6. Нагрузочные диаграммы. Нагрев и охлаждение двигателей. Режимы работы.

Нагревание и охлаждение двигателей

Нагревание двигателя обусловлено потерями энергии в металле проводников силовой цепи, в стали магнитной системы, в подшип­никах, а также потерями на вентиляцию и добавочные потери.

Нагревание электрической машины ограничено допустимой тем­пературой изоляционных материалов, которая, в свою очередь, ус­танавливается из необходимого срока службы изоляции — при­мерно десять лет. По допустимой температуре изоляционные ма­териалы машин делятся на шесть классов от 105 до 180° С.

При изучении законов нагревания и охлаждения двигателей делается ряд допущений. Двигатель рассматривается как однородное тело с бесконечно большой теплопроводностью, т. е. температура дви­гателя во всех его точках принимается одинаковой.

При прохождении тока тепловая энергия, выделяющаяся в дви­гателе вследствие потерь, в начальный период нагревания расхо­дуется главным образом на превышение температуры отдельных его частей над температурой окружающей среды. Начиная с того момента, когда количество тепловой энергии, выделяемой двига­телем в единицу времени, станет равным количеству тепловой энергии, рассеиваемой за то же время во внешнюю среду, темпе­ратура электродвигателя будет сохраняться практически постоян­ной. Эта температура называется установившейся.

Установившееся превышение температуры проводников, по которым протекает ток, и других конструктивных узлов двигателя

τ_y = Q/(aS),

где Q — количество теплоты, выделяющееся в двигателе в едини­цу времени; а — коэффициент теплоотдачи, характеризующий теп­лообмен конвекцией между двигателем и окружающей средой при разности температур ΔΘ; S — площадь поверхности, с которой осу­ществляется теплообмен.

Время, в течение которого проходит нагревание двигателя до установившегося значения т_у, называется временем теплового пе­реходного процесса.

представлен график нагрева и изменения τ без начального (кривая 2) и с начальным τо (кривая 1) превышением температуры. На этом графике показано графическое определение Т_нагр. Для этого в начале координат проведена касательная до пересечения с го­ризонтальной линией τ_у (точка А). Отрезок, заключенный между точкой А и вертикалью из точки касания, равен постоянной време­ни Т'нагр.

Кривая охлаждения, отвечающая уравнению показана на рис. Справа.

Вследствие изменения условий охлаждения при отключении са-мовентилируемых двигателей по сравнению с рабочим периодом постоянная времени охлаждения всегда больше постоянной време­ни нагревания, т. е. T_OXЛ>T_НАГР

Отношение Тнагр работающего двигателя к Т_охл отключенного и неподвижного называется коэффициентом ухудшения теплоот­дачи

β₀=T_нагр/T_охл.

Нагрузочные диаграммы и режимы работы двигателей

Законы нагревания двигателей были рассмотрены для случаев, когда статическая нагрузка двигателя с течением времени оста­валась неизменной, и превышение температуры достигало устано­вившегося значения. При охлаждении двигателя температура из­менялась до температуры окружающей среды. В действительности статическая нагрузка двигателя в процессе работы не всегда пос­тоянна и изменяется при изменении технологических параметров рабочей машины.

Для учета разнообразных условий, изменяющих статическую нагрузку двигателей, рассчитывают и строят нагрузочные диаграммы, представляющие собой график изменения во времени зна­чений мощности или момента. Основными величинами для расчета нагрузочных диаграмм являются статическая мощность Р_ст или момент М_ст на каждом этапе работы рабочей машины (производ­ственного механизма). Зависимость Р_ст и М_ст от времени работы t рабочей машины называется нагрузочной диаграммой рабочей машины. На основании нагрузочной диаграммы механизма опреде­ляется предварительная расчетная мощность двигателя.

Нагрузочная диаграмма электропривода характеризует зависи­мость вращающего момента, тока или мощности двигателя во вре­мени. При построении нагрузочных диаграмм электроприводов Учитываются особенности совместной работы двигателей и испол­нительных механизмов. Для этого необходимо знать характер изменения момента сопротивления рабочей машины и законы протекания переходных процессов в электроприводах.

Построение нагрузочной диаграммы электропривода обязательно для окончательного определения мощности двигателя, так как только с помощью диаграммы можно выявить действительные условия его работы.

Наличие в электроприводе при переходных процессах динамических моментов, а, следовательно, увеличенного против номинального значения тока вызывает увеличение потерь и, как следствие, повышение температуры двигателя. Это особенно заметно в двигате­лях, которые относительно часто находятся в переходных режимах.

Для каждой рабочей машины характерна своя нагрузочная диаграмма, которая определяется условиями ее работы. Эти на­грузочные диаграммы обусловливают различные режимы электро­приводов. Для более точных расчетов и выбора двигателей по мощности произвольные нагрузочные диаграммы приводятся к ди­аграммам, которые классифицируются на восемь номинальных ре­жимов и обозначаются SI—S8.

Продолжительный номинальный (S1) — режим ра­боты двигателя (или преобразователя) с неизменной нагрузкой, продолжающийся столько времени, что превышения температуры всех его частей достигают установившихся значений. График P(t), представленный на рис. 8-3, а, иллюстрирует режим S1.

Кратковременный номинальный (S2) — режим, при котором периоды работы двигателя с неизменной нагрузкой чередуются с периодами его отключения (остановки); при этом периоды работы не настолько длительны, чтобы превышения тем­пературы могли достигнуть установившихся значений, а периоды остановки настолько длительны, что все части его охлаждаются до температуры окружающей среды (рис.3, б). Для данного ре­жима рекомендуются продолжительности рабочего периода tраб 10, 30, 60, 90 мин.

Повторно-кратко временный номинальный (S3)— режим работы двигателя, при котором кратковременные пе­риоды tраб (рабочие периоды) с неизменной нагрузкой череду­ются с периодами отключения t₀ (паузами), причем как рабочие периоды, так и паузы не настолько длительны, чтобы превыше­ния температуры всех частей двигателя могли достигнуть устано­вившихся значений (рис. 3, в). В данном режиме работы без учета влияния пусковых потерь продолжительность рабочего цик­ла Tц не превышает 10 мин. При большом числе циклов превыше­ние температуры двигателя в рабочие периоды может достигать допустимого значения τдоп но не превышать его.

Электроприводы повторно-кратковременного режима очень распространены. К ним относятся краны, лифты, экскаваторы, подъемно-транспортные устройства. Этот режим имеет место для токарных, сверлильных, шлифовальных и других станков.

Режимы S1—S3 являются в настоящее время основными. Номинальные данные двигателей в этих режимах включаются в пас­порт и каталоги.

Режимы S4—S8 уточняют основные и помогают упростить на­грузочные диаграммы произвольных режимов. Так, представлен­ный на рис. 3, г график P(t) относится к перемежающемуся ре-жиму S6, при котором периоды работы с Tраб чередуются с периодами холостого хода двигателя tраб.х. При этом в периоды работы и холостого хода величина τ не достигает установившегося значе­ния и максимальное его значение не превышает τдоп.