Теория нагрева и режимы работы двигателей

Рисунок 6.3 иллюстрирует энергетическое состояние электрической машины при электромеханическом преобразовании энергии. Потребляемая из сети электрическая энергия Wo преобразуется в механическую Гм, расходуемую на преодоление момента сопротивления на валу двигателя и на ускорение двигателя. Часть электрической энергии запасается в индуктивностях обмоток двигателя в виде электромагнитной энергии W0M, в роторе двигателя Г в виде кинетической энергии WK. Тепловая составляющая энергии WT% выделяющаяся в обмотках и магнитных цепях машины, приводит к повышению температуры двигателя сверх температуры окружающей среды на значение превышения температуры т, оцениваемого теплопередачей, что в свою очередь приводит к рассеянию теплоты QTп в окружающую среду.
Вследствие неоднородности двигателя, различия теплофизических свойств входящих в него материалов, наличия узлов концентрации потерь и т. д. превышение температуры по всему объему двигателя распределяется неравномерно. Учет всех факторов, влияющих на распределение температур по всему объему двигателя, является сложной задачей. Однако при выборе двигателей по нагреву достаточно высокую для практических расчетов точность в оценке их теплового состояния дает упрощенная теория нагрева, при которой двигатель принимают за сплошное тело, обладающее бесконечно большой теплопроводностью.
Превышение температуры двигателя сверх температуры окружающей среды является функцией нагрузки Р на его валу и длительности работы с этой нагрузкой r=f(P, /). Действительно, для преодолений
полезной нагрузки Р на валу двигателя электрическая мощность сети равна Р\. Мощность потерь АР—Р\—Р будет выделяться в двигателе, преобразуясь в теплоту. Тепловое состояние двигателя можно представить, обратившись к рис. 6.3. За время dt в двигателе выделяются потери в виде теплоты
Если температура двигателя выше температуры окружающей среды, то теплопередача в окружающую среду составит
где А — теплоотдача двигателя, равная количеству теплоты, отдаваемой двигателем в окружающую среду в единицу времени (Вт/°С) при превышении его температуры над температурой окружающей среды т=1°С.
Для повышения теплоотдачи двигателей их часто выполняют с развитой ребристой поверхностью, улучшают условия теплоотдачи путем . обдува поверхности и т. д.
Действительный процесс нагрева двигателей имеет сложный характер, так как различны теплопроводности воздушного зазора и материалов конструкции двигателя — железа, меди, изоляции. Кроме того, потери энергии в токоведущих частях и магнитопроводах двигателя также неравномерны вследствие различных электромагнитных явлений — глубины проникновения полей, поверхностного эффекта и т. д. Учет всех явлений, влияющих на процесс нагрева двигателя, распределение в нем тепловых полей затруднителен. Для качественного представления физических явлений в двигателе при нагреве его считают однородным телом с теплоемкостью г, Дж/(кг°С). Для нагрева двигателя массой т сверх температуры окружающей среды на di требуется количество теплоты
dQ=tnc dr.          (6.8)
Сумма количества теплоты от теплопередачи в окружающую среду (6.7) и количества теплоты, приводящей к повышению температуры двигателя (6.8), будет равняться количеству теплоты, выделяемой за счет потерь в двигателе (6.6), где ДР/Л=Туст — установившееся при AP=const превышение температуры двигателя (dx/dt=0); между теплотой, выделяемой потерями, и теплопередачей в окружающую среду установлено равенство Qn= =Qtu; mclA=Tu — постоянная нагрева двигателя, равная времени нагрева двигателя на величину туСт при отсутствии теплопередачи в окружающую среду, QTn=0.
При адиабатическом процессе температура изменяется по линейному закону dx/dt=>AP/mc=const.
Для двигателей мощностью более 1 кВт значение Ти изменяется от нескольких минут до нескольких часов, причем с увеличением номинальной мощности двигателей Г„ возрастает.
Следует отметить, что в двигателях с самовентиляцией постоянная нагрева зависит от скорости, функцией которой является теплопередача.
Полученное уравнение (6.10) аналогично (5.5), и его решение можно записать аналогично (5.9)
где Тцач - начальное превышение температуры двигателя над температурой окружающей среды.
По приведенному закону (6.11) будут осуществляться нагрев и остывание двигателей, графики этих процессов представлены соответственно на рис. 6.4.
При iAP=const экспоненциальная функция превышения температуры двигателя над температурой окружающей среды достигает своего установившегося значения туст за время t^3TB. Критерием правильности выбора двигателя по'нагреву будет соотношение
где Тдоп—допустимое превышение температуры выбранного двигателя, которое он имел бы при длительной нагрузке, равной номинальной.
Естественно, что допустимое повышение температуры двигателя зависит как от типа изоляции обмоток двигате-i ля, так и от температуры окружающей среды. Указанные в паспорте двигателя его номинальные параметры соответствуют температуре окружающей среды tокр=40?С. Выделяемые при номинальной нагрузке двигателя потери оцениваются номинальным значением ДРНом-Допустимые значения превышения температуры двигателей с различными классами изоляции приведены в табл. 6.1; они соответствуют приблизительно десятилетнему сроку службы двигателей.