Проектирование электротехнических устройств Курс лекций по электротехнике Курс лекций по теории электрических цепей Курс лекций по информатике

Проектирование и моделирование электротехнических устройств

Нагревание и охлаждение электродвигателей

 Работа электродвигателя сопровождается потерей части энергии, которая превращается в теплоту. Мощность потерь

 Р = Р(1/ - 1) (1.10)

тем больше, чем большую мощность Р развивает двигатель на валу и чем ниже его КПД. Следовательно, с ростом нагрузки температура двигателя будет возрастать и может достигнуть опасных значений.

 По нагревостойкости изоляционные материалы подразделяют на несколько классов. Так, изоляция класса А (пропитанные волокнистые материалы) допускают температуру нагрева до 1050С; класса В (материалы на основе слюды, асбеста и стекловолокна с пропиткой) – до 1300С, а те же материалы с кремнийорганическими связующими пропитками – до 1800С (класс Н).

 Указанные рабочие температуры установлены исходя из срока службы электродвигателей 15-20 лет при номинальной нагрузке. При нагрузке 1,5 номинальной двигатель выходит из строя уже через 3 часа. 

 Температура двигателя зависит не только от его нагрузки, но и от температуры охлаждающей среды. При расчетах ее принимают равной +400С. Разность между температурами двигателя и охлаждающей среды называют превышением температуры или температурой перегрева и обозначают . Например, для широко распространенной изоляции класса А допустимая температура перегрева составляет 650С.

 При расчетах процессов нагревания и охлаждения электродвигателей электрическую машину упрощенно рассматривают как однородное тело, которое равномерно нагревается и излучает теплоту в окружающую среду всей поверхностью. Перед работой двигатель имеет температуру окружающей среды, поэтому вся выделенная в нем теплота идет на повышение температуры двигателя соответственно теплоемкости С, Втс/град. Когда его температура становится выше температуры среды, начинается процесс теплоотдачи в окружающую среду. При постоянной нагрузке через некоторое время температура двигателя достигает установившегося значения, при котором вся теплота, выделяющаяся в двигателе, отдается в окружающую среду. Наступает тепловое равновесие.

 Уравнение теплового баланса электродвигателя при постоянной нагрузке имеет вид

 Pdt = Cd + Adt, (1.11)

где d - перегрев, град., соответствующий элементу времени dt, за который выделяется энергия Pdt; А – теплоотдача при нагревании, Вт/град.

 С момента наступления теплового равновесия повышение температуры двигателя прекращается (d = 0). Установившаяся температура перегрева определяется выражением

 уст = Р/А. (1.12) 

 Каждой нагрузке двигателя соответствует своя установившаяся температура. Очевидно, двигатель можно нагружать только такой мощностью, при которой установившийся перегрев его изоляции не превышает максимально допустимого значения. Эту мощность и называют номинальной.

 Из выражения (1.12) видно, что установившийся перегрев возрастает с уменьшением теплоотдачи А. Чем лучше охлаждается двигатель при работе, тем ниже установившийся перегрев. Поэтому двигатели снабжают вентиляторами и для увеличения охлаждающей поверхности применяют ребристые корпуса.

 Разделим уравнение (1.11) на Аdt и с учетом (1.12) перепишем его в виде

  (1.13)

где Ти = С/А – постоянная времени нагревания.

 Решение этого линейного дифференциального уравнения дает закон изменения температуры двигателя во времени:

  (1.14)

где нач – начальное превышение температуры, с которым двигатель начинает работать.

 Если двигатель начинает работу в «холодном» состоянии, то нач = 0 и

  (1.15)

 На рис. 1.5 приведены экспоненциальные кривые нагревания электродвигателя при постоянной нагрузке. Кривые 1 и 2 соответствуют работе двигателя с «холодного» состояния (нач = 0) при малой (1) и большой (2) нагрузках, кривая 3 – работе, когда двигатель уже имел начальное превышение температуры нач = 03.

 Кривую 3 можно рассматривать как превышение температуры двигателя в случае, если температура окружающей среды повысилась на 03 по сравнению с кривой 2. Установившаяся температура достигается практически за время (35) Ти.

 Кривые нагревания и охлаждения являются экспонентами. Установившаяся температура достигается практически за время (35) Ти (погрешность 5 и 0,5% соответственно).

 После отключения двигателя от сети выделение теплоты в нем


Рис. 1.5. Кривые нагревания и охлаждения электродвигателя 

прекращается: P = 0, уст = 0, и выражение (1.14) для процесса охлаждения примет вид

 начe-t/Tохл, (1.16)

где Тохл = С/Аохл; Аохл – теплоотдача при охлаждении.

 Кривые охлаждения двигателя приведены на рис. 1.5. Время охлаждения электродвигателя до установившейся температуры или до температуры окружающей среды tохл = (35)Тохл. Интенсивность охлаждения двигателя зависит от способа вентиляции и его скорости. В неподвижном двигателе, с самовентиляцией, условия охлаждения значительно хуже, чем во вращающемся. Поэтому постоянная охлаждения Тохл здесь в 2-3 раза больше Ти. При эксплуатации регулярные продувки и очистка поверхности двигателя от пыли увеличивают теплоотдачу и обеспечивают наиболее полное его использование.

Моделирование динамики разгона и торможения двигателя постоянного тока производилось с использованием полной модели (1) и программы «Разгон», созданной в среде MatLab. На рис.3, рис.4 приведены экранные формы программы и результаты моделирования.

Выбор электродвигателя При проектировании новых электроприводов или модернизации существующих выбирают такие серийно выпускаемые двигатели, которые обеспечивали бы наилучшее выполнение на них функций и соответствовали бы условиям работы электропривода и рабочей машины. Их паспортные данные (мощность, напряжение, ток, частота и т.д.) должны быть близки к расчетным при работе данного электропривода, а их конструктивное исполнение соответствовать способу размещения в электроприводе и условиям окружающей среды.

Построение нагрузочных диаграмм Нагрузочными диаграммами называют графические зависимости от времени, момента и мощности электропривода (иногда и тока двигателя).

Задачи выбора электродвигателя В задачу выбора электродвигателя входят: выбор рода тока и номинального напряжения; выбор номинальной частоты вращения; выбор конструктивного исполнения ; определение номинальной мощности и выбор соответствующего ей двигателя по каталогу.


На главную