Нагрев и охлаждение электродвигателей
В процессе работы ЭД выделяемые в нем электрические потери превращаются в тепло и нагревают ЭД. При анализе теплового состояния ЭД необходимо учитывать то, что любой ЭД может при своей работе нагреваться лишь до определенной, допустимой температуры, определяемой в первую очередь нагревостойкостью применяемых в нем изоляционных материалов. Соблюдение установленных ограничений по допустимой… Читать ещё >
Нагрев и охлаждение электродвигателей (реферат, курсовая, диплом, контрольная)
В процессе работы ЭД выделяемые в нем электрические потери превращаются в тепло и нагревают ЭД. При анализе теплового состояния ЭД необходимо учитывать то, что любой ЭД может при своей работе нагреваться лишь до определенной, допустимой температуры, определяемой в первую очередь нагревостойкостью применяемых в нем изоляционных материалов. Соблюдение установленных ограничений по допустимой температуре нагрева обеспечивает нормативный срок службы ЭД в пределах 15—20 лет. Превышение допустимых температур ведет к преждевременному разрушению изоляции обмоток и сокращению срока службы электрических машин. При этом даже малое длительное превышение допустимой температуры на 5—10% приводит к снижению срока службы изоляции в 2—3 раза.
Анализ теплового состояния ЭД позволяет оценить степень его нагрузки по мощности. Если в результате анализа установлено, что нагрев ЭД близок или равен нормативному, то это свидетельствует о хорошем использовании установленной мощности ЭД. В этом случае ЭП имеет наилучшие технико-экономические показатели работы, и в первую очередь КПД и коэффициент мощности. Если анализ покажет, что нагрев ЭД существенно меньше нормативного, то это будет говорить о недогрузке ЭД и несоответствии его мощности требуемой. Работа такого ЭП характеризуется низкими энергетическими показателями.
Таким образом, оценка теплового состояния ЭД особенно при его выборе является важной технико-экономической задачей.
При проведении анализа теплового состояния ЭД необходимо учитывать класс применяемой в нем изоляции. Изоляционные материалы, применяемые в ЭД делятся на классы нагревостойкости, представленные в табл. 14.1.
При выполнении тепловых расчетов принимается стандартная температура окружающей среды, равная 40 °C, которой соответствует номинальная мощность ЭД указанная на его щитке. При существенно более низкой температуре окружающей среды ЭД может быть нагружен несколько выше номинальной мощности, а при более высокой температуре его нагрузка должна быть снижена ниже номинальной мощности.
Таблица 14.1
Параметры нагревостойкости изоляции
№ п/п. | Класс изоляции. | Применяемый материал. | Допустимая предельная температура нагрева, °С. |
В. | Асбест, стеклянное волокно, другие неорганические материалы, связанные составами органического происхождения. | ||
F. | Асбест, стеклянное волокно, другие неорганические материалы с синтетическими связующими и пропитывающими составами модифицированными кремнеорганическими соединениями. |
№ п/п. | Класс изоляции. | Применяемый материал. | Допустимая предельная температура нагрева, °С. |
Н. | Асбест, стеклянное волокно, другие неорганические материалы в сочетании с кремнеорганическими связующими и пропитывающими составами. | ||
С. | Слюда, керамические материалы, стекло, кварц, применяемые с неорганическими связующими составами и без них. |
Точное исследование процессов нагрева и охлаждения ЭД — это сложная задача, так как ЭД представляет собой совокупность деталей и узлов различной конфигурации, выполненных из различных материалов с различной теплоемкостью и теплопередачей. Различными являются условия нагрева отдельных частей ЭД, а направление тепловых потоков зависит от режима работы ЭД.
Анализ тепловых процессов в ЭД производится в теории ЭП со следующими допущениями: ЭД рассматривается как однородное тело, имеющее бесконечно большую теплопроводность и одинаковую температуру во всех своих точках; теплоотдача во внешнюю среду пропорциональна первой степени разности температур ЭД и окружающей среды; окружающая среда обладает бесконечно большой теплоемкостью, т. е. в процессе нагрева ЭД ее температура не изменяется; теплоемкость ЭД и его коэффициент теплоотдачи не зависят от температуры ЭД.
Для определения закона изменения температуры ЭД во времени рассмотрим распределение (баланс) выделяющейся в двигателе тепловой энергии dQ за малый промежуток времени dt. Поступающее тепло делится на две части: одна часть тепла dQx отдается в окружающую среду, а другая часть dQ2 аккумулируется в ЭД вызывает его нагрев. Таким образом, уравнение теплового баланса для ЭД имеет вид.
Если выразить параметры уравнения (14.27) через тепловые параметры двигателя и время, то получим:
где ДР — потери мощности в ЭД, Вт; А — теплоотдача ЭД — количество тепла, отдаваемого ЭД в окружающую среду за 1 с при разности температур ЭД и окружающей среды 1 °C, Дж/(с-°С); С — теплоемкость ЭД — количество тепла, необходимое для повышения температуры ЭД на 1 °C, Дж/°С; x = t^B-to.c — превышение температуры двигателя Г°дв над температурой окружающей среды t° с, °С.
Теплоемкость ЭД пропорциональна его объему, а теплоотдача — площади его поверхности.
Разделим обе части уравнения (14.28) на Adt, тогда имеем:
С.
Обозначим в этом уравнении: Тн =—постоянная нагрева ЭД, с;
АР А
Т-=Т — Установившееся превышение температуры ЭДС. Перепишем уравнение (14.29) в виде.
Уравнение (14.30) при АР = const, является неоднородным дифференциальным уравнением первого порядка. Имеем его решение в виде.
где тсв — свободная составляющая процесса нагрева; тпр — принужденная составляющая процесса нагрева.
Свободная составляющая тсв определяется общим решением однородного дифференциального уравнения, получаемого из выражения (14.30):
Характеристическое уравнение (14.32) имеет вид Корень характеристического уравнения (14.33).
Поскольку корень один и отрицательный, то общий вид свободной составляющей имеет вид.
где А — постоянная интегрирования.
Для определения тпр рассматривается принужденный тепловой режим работы ЭД, т. е. когда с начала рассматриваемого процесса прошло бесконечно большое время (1 = оо) и наступил установившийся режим работы. В этом случае в уравнении (14.30) da / dt = 0 и получаем.
Подставляя (14.34) и (14.35) в уравнение (14.30), получим.
Для нахождения постоянной интегрирования задаемся начальными условиями: при 1 = 0; т = тнач. Подставляя эти условия в (14.36) имеем.
Подставляя постоянную Л в формулу (14.36), окончательно имеем для превышения температуры ЭД:
Таким образом, если для ЭД известны параметры Тн, тнач, тусг, то по уравнению (14.37) можно построить графики изменения превышения температуры во времени, т (t).
На рис. 14.3 представлены диаграммы нагрева ЭД при различных соотношениях параметров. Диаграммы нагрева 1, 2 соответствуют нагреву ЭД из состояния, когда его температура равна температуре окружающей среды, а диаграмма 3, когда ЭД не охладился до температуры окружающей среды и его начальное превышение температуры —.
^нач*.
Рис. 14.3. Диаграммы нагрева ЭД.
При принятых допущениях нагрев ЭД происходит по экспоненциальному закону, причем темп изменения т определяется постоянной времени Тн. Большей нагрузке (мощности) ЭД соответствуют большие потери мощности в ЭД и большее значение установившегося превышения температуры туст.
Диаграмма нагрева 1 (см. рис. 14.3) получена при тнач =0; АРг; туст1 = = АРг / А. Диаграмма нагрева 2 — при тнач = 0; АР2 > А; тусг2 = АР2 / А > > тусг1. Диаграмма нагрева 3 — при тнач; АР2; хуст2 = ЛР2 / А.
Время достижения превышением температуры своего установившегося значения при экспоненциальном законе его изменения теоретически бесконечно. Практически процесс нагрева можно считать установившемся, когда превышение температуры ЭД достигнет уровня (0,95н-0,98)тусг, этому соответствует время.
Таким образом, время достижения превышением температуры своего установившегося значения зависит от постоянной времени нагрева двигателя. Постоянную нагрева можно определить следующим образом: из начала координат проводится касательная к кривой нагрева (см. рис. 14.3); точка пересечения касательной с горизонталью, соответствующей хуст1 сносится на координату времени; отрезок аб в масштабе времени соответствует Гн. Если ЭД имеет постоянную нагрева Тн1 > Гн, то для этого случая кривая нагрева будет положе (см. рис. 14.3, кривая 4) и очевидно время нагрева ЭД до установившегося значения выше.
При остановке ЭД приток электрической энергии от потерь мощности прекращается, в уравнении (14.27) dQ1 = 0, и ЭД является источником передачи тепла в окружающую среду, а его температура будет снижаться. Поскольку ротор ЭД при остановке не вращается, то условия его теплоотдачи изменяются, поэтому изменяется и постоянная нагрева ЭД.
Как правило, теплоотдача ЭД при остановке А0 ухудшается. Связь между теплоотдачей ЭД при работе А и охлаждении А0 записывается в виде.
где К0 — коэффициент ухудшения теплоотдачи.
Ориентировочные значения К0 для ЭД с различной системой охлаждения представлены в табл. 14.2.
Постоянная охлаждения двигателя с учетом (14.38) определяется по формуле.
Таким образом, Т0>ТИ, так как Zcq < 1, т. е. постоянная времени охлаждения ЭД при остановке больше, чем постоянная нагрева и поэтому охлаждение ЭД происходит медленнее, чем его нагрев. Расчет охлаждения ЭД осуществляется по формуле (14.37), подставляя в нее вместо постоянной нагрева Гн постоянную охлаждения Г0.
Параметры коэффициента охлаждения ЭД
№ п/п. | Тип охлаждения ЭД. | Обозначение исполнения ЭД. | Способ охлаждения. | Коэффициент охлаждения К0 |
Закрытый с независимой вентиляцией. | Ф. | IC05 IC06 | ||
Закрытый без принудительного охлаждения. | Б. | IC00 | 0,95—0,98. | |
Закрытый самовентилируемый. | О. | IC01 | 0,45—0,55. | |
Защищенный самовентилируемый. | Н. | IC01 | 0,25—0,35. |
На рис. 14.4 показаны диаграммы охлаждения ЭД.
Графики 1, 2 соответствуют отключению ЭД от сети и остановке ротора (якоря), в этом случае превышение температуры ЭД изменяется от тнаг1 или тнаг2 до нуля. График 3 соответствует уменьшению нагрузки (мощности) ЭД, в этом случае превышение температуры ЭД уменьшается от тусг2 до хуст3. Постоянная охлаждения находится также как и при нагреве ЭД (рис. 14.4): проводится касательная из начала кривой охлаждений и определяется отрезок Ов, равный постоянной охлаждений Г0.
Рис. 14.4. Диаграммы охлаждения ЭД