Нагревание и охлаждение электродвигателя

В электрических машинах конструктивно сочетаются металлы и изоляция — материалы, имеющие резко отличающиеся тепловые характеристики. Металл сохраняет свои рабочие свойства при температуре до 400−500°С и выше. В то же время верхний предел допустимого нагрева изоляционных материалов, применяемых в электрических машинах, в зависимости от их класса составляет 90−180°С.

Нагрев электрических машин происходит за счет превращения потерь электрической и механической энергии в тепло. Предположим, что за время dt в электрической машине выделяется тепловая энергия (16, часть которой dO i затрачивается на повышение температуры машины, а остальная часть d6i излучается в окружающую среду. В этом случае уравнение теплового баланса имеет вид:

Полагая, что нагрузка на валу двигателя неизменна, а электродвигатель является однородным телом массой т, уравнение (10.2) можно записать:

где ЬР!А — мощность потерь, принятая постоянной на всех интервалах dt, Вт; С — теплоемкость двигателя (С=ст)_у с — удельная теплоемкость, Дж/(кг*°С); А — теплоотдача двигателя, т. е. количество тепла, отдаваемого поверхностью в окружающую среду при разности температур двигателя и окружающей среды в 1 °C, Вт/°С; 6 = 6 в_ос. — превышение температуры двигателя в^ над температурой окружающей среды в_0СУ °С.

Решение этого уравнения относительно в позволяет определить изменение температуры двигателя во времени.

е=М-

где Т"=С/А — постоянная времени нагрева, определяющая скорость нагрева двигателя; в ₀ — начальное превышение температуры двигателя над окружающей средой; = АР/А — температура нагрева при установившемся режиме, °С.

Если начальное повышение температуры в о=0, то уравнение (10.4) принимает вид

На рис. 10.5, а приведены графики где кривая 1 соответствует уравнению (10.5), когда двигатель до включения в сеть имел температуру, равную температуре окружающей среды. Кривая 2 соответствует уравнению (10.4), когда начальная температура двигателя превышает температуру окружающей среды на величину б₀— На рис. 10.5, б даны кривые, построенные по формуле (10.5) для различных нагрузок двигателя. Кривая нагрева соответствующая большей мощности Pj, достигает большей установившейся температуры, так как в этом случае в_ут1 = АР,/А > в_уст2 = ЛР₂/А из-за того, что АР, > ДР₂.

Как следует из рис. 10.5, нагрев двигателя происходит по экспоненте, при этом учитывалось, что постоянная времени нагрева T"=const.

Рис. 10.5. Кривые нагрева двигателя: а — при различных начальных температурах окружающей среды; б — при разных нагрузках двигателя.

При отключении двигателя от сети происходит охлаждение двигателя, так как АР =0. Решение уравнения (10.3) относительно превышения темпеоатуоы имеет вил:

где 0 _уС1 — температура двигателя в момент отключения его от сети; Т₀=С/А₀ — постоянная времени охлаждения; А₀ — теплоотдача неподвижного двигателя, которая может быть равна или меньше, чем у работающего двигателя: Л_о=(0,25−1, 0) А.

Номинальные режимы работы электрооборудования (двигатели, генераторы, трансформаторы и др.) обусловлены допустимым температурным режимом изоляции. Превышение нагрузки двигателей сверх номинальной приводит к росту температуры нагрева выше допустимой, а, следовательно, к сокращению срока службы двигателей, который при номинальной нагрузке составляет 15−20 лет. При расчетах температура окружающей среды принимается равной 40 °C. При этом превышение температуры нагрева двигателей (в зависимости от класса изоляции) допускается от 65 до 140 °C. Если же двигатель работает в помещении с температурой выше 40 °C, то его нагрузка должна быть ниже номинальной. При температуре окружающей среды ниже 40 °C нагрузка двигателя может превышать номинальную.