Файл: Электрооборудование и автоматизация сельскохозяйственных агрегатов и установок учеб. пособие.pdf

Кроме предельно допустимого нагрева изоляции, важным условием выбора мощности двигателя для привода рабочей машины является

которые в силу большой инерционности тепловых процессов не вызы­ вают повышения температуры изоляции, но двигатель должен разви­ вать момент, способный преодолеть возникшую перегрузку. Возмож­ ные перегрузочные моменты привода обычно задаются, поэтому выбор двигателя по условию перегрузочной способности сводится к проверке:

где Л?с — максимально возможный момент рабочей машины;

обладают двигатели с последовательным возбуждением вследствие усиления магнитного потока последовательной обмоткой. Перегрузоч­ ная способность асинхронных двигателей ограничена величиной крити­ ческого момента (Як = 1,7—2,2).

17.2. НАГРЕВАНИЕ И ОХЛАЖДЕНИЕ ДВИГАТЕЛЯ

Источниками тепла в двигателе являются обмотки, по которым проходит ток, сталь магнитопровода и подшипники. Тепловая энергия в этих частях возникает в результате потерь.

Условия нагревания частей двигателя неодинаковы вследствие различного расположения их от источников тепла и разнородности материалов, из которых они выполнены. Поэтому при рассмотрении процессов нагрева двигатель следовало бы представлять как систему нескольких однородных тел, нагревающихся в результате взаимного теплообмена. Например, медная или алюминиевая обмотка в силу потерь, пропорциональных квадрату тока нагрузки, нагревается быстрее, чем сталь, масса которой больше, а потери меньше. В резуль­ тате между этими частями возникает перепад температур, вызывающий теплообмен. Если нагрузка двигателя не изменяется, то через некоторое время процессы теплообмена стабилизируются, и разность между температурами отдельных частей двигателя уменьшится.

С целью упрощения рассмотрения тепловых процессов в двигате­ лях нагревание реального двигателя заменяют с некоторыми допуще­ ниями нагревом однородного твердого тела, все точки которого имеют одинаковую температуру, а отдача тепла в окружающую среду проис­ ходит по всей поверхности равномерно.

Количество электрической энергии, которое превращается в тепло

228

Часть энергии, которая будет поглощаться телом и способствовать его перегреву, то есть превышению его температуры над температурой окружающей среды (воздуха), пропорциональна удельной теплоем­ кости и массе тела:

где с — удельная теплоемкость, то есть количество тепла, необхо­ димое для нагревания единицы массы данного тела на 1 °С, Дж/град;

G — масса тела, кг; Ат — перегрев, °С.

Смомента возникновения перегрева начинается отдача тепла телом

вокружающую среду за счет теплопроводности, конвекции и луче­ испускания. В реальных условиях для рабочих температур в пределах 90—120 °С тепло, отдаваемое двигателем в окружающую среду (воз: дух) всеми тремя видами теплоотдачи, характеризуют к о э ф ф и ц и ­

е н т о м т е п л о о т д а ч и k^. Физически этот коэффициент пред­ ставляет собой мощность, отдаваемую с единицы поверхности охлаж­ дения при разности температур между поверхностью и воздухом в 1 °С. Величина коэффициента теплоотдачи зависит от условий охлаж­ дения, в частности от вентиляции.

При естественной вентиляции двигателей (без обдува) величина kT, по опытным данным, составляет 6—15 Вт/м2 -град. Следовательно,

Таким образом, полагая промежуток времени нагрева малым

Впервый момент нагревания, пока перегрев dx — 0, выделяющаяся

втеле энергия идет на повышение его температуры. С момента возник­ новения перегрева начнется отдача тепла в окружающую среду и будет происходить тем интенсивнее, чем больше перегрев. Через некоторый промежуток времени перегрев достигнет такой величины (Ату), при которой вся выделяющаяся в теле энергия будет рассеиваться в окру­ жающую среду. Повышение температуры тела прекратится, а процесс нагрева будет установившимся. В связи с тем, что в установившемся режиме нагрева вся энергия потерь рассеивается телом в окружаю­ щую среду, уравнение теплового баланса будет иметь вид:

229

Из уравнения (17-6) видно, что установившаяся температура пере­ грева Ату определяется мощностью потерь и теплоотдачей с поверх­ ности тела и не зависит ни от теплоемкости, ни от массы его.

Чтобы определить характер зависимости повышения температуры тела во время процесса нагрева, начиная с момента, когда t — 0, а тем­ пература тела не отличается от окружающей среды (Ат = 0), уравне­ ние теплового баланса (17-4) решают относительно т.

Разделив переменные, получают:

cGd (Ат)

l A P —k j S A т-

Произведя дальнейшие математические операции, окончательно получают:

Таким образом, повышение температуры тела в процессе нагрева происходит по экспоненциальному закону. Полученное выражение Ат = / (() называют уравнением кривой нагрева (рис. 102).

При отсутствии отдачи тепла в окружающую среду уравнение теплового баланса приобретает вид:

Откуда

(17-10)

Следовательно, при отсутствии рассеяния тепла в окружающую среду температура нагрева тела изменяется по закону прямой. Под­ ставляя в полученное выражение значение установившегося перегрева

(17-6), найдем t:

Величина T представляет собой время, в течение которого превы­ шение температуры тела достигнет установившегося значения при отсутствии отдачи тепла в окружающую среду.

230

В соответствии с принятыми допущениями полученные зависимости для однородного тела могут быть отнесены к реальным двигателям при введении соответствующих поправок. Однако, как показывает опыт, кривые нагрева т = / (t) отдельных частей двигателей (обмотки, сталь, подшипники и др.), полученные опытным путем, мало отли­ чаются от расчетных. Поэтому полученные теоретические выводы вполне применимы для практических расчетов.

Постоянные времени нагрева двигателей, как видно из (17-11), не зависят ни от мощности потерь, ни от нагрузки, а определяются

конструктивными данными двигателя и условиями теплоотдачи, то есть

22 мин. В неподвижном состоянии этих же двигателей постоянная времени возрастает до 40—100 мин.

Из уравнения кривой нагрева видно, что температура нагрева двигателя достигнет установившегося значения за бесконечно большое время работы t — оо. Практически рост температуры прекращается после нагрева в течение t = 4 -н 5 Т.

Постоянная времени нагрева имеет важное практическое значение, так как ее величина характеризует скорость протекания тепловых

231