8.1. Общие сведения

Правильный выбор мощности электродвигателя имеет большое значение и во многом определяет первоначальные затраты и эксплуатационные расходы промышленных установок.

При применении двигателей недостаточной мощности не обеспечивается нормальная работа механизма, снижается про­изводительность, возможен быстрый выход из строя двигателя и т. п. Применение двигателей завышенной мощности ведет к увеличению расхода электроэнергии, снижению коэффициента мощности (для асинхронных двигателей), удорожанию уста­новки и т. д.

Правильно выбранный по мощности двигатель должен быть загружен мощностью, близкой к номинальной, и не должен пе­регреваться свыше допустимой температуры. Кроме того, он должен обеспечивать нормальную работу при возможных крат­ковременных перегрузках и удовлетворять условиям пуска. В подавляющем большинстве случаев выбор мощности двига­теля производится по нагреву с последующей проверкой по перегрузочной способности и по условию пуска.

Допустимая температура нагрева двигателя определяется теплостойкостью применяемых изоляционных материалов. Не­обходимо отметить, что с увеличением температуры нагрева двигателя свыше допустимой резко уменьшается срок службы изоляции, а следовательно, и срок службы двигателя. Работа двигателя с нагревом ниже допустимой температуры также не­желательна, так как при этом не будет полностью использо­ваться его мощность.

Изолирующие материалы, применяемые для электрических машин и аппаратов, разделяются по теплостойкости на сле­дующие классы:

Устанавливается также допустимое превышение темпера­туры как разность между предельно допустимой и стандартной температурой окружающей среды τ_доп ≤ θ_доп -θ_ср. Стандарт­ная температура θ_ср = 40 °С.

8.2. Нагрев и охлаждение электрических двигателей

При изучении тепловых процессов в электрическом двигателе в целях упрощения двигатель рассматривают как однородное тело и температуру в разных его точках считают одинаковой. Кроме того, считают, что теплоотдача во внешнюю среду про­порциональна превышению температуры τ. Рассмотрим, как протекают процессы нагрева и охлаждения электрического дви­гателя.

При работе двигателя в нем выделяется тепло, равное по­терям:

где Р — мощность на валу; η — к. п. д. двигателя при мощно­сти Р.

Если двигатель подключен к сети и работает с постоянной нагрузкой, то за время dt тепло, выделяемое в двигателе (Δpdt), расходуется на нагрев двигателя (Аτdt) и окружающей среды (Cdτ) и уравнение теплового баланса имеет вид

Δpdt = Cdτ + Aτdt, (8.2)

где С — теплоемкость двигателя, т. е. количество тепла, необ­ходимое для повышения его температуры на 1 °С, Дж/°С; А — теплоотдача двигателя, т. е. количество тепла, отдаваемое в окружающую среду за 1 с при разности температур в 1 °С, Дж/с-°С;

τ = θ - θ_ср превышение температуры двигателя над температурой окружающей среды, °С.

Разделив левую и правую части уравнения (8.2) на Adt, получим

Правая часть уравнения (8.3) представляет собой устано­вившееся значение превышения температуры τ_у = Δр / А, когда dτ / dt = 0, т. е. повышение температуры двигателя прекратилось и все выделяемое тепло передается в окружающую среду.

Отношение теплоемкости к теплоотдаче называется постоян­ной времени нагрева (с)

С учетом введенных обозначений, уравнение (8.2) будет иметь вид

Решая уравнения (8.5) относительно τ, получим

где τ_нач — начальное превышение температуры при t = 0. Если двигатель включен при τ_нач = 0, то

Кривые нагрева двигателя, построенные по уравнениям (8.6) и (8.7), представлены на рис. 8.1.

Для выяснения физического смысла постоянной времени нагрева Т_н предположим, что все тепло, выделяющееся в дви­гателе, идет на нагревание его, т. е. теплоотдача отсутствует (Л = 0) и в уравнении (8.2) Aτdt — 0.

В этом случае уравнение (8.2) примет вид

откуда

Таким образом, при отсутствии теплоотдачи температура и превышение температуры τ возрастают по линейному закону. Если τ = τ_у, то получим

Из последнего уравнения следует, что постоянная времени нагрева Т_и представляет собой то время, в течение которого двигатель достиг бы установившегося превышения темпера­туры, если бы не было отдачи тепла в окружающую среду (рис. 8.2). Установившееся значение превышения температуры достигается практически через проме­жуток времени, равный (3÷4)Т_H. При охлаждении электродвигателя, когда он отключен от сети, Δр = 0, по­этому можно написать

где А₀ — коэффициент теплоотдачи двигателя при охлаждении. Решив это уравнение относительно τ, получим

где Т₀ - постоянная времени охлаждения.

Таким образом, процесс охлаждения двигателя так же, как и нагрева, подчиняется экспоненциальному закону. Кривая ох­лаждения двигателя приведена на рис. 8.3.

Постоянные нагрева и охлаждения зависят от мощности, угловой скорости и конструкции двигателей.

Асинхронные двигатели открытого исполнения мощностью до 100 кВт имеют 7V— 15÷30 мин. У двигателей закрытого ис­полнения при тех же мощностях Т_н больше в 1,5—2,5 раза. Для мощных двигателей закрытого исполнения с самовентиляцией Г_н может достигать 3—6 ч, а для двигателей с независимой вентиляцией Т_н = 0,6÷1,2 ч.

Постоянная времени охлаждения для двигателей с самовен­тиляцией больше постоянной времени нагрева в 2—3 раза. Для двигателей с независимой вентиляцией

Т₀ = Т_н.