3.5 Определение тепловых характеристик

Электрическая машина представляет собой сложный объект в отношении тепловыделения и математическое описание теп­ловых процессов весьма затруднено.

Учет всех явлений, определяющих тепловые процессы, кото­рые протекают в электрических машинах, представляет значи­тельные трудности, вызываемые различием свойств материалов, использованных для изготовления машины (электротехниче­ская сталь, медь, изоляция), условиями работы (детали вра­щающиеся, неподвижные) и сложностью процессов обмена теп­лотой между отдельными частями машины.

Приходится идти на упрощение пред­ставлений о тепловых процессах в электродвигателе с тем, чтобы можно было получить их математическое описание, при­годное для простейших расчетов, связанных с выбором мощно­сти. Для машин с обычной геометрией на переходные процессы, связанные с изменением скорости, теп­ловые процессы не оказывают влияния. Однако в малоинерци­онных двигателях, у которых обмотка вынесена за пределы стальной массы магнитопровода, тепловые процессы иногда при­ходится учитывать при анализе переходных процессов в при­воде.

При проектировании электропривода мощность двигателя выбирается ближай­шей большей мощностью по отношению к расчетной из выпускаемой злектромашиностроительными заводами нормальной или спепиализированной серии ( для прокатного производст­ва двигатель выбирают из серии прокатных двигателей, для кранов — из серии крано­вых двигателей и т. п.) Там, где производст­во не предъявляет специальных требований, выбирают двигатели из серии общего приме­нения.

Мощность двигателя должна быть вы­брана таким образом, чтобы он работал по возможности при температуре, близкой к допустимой для примененной в нем изо­ляции. Характеризуя мощность электродвигате­ля и электрической машины вообще, необходимо различать следующие категории мощности: номинальную длительную, крат­ковременную, мгновенную перегрузочную или отключающую.

В соответствии с условиями нагрева двигателей по действующему ГОСТ 183-74 различают три основных режи­ма их работы: длительный, повторно-крат­ковременный и кратковременный.

Д



лительный режим работы. Рабочий период работы настолько велик, что темпе­ратура двигателя достигает своего устано­вившегося значения, например у двигателей длительно работающих насосов, компрессо­ров, вентиляторов и т. п., у которых перио­ды работы измеряются часами (рисунок 4)

Рисунок 4 - Кривая изменения тем­пературы двигателя при длительном режиме работы (где t- время, t_в- время включения двигателя,  -текущая температура двигателя, _у- установившаяся температура двигателя)

Повторно-кратковременный режим ра­боты. За время работы двигатель не успе­вает нагреться до установившейся темпера­туры, а за время паузы, в течение которой он отключен от сети, охладиться до темпе­ратуры окружающей среды (рисунок 5). При продолжи­тельности цикла не более 10 мин можно в расчетах на нагрев двигателя учитывать среднюю установившуюся температуру, пренебрегая колебаниями ее за время нагрузки и пауз. Например, для двигателей ряда механизмов прокатных станов, кранов, лифтов, станков и т. п.

Рисунок 5 - Кривая изменения тем­пературы двигателя при повторно-кратковременном режиме работы (где t- время, t_kв- время включения двигателя, t_kо- время отключения двигателя,  -текущая температура двигателя, _у- установившаяся температура двигателя)

Кратковременный режим ра­боты. За время работы двигатель не успе­вает нагреться до установившейся темпера­туры, но за время паузы, в течение которой он отключен от сети, он успевает охладиться до темпе­ратуры окружающей среды, так как паузы между циклами достаточно длительны и намного дольше цикла работы (рисунок 6).



Рисунок 6 - Кривая изменения тем­пературы двигателя при кратковременном режиме работы ( где t- время, t_в- время включения двигателя, t_о- время отключения двигателя,  -текущая температура двигателя, _у- установившаяся температура двигателя)

Такой режим используют, например, при однократном передвижении задвижек в трубах, включении аварийных приборов, дви­гатели разводных мостов, пово­ротных кругов, передвижения упора нож­ниц в прокатных цехах и т. п.

Наиболее прост выбор мощности двигателя для длительного режима работы с постоянной нагрузкой и скоростью. В этом режиме работают, например, насосы, компрессоры, воздуходувки. Пуски и остановки чрезвычайно редки и, следовательно, пусковые и тормозные процессы не влияют на температуру обмоток. Поэтому номинальная мощность двигателя определяется непосредственно по усредненной статической мощности нагрузки с учетом потерь в механической передаче.

Значительно сложнее выбрать двигатель для работы в дли­тельном режиме с переменной нагрузкой, особенно с частыми разгонами и торможениями механизма и процессе работы. В этом случае уже невозможно однозначно оценить мощность двигателя. Необходим предварительный выбор номинальной мощности по статической нагрузке с учетом некоторого коэффициента, определяющего влияние динамических процессов на нагрев обмоток, а затем проверка правильности предварительного выбора по рассчитанным нагрузочным диаграммам, представляющим собой зависимости тока, момента, скорости от времени.

Производить проверку температуры обмоток построением кривых невозможно и приходится использовать более простые методы. Наиболее точную оценку правильности выбора мощности дает метод средних потерь, который исходит из того, что средние потери в двигателе не должны быть выше потерь при номинальном режиме. Тогда можно ожидать, что температура обмоток двигателя не превысит допустимую.

Длительность отдельных участков на нагрузочных диаграммах промышленного привода, как правило, не превышает нескольких минут или секунд. При длительном режиме работы пульсации температуры в весьма невелики и можно полагать, что максимальная температура в процессе отработки нагрузочной диаграммы практически не отличается от средней.

Для выбора мощности двигателя со­ставляется график нагрузки, заданный в виде I=f(t); P=f(t); Q=f(t),=f(t), каждый график разбивается на отдельные участки времени t1, t2 t3 и т. д. (рисунки 7, 8), после этого выполняется расчет по одному из следую­щих методов.

Рисунок 7 – Графики изменения скорости и тепловых потерь в двига­теле Q=f(t),=f(t) (где t_k -период работы двигателя: t₁ – разгон, t₂ – работа в установившемся режиме, t₃ – торможение, t₄ – двигатель не работает), Q_k –тепловые потери в двигателе за период t_k;  - скорость вращения двигателя)

I_ном

I

Рисунок 8 – График изменения токов в двига­теле I=f(t) (где t_k -период работы двигателя, I_k – ток двигателя за период работы двигателя, измеренный амперметром или счетчиком амперквадратчасов (в режиме разгона, вращения, реверса, торможения и т.д.)

Проверка двигателя на соответствие требованиям нагрева обычно проводится по методу эквивалентного тока (метод эквивалентной мощности использовать сложнее, так как измерить текущую мощность двигателя при работе намного труднее, чем токи).

Потери в двигателе при нагрузке, отличной от номинальной, для потерь на каждом участке графика считаем через эквивалентный ток, соответствующий средним потерям в двигателе.

I_экв= , (13)

где I_k – ток двигателя по периодам работы;

t₁, t₂, …, t_k – продолжительности периодов работы с постоянной мощностью (током); k – количество периодов работы с постоянной мощностью (током).

Проверка загрузки двигателя проводится как измерением непосредственно токов амперметрами, так и величины I²t счетчиком амперквадратчасов с засеканием времени для каждого периода работы двигателя.

Если I_ном>=I_экв, то предварительно выбранный двигатель удовлетворяет требованиям нагрева, где I_ном определяется по паспорту выбранного двигателя.

В РГР по заданному типу режима работы (длительный, кратковременный, повторно-кратковременный), сфере применения выявить основные этапы работы двигателя в полном производственном цикле, построить нагрузочную таблицу изменения I _k на каждом участке t_k (описав название этапа цикла, задав произвольно установившийся ток для этого этапа и длительность этапа) с учетом того, что суммарная длительность цикла не должна превышать 10 минут и график изменения токов в двига­теле I=f(t).

Таблица 8 - Нагрузочная таблица по току

Характе- ристика	Первый этап (например, вращение вправо	Второй этап (например, вращение влево	…	k-ый этап
Ток Ik
Длительность tk

Затем вычислить I_экв по формуле (3), сравнить с I_ном выбранного двигателя и сделать выводы о правильности выбора двигателя. При невыполнении условия I_ном>=I_экв выбрать двигатель заново с учетом требований нагрева.