Тема 8 Вибір двигунів
Лекція 15 Нагрів та охолодження двигунів
Вибір двигуна для приведення в рух якого-небудь механізму пов'язаний із забезпеченням ряду вимог, основними з яких є наступні: номінальна напруга двигуна повинна відповідати напрузі мережі; момент, що розвивається, повинен забезпечувати динамічні та статичні режими без допустимого перевищення температури; перевантажувальна здатність двигуна повинна забезпечувати роботу електропривода при короткочасних пікових навантаженнях; регулювання швидкості повинно відповідати вимогам технологічного процесу тощо. Найбільш важливою вимогою є недопустимість перегріву двигуна.
Нагрів двигуна обумовлений втратами енергії в металі, провідників силового кола, у сталі магнітної системи, у підшипниках, а також втратами на вентиляцію та додаткові втрати.
Нагрів електричної машини обмежений допустимою температурою ізоляційних матеріалів, що, у свою чергу, установлюється з необхідного терміну служби ізоляції — приблизно десять років. За допустимою температурою ізоляційні матеріали машин поділяються на шість класів від 105 до 180° С.
Максимальна робоча температура частин двигуна, яка забезпечує достатній термін служби, визначається не тільки внутрішніми тепловиділеннями, але і температурою навколишнього середовища. При тепловому розрахунку двигунів температура навколишнього середовища приймається рівною 40° С.
У розрахунках замість дійсної температури зручніше оперувати перевищенням температури t, що представляє собою різницю між температурою нагрітої машини і температурою навколишнього середовища.
Умови нагріву різних частин двигуна різні, а тому точні врахування теплових процесів у ньому дуже складні. При вивченні законів нагріву та охолодження двигунів робиться ряд припущень. Двигун розглядається як однорідне тіло з нескінченно великою теплопровідністю, тобто температура двигуна у всіх його точках приймається однаковою.
При проходженні струму теплова енергія, що виділяється в двигуні внаслідок втрат, у початковий період нагріву витрачається, головним чином, на перевищення температури окремих його частин над температурою навколишнього середовища. Починаючи з того моменту, коли кількість теплової енергії, яку виділяє двигун в одиницю часу, стане рівною кількості теплової енергії, що розсіюється за той же час у навколишнє середовище, температура електродвигуна буде зберігатися практично постійною. Ця температура називається усталеною.
Усталене перевищення температури провідників, по яких протікає струм, та інших конструктивних вузлів двигуна
t у = Q / (a S), (8.1)
де Q — кількість теплоти, яка виділяється в двигуні за одиницю часу; a — коефіцієнт тепловіддачі, що характеризує теплообмін конвекцією між двигуном і навколишнім середовищем при різниці температур Dq ; S — площа поверхні, з якої здійснюється теплообмін.
Час, протягом якого відбувається нагрів двигуна до усталеного значення t у, називається часом теплового перехідного процесу. При цьому температура змінюється за аналогічними законами електромеханічного перехідного процесу (див. тему 6) — за законами експоненти.
У будь-який момент часу t перевищення температури
t = t у (1 - е - t / Тнагр) + t0 e - t / Tнагр, (8.2)
де е = 2,718 — основа натуральних логарифмів; t0 — початкове перевищення температури двигуна над температурою навколишнього середовища; Тнагр — стала часу нагріву, протягом якого двигун нагрівся б від t = 0 до усталеного значення t у при відсутності тепловіддачі та рівномірному темпі зростання температури.
Час зміни перевищення температури від початкового до усталеного значення дорівнює нескінченності [див. (8.2)]. На рис. 8.1 представлений графік зміни t без початкового (крива 2) і з початковим t0 (крива 1) перевищенням температури. З графіка видно, що перевищення температури можна вважати усталеним при (3 ... 4) Тнагр, тому що при t = 3 Tнагр перевищення температури t = 0,95 t у, а при t = 4 Tнагр значення t = 0,98 t у. На цьому графіку показане графічне визначення Tнагр. Для цього на початку координат проведена дотична до перетинання з горизонтальною лінією t у (точка А). Відрізок між точкою А та вертикаллю з точки торкання, дорівнює сталій часу Тнагр.
Рівняння (8.2) справедливе і для процесу охолодження двигуна. У цьому випадку змінюються початкові та кінцеві умови. Якщо позначити усталене значення при охолодженні перевищення температури через t у.охл, а початкове перевищення температури нагрітого двигуна через t у.поч, то рівняння теплового процесу при охолодженні буде мати вигляд
t = t у.охл (1 - е - t / Тохл) + t у.поч e - t / Tохл, (8.3)
де Тохл — стала часу охолодження.
В окремому випадку, коли двигун охолоджується до температури навколишнього середовища, тобто t у.охл = 0, рівняння (8.2) приймає вигляд
t = t у.поч е - t / Тохл. (8.4)
Крива охолодження, що відповідає рівнянню (8.4), показана на рис. 8.2.
Внаслідок зміни умов охолодження при відключенні самовентильованих двигунів у порівнянні з робочим періодом, стала часу охолодження завжди більше сталої часу нагріву, тобто Тохл > Тнагр.
Відношення Тнагр працюючого двигуна до Тохл відключеного і нерухомого називається коефіцієнтом погіршення тепловіддачі
b0 = Tнагр / Tохл. (8.5)
Значення b0 для двигунів з різними способами охолодження дорівнюють: для закритих двигунів із природним охолодженням і з незалежною вентиляцією — 1; для закритих із зовнішньою самовентиляцією — 0,45 ... 0,55; для захищених із внутрішньою самовентиляцією — 0,25 ... 0,35.