышение температуры двигателя; Аτ dt – тепло, передаваемое в окружающую среду; С – теплоемкость двигателя, т.е. количество тепла, необходимое для повышения температуры на 1°С, Дж/град; А – теплоотдача двигателя – количества тепла, выделяемого в окружающую среду в единицу времени при разности температур в 1°С, Дж/с·град; τ – превышение температуры двигателя над температурой окружающей среды, град.

Разделив правую и левую части на А dt, получим

Это линейное дифференциальное уравнение первого порядка с постоянной правой частью, которая в данном случае определяет установившееся значение превышения температуры:

Отношение теплоемкости к теплоотдаче называется постоянной времени нагрева Т, с:

Тогда

Характеристическое уравнение имеет корень ,

откуда р = – 1/ Т. Тогда τ = kе ^{– t / T}.

Постоянная интегрирования находится из начальных условий t = 0; τ = τ_нач. Тогда τ_нач = k + τ_уст, или k = τ_уст – τ_нач.

Подставляя значение k и группируя члены, получаем

В частном случае τ_нач = 0; τ = τ_уст(1 – е^{– t / T}).

Таким образом, нагрев двигателя происходит по экспоненциальному закону (рис.).

Изменение во времени превышения температуры двигателя
над температурой окружающей среды:

а – при разных мощностях нагрузки (Р _ном); б – при его охлаждении

 

Конечное значение τ = τ_уст не зависят от τ_нач, а только от р и А. Температуру двигателя можно считать установившейся при t = 4 Т.

Постоянная времени нагрева – важный параметр, так как характеризует скорость протекания тепловых процессов. Чем больше Т, тем медленнее происходит нагрев. Значение Т зависит от мощности, частоты вращения, исполнения двигателя и изменяется от 10÷15 мин для двигателей малой мощности до 4÷5 ч для двигателей большой мощности. Величина Т больше у закрытых двигателей.

При отключение двигателя от сети происходит его охлаждение и р = 0 (рис. б).

;

,

где А_о – теплоотдача неподвижного двигателя; Т _о = С/А_о – постоянная времени охлаждения; t = 4 Т _о.

При неподвижном двигателе ухудшается теплоотдача и значение Т _о возрастает. При работе двигателя с переменной нагрузкой Т _о будет изменяться. Если двигатель выбран правильно, то максимальная температура изоляции обмоток может достичь допустимо значения, но не должна превышать его.

Номинальные режимы работы электрооборудования обусловлены допустимым температурным режимом изоляции.

Изоляционные материалы по теплостойкости разделяются на семь классов.

 

Классы изоляции имеют предельно допустимую температуру:

Y…..90°С

А…..150°С

Е…..120°С

В…..130°С

Н…..155°С

F…..180°С

С….. более 180°С

 

Класс Y – непропитанные волокнистые материалы из целлюлозы и шелка;

А – пропитанные волокнистые материалы из целлюлозы и шелка;

Е – синтетические органические пленки;

В – материалы на основе слюды, асбеста, стекловолокна, применяемые с органическими связывающими и пропитывающими составами;

F – материалы на основе слюды, асбеста, стекловолокна, применяемые в сочетании с синтетическими связывающими и пропитывающими составами;

Н – материалы на основе слюды, асбеста, стекловолокна, применяемые в сочетании с кремнийорганическими материалами и пропитывающими составами;

С – слюда, керамические материалы, стекло, кварц, применяемые без связывающих составов.

В современных электрических машинах применяются материалы классов Е, В, F, реже – класса Н.

Превышение нагрузки двигателей сверх номинальной (20% и выше) приводит к росту температуры нагрева выше допустимой, что приводит к сокращению срока службы двигателей.

 

ВЫБОР ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ

 

Создание современной высокопроизводительной рабочей машины обеспечивается совместными усилиями машиностроителей, электротехников, электромехаников и инженеров химических специальностей. Проектирование ЭП ведется по техническому заданию, в котором указываются особенности технологических процессов и условия работы исполнительного механизма РМ: статический момент М _С, диапазон и плавность регулирования скорости, требуемые механические характеристики, условия пуска и торможения, число включений в час и др. В любом случае электропривод должен удовлетворять всем технико- экономическим показателям и одновременно быть надёжным и простым в эксплуатации.

Этому в большинстве случаев подходит асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором.

Синхронный двигатель используется в приводах производственных машин средней и большой мощности, работающих в продолжительном режиме с редкими пусками и неизменной частотой вращения (мощные насосы, компрессоры и др.).

Двигатели постоянного тока используются в тех случаях, когда в процессе работы привода необходимо изменять частоту вращения в широких пределах.

На основе технико-экономического анализа решается комплекс вопросов. При выборе двигателя необходимо знать:

- наименование и тип механизма;

- мощность двигателя, если режим работы продолжительный с постоянной

нагрузкой или нагрузочные диаграммы, если нагрузка переменная;

- двигатель должен быть проверен на возможность пуска и перегрузочную

способность;

- род тока (переменный или постоянный);

- величину напряжения (24. 36, 60, 110, 220, 380В, свыше 11 кВ для мощных

двигателей, получающих питание от индивидуальных трансформаторов и

др.);

- номинальную скорость;

- диапазон изменения частоты вращения;

- качество регулирования частоты вращения (плавное, ступенчатое);

- число включений в час;

- конструктивное исполнение в зависимости от характера окружающей

среды;

- схему управляющего устройства, выбор его аппаратуры и элементов защиты от аварийных ситуаций.

Заключительной опера­цией проектирования является оценка экономичности выбранного ЭП. Практически все эти вопросы решаются совместно. Наиболее сложным и важным является выбор электродвигателя, при котором определяется его мощность по заданным нагрузочным диаграммам.

 

Нагрузочные диаграммы и номинальные режимы
электродвигательного устройства

 

Работа ЭП под нагрузкой в двигательных и тормозных режимах характеризуется нагревом ЭД. Диаграммы, которые позволяют установить соответствие выбираемого двигателя условиям нагрева в приводе, выражаются зависимостями P (t)или M (t)за полный цикл работы t _ци называются нагрузочными диаграммами электропривода. Они получаются либо экспериментально, либо при проектировании в результате расчетов и графических построений.

Нагрузочные диаграммы ЭП имеют разный характер, учитывающий как статические, установившиеся режимы работы, так и динамические, переходные режимы. Так, например, из диаграмм P (t)и М (t)(рис.), относящихся к асинхронному ЭП вентиляторного механизма, видно, что привод должен работать в течение времени t _р = t _п + t _руи иметь паузу t ₀,а его продолжи­тельность включения

ПВ = [ t _Р / (t _Р + t ₀)]100%.

Мощность потерь энергии Δ P (t)указывает на нагрев ЭД, вели­чина которого ограничивает его номинальную нагрузку.

По нагрузочным диаграммам P (t)и М (t)производится окон­чательная проверка предварительно выбранного ЭД на нагрев и допустимые механические перегрузки с учетом номинальных режимов ЭД. Согласно ГОСТ электродвигатели изготавливают для работы по условиям нагрева: в номинальных режимах от S 1до S 8, что позволяет наиболее точно выбрать ЭД по установленной мощности.

Нагрузочная диаграмма электропривода с механическим тормозом

 

Покажем три наиболее часто встречающихся номинальных режима (рис. 6): S 1– продолжительный (рис. a); S2 – кратковременный (рис. б) и S3 – повторно-кратковременный (рис. в). Зависимости мощностей нагрузок Р,потерь мощности Δ Р и температур перегрева ЭДУ θв функции времени t характеризуют эти режимы достаточно полно.

Нагрузочные диаграммы основных номинальных режимов:
а – S 1, б – S 2, в – S 3

 

В повторно-кратковременном номинальном режиме работы S 3продолжительность цикла не превышает 10 мин, и режим характеризуется стандартной относительной продолжительностью включения ПВ 15, 25, 40 и 60%.