Нагревание и охлаждение двигателей

При выборе двигателя наиболее важным требованием является недопустимость перегрева.

Нагревание двигателя обусловлено постоянными и переменными потерями энергии в металле проводников силовой цепи (Р = I ²R), в стали магнитной системы, подшипниках, а также потерями на вентиляцию и добавочными потерями.

Общие потери в ЭД, обусловливающие его нагрев, определяются зависимостью 𝜂.

(4.1)

где Р – полезная мощность на валу двигателя;

𝜂 - КПД машины при данной нагрузке.

Учет всех тепловых процессов, происходящих в двигателе при нагреве, сложен. Для упрощения расчетов двигатель рассматривают 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 ЭД в единицу времени, станет равным количеству тепловой энергии, рассеиваемой за то же время во внешнюю среду, температура ЭД будет сохраняться практически постоянной. Эту температуру называют установившейся.

Уравнение теплового баланса ЭД имеет вид:

Qdt = A 𝜏 dt + Сd 𝜏 (а) (4.2)

где Q - количество теплоты (мощность потерь в двигателе), выделяемое двигателем в единицу времени Дж/сек;

А – теплоотдача двигателя – количество теплоты, отдаваемое двигателем в охлаждающую среду в единицу времени при разности температур в 1⁰С, Дж/(сек⁰С);

𝜏- превышение температуры двигателя над температурой окружающей среды, ⁰С.

𝜏 =v_д - v_с, где v_д - температура двигателя, v_с – температура среды;

С – теплоемкость двигателя – количество теплоты, необходимое для повышения температуры двигателя на 1⁰С, Дж/(сек⁰С).

Разделив члены уравнения (а ) на Аdt, получим

= 𝜏 + или 𝜏 + Тн = 𝜏_у, (б) (4.3)

где Т_{н =} С/А (сек) – постоянная времени нагрева двигателя – время, в течение которого превышение температуры от 𝜏 = 0 достигло бы установившегося значения при Q = const и отсутствия теплоотдачи в окружающую среду. Решение уравнения (б) будет:

𝜏 = 𝜏_y (1 – e^-t/Tн )+ 𝜏 ₀e^-t/Tн , (4.4)

где 𝜏_y и 𝜏₀ - соответственно конечное (установившееся) и начальное значения превышения температуры двигателя над температурой окружающей среды, если 𝜏₀ = 0 , то 𝜏 = 𝜏_y (1 – e^-t/Tн ) . (4.5)

Кривые нагрева двигателя согласно уравнениям (4.4-4.5) имеют вид

Рисунок 4.1 – Кривые нагрева двигателя

1 – кривая для 𝜏₀ >0;

2 – кривая для 𝜏₀ =0, при одной и той же нагрузке Q ₁.

3 – для уменьшенной нагрузки (𝜏₀ =0).

Если двигатель будет нагружен меньше Q ₂< Q ₁ , то этому случаю отвечает кривая 3 при 𝜏₀ =0.

Отрезок, заключенный между вертикалью из точки касания А и осью 𝜏 , равен постоянной времени нагрева Т_н . За время Т_н превышение температуры двигателя достигнет 𝜏 = 0,632 , что следует из ( 4.5 ) при t = Т_н.

Как следует из (4.4,4.5), время нагрева двигателя до установившегося режима => ∞. Практически нагрев двигателя можно считать законченным, когда превышение его температуры достигнет значения (0.095 – 0.98) 𝜏_у, что соответствует времени 3-4 Т_н.

Уравнение (4.4) справедливо и для режима охлаждения. Изменяются только конечные и начальные условия. Кривые, отображающие процесс охлаждения, имеют вид (смотри рисунок 4.2)

Рисунок 4.2 – Кривые охлаждения двигателя

Здесь кривая 1 соответствует уменьшению нагрузки, 2 и 3 – отключению двигателя от сети.

Общие положения о выборе мощности двигателей

Выбор мощности двигателей продолжительного режима работы
Выбор мощности двигателей кратковременного режима работы
Выбор мощности двигателей повторнократковременного режима работы