Нагрев и охлаждение электродвигателей кратко

Обновлено: 28.06.2024

Потери энергии в двигателе вызывают нагрев его отдельных частей: обмоток, магнитопроводов, подшипников. От них тепло передается к корпусу двигателя, подшипниковым щитам и др. Нагревается и изоляция обмоток: проводниковая, пазовая, междуфазовая и т. д. Срок службы изоляции определяется температурой обмоток и нагревостойкостью изоляции. По нагревостойкости изоляцию подразделяют на классы. Если температура изоляции не превышает допустимой для класса изоляции, то это условие обеспечивает при соблюдении определенных условий срок службы изоляции около 15. 20 лет. Если же температура изоляции превышает допустимую для класса температуру на 8 О С, то в соответствии с правилом Монтзингера срок службы изоляции снижается в два раза.

Предельно допустимая температура для классов изоляции равна:

класс А - 105 О С,

класс Е - 120 О С,

класс В - 130 О С,

класс F - 155 О С,

класс Н - 180 О С,

класс С > 180 О С.

Изоляцию классов А и Е в настоящее время в электродвигателях уже не применяют. Основная масса эксплуатируемых электрических машин имеет изоляцию классов В и F. Изоляцию класса Н имеют тяговые электрические машины, двигатели грузоподъёмных механизмов, в том числе применяемых в металлургической промышленности.

Номинальная мощность двигателей устанавливается из условия достижения максимально допустимого превышения температуры обмотки над температурой окружающей среды. Например, для класса В (130 О С) с учетом максимальной температуры воздуха равной 40 О С допустимое превышение равно

τ = 130 - 40 = 90 О С.

Но в случае снижения температуры окружающей среды допустимое превышение не изменяется, так как в электрических машинах с традиционным охлаждением при превышении номинальной нагрузки резко увеличивается неравномерность нагрева изоляции и снижается срок службы изоляции в отдельных местах электрической машины, что приводит к тому же результату, то есть пробою изоляции и выходу машины из строя.

Уравнение теплового баланса для электродвигателя имеет вид

где Q - количество теплоты или мощность потерь в двигателе в единицу времени, Дж/с;

А - теплоотдача двигателя - количество теплоты, отдаваемой двигателем в охлаждающую среду в единицу времени при разности температур в 1 О С, Дж/с О С;

τ - превышение температуры двигателя над температурой охлаждающей среды;

С - теплоемкость двигателя - количество теплоты необходимое для повышения температуры двигателя на 1 О С, Дж/ О С.

Решение этого уравнения относительно превышения температуры

τ = τ_У(1 - е - t / T ) + τ_Oe - t / T ,

где τ_У - установившееся превышение температуры обмотки;

Т - постоянная времени нагрева, Т = С/А;

τ_О - начальное превышение температуры обмоток двигателя над температурой охлаждающей среды.

Установившееся значение превышения температуры двигателя зависит от мощности Р₂ на его валу. На рис 8.4 приведены кривые нагревания электродвигателя при различных значениях мощности Р₂.

У серийных двигателей Т изменяется от 1 до 3. 4 часов. При отключении двигателя с самовентиляцией постоянная времени охлаждения увеличивается от 2 до 4 раз.

При отключении электродвигателя Q = 0 и

где υ_откл - превышение температуры в момент отключения, т. е. превышение температуры двигателя уменьшается по экспоненциальному закону.

Повлиять на уравнение теплового баланса и на реальное τ можно двумя путями. Первый из них это повлиять на теплоотдачу А. Этого добиваются улучшением охлаждения двигателя, усилением вентиляции, улучшением теплопроводности от наиболее нагретых частей двигателя к частям, эффективно отдающим тепло охлаждающей среде. Одним из наиболее эффективных методов усиления теплоотдачи является применение испарительного охлаждения обмоток и магнитопроводов. Проведенными исследованиями была доказана возможность удвоения габаритной мощности электродвигателя без существенного снижения её КПД. Рост теплоотдачи двигателя приводит к уменьшению постоянной времени нагрева, но и уменьшению величины установившегося превышения.

Вторым путем является заметное увеличение теплоемкости двигателя. Наиболее эффективным решением на этом пути является использование фазового перехода веществ из твердого в расплавленное состояние. Существенный рост теплоемкости двигателя приводит к росту постоянной времени нагрева, а реально достижимое превышение температуры обмоток в эксплуатационных условиях снижается.

РЕЖИМЫ РАБОТЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ

Различные условия работы производственных механизмов обуславливают различные режимы работы электроприводов, которые классифицируются на 8 режимов с условными обозначениями от S1 до S8.

S1 Продолжительный номинальный режим.

Это режим электрической машины при неизменной нагрузке, продолжающийся столько времени, что превышения температуры всех её частей достигает установившихся значений.

График продолжительного режима работы при а) постоянной и б) изменяющейся нагрузках.

S2 Кратковременный номинальный режим.

При этом режиме периоды неизменной номинальной нагрузки чередуются с периодами отключения машины. Причем за период нагрузки температура машины не достигает установившихся значений, а за период остановки все её части охлаждаются до температуры окружающей среды.

Рекомендуемые продолжительности рабочего периода равны 10, 30, 60 и 90 минут.

S3 Повторно-кратковременный номинальный режим.

В этом режиме периоды номинальной нагрузки (рабочие периоды) чередуются с периодами отключения машины (паузами), причем ни в рабочие периоды, ни за время паузы превышения температур не достигают установившихся значений.

Принято стандартное время продолжительности цикла t_Ц = t_Р + t_О равное 10 минутам и относительная продолжительность включения в процентах, обозначаемая ПВ = 15, 25, 40 и 60 %.

В режиме S3 пусковые потери практически не оказывают влияния на превышение температуры частей машины.

S4 Повторно-кратковременный номинальный режим работы с частыми пусками.

В этом режиме в отличие от режима S3 пусковые потери оказывают существенное влияние на превышение температуры частей машины. Этот режим характеризуется тремя параметрами - продолжительностью включения, числом пусков в час и коэффициентом инерции привода, причем

Нормированные значения ПВ: 15, 25, 40, 60 %.

Число пусков в час нормируется 30, 60, 120 и 240.

Коэффициент инерции - это отношение суммарного приведенного к валу двигателя момента инерции привода к моменту инерции якоря (ротора) двигателя.

Нормированные значения коэффициента инерции: 1,2; 1,6; 2.5; 4; 6,3; 10.

S5 Повторно-кратковременный номинальный режим работы с частыми пусками и электрическим торможением.

В этом режиме периоды пуска, кратковременной неизменной номинальной нагрузки и электрического торможения чередуются с периодами отключения машины, причем как рабочие периоды, так и паузы не настолько длительны, чтобы превышения температуры частей машины могли достигнуть установившихся значений. В этом режиме потери пусковые и при электрическом торможении оказывают существенное влияние на превышение температуры частей машины. Этот режим характеризуется относительной продолжительностью включения, числом пусков в час и коэффициентом инерции привода.

Относительная продолжительность включения

Нормированные значения ПВ и числа пусков в час такие же, как и в режиме S4. А из нормированных значений коэффициента инерции исключены значения FI = 6,3 и 10, но включено дополнительное значение FI = 2.

S6 Перемежающийся номинальный режим.

В этом режиме периоды номинальной нагрузки чередуются с периодами холостого хода, при которых двигатель не отключается от сети.

Продолжительность цикла не превышает 10 минут, поэтому превышения температуры частей машины не достигают установившихся значений.

Относительная продолжительность нагрузки:

где t_хх - время холостого хода.

Нормированные значения ПН = 15, 25, 40 и 60 %.

S7 Перемежающийся номинальный режим с частыми реверсами.

В этом режиме периоды реверса чередуются с периодами неизменной номинальной нагрузки.

ПН или ПВ для этого режима отсутствуют.

Данный режим характеризуется числом реверсов в час 30, 60, 120 и 240. А также коэффициентом инерции как для S5.

S8 Перемежающийся номинальный режим с двумя или более угловыми скоростями.

В этом режиме периоды с одной нагрузкой на одной угловой скорости чередуются с периодами работы на другой угловой скорости при соответствующей этой угловой скорости нагрузке. Периоды нагрузки на каждой из угловых скоростей не настолько длительны, чтобы превышения температуры частей машины могли достигнуть установившихся значений. В этом режиме потери при переходе с одной угловой скорости на другую оказывают существенное влияние на превышения температуры частей машины.

Данный режим с двумя или более угловыми скоростями характеризуется числом циклов в час, коэффициентом инерции и относительной продолжительностью нагрузки на отдельных ступенях, определяемой по формулам:

Нормированные значения числа циклов в час: 30, 60, 120 и 240.

Нормированные значения коэффициента инерции: 1,2; 1,6; 2; 2.5; 4.

Тут вы можете оставить комментарий к выбранному абзацу или сообщить об ошибке.

В процессе работы электродвигатель нагревается. Нагревание его происходит потому, что часть электрической энергии преобразуется в тепловую, которая расходуется на повышение температуры самого двигателя и нагрев окружающей среды. Эта часть электрической энергии не производит полезную работу и поэтому считается потерянной.

Так как величина тока в большинстве двигателей прямо пропорциональна мощности на валу двигателя, то чем больше будет нагрузка, тем больше будет выделение тепла и тем больше будет нагреваться двигатель.

Изменение температуры нагрева двигателя во времени происходит по экспоненциальной кривой (рис. 5.3).

класс А, тд = 378 К — те же материалы, но пропитанные жидким диэлектриком (маслом, лаком) или опущенные в трансформаторное масло;

класс Е, т;1 = 393 К — синтетические органические пленки, пластмассы (гегинакс, текстолит), изоляция эмалированных проводов па основе лаков;

класс В, тд = 403 К — материалы из слюды, асбеста н стекловолокна, содержащие органические вещества (миканит, стеклоткань, стеклотекстолит) и некоторые пластмассы с минеральным наполнением;

класс F, тд = 428 К — те же материалы в сочетании с синтетическими связующими и пропитывающими веществами повышенной теплостойкости;

класс Н, Тд = 453 К — те же материалы в сочетании с кремнийорганическими связующими и пропитывающими веществами, а также кремнийорганическая резина;

класс С, тд более 453 К — слюда, электротехническая керамика, стекло, кварц, асбест, применяемые без связующих составов или с неорганическими связующими составами.

Для электродвигателей серий ВАО, ВР, ЭДКО применяют изоляцию классов В и Н.

Теряемая в электродвигателе энергия идет на нагрев его частей. С момента пуска электродвигателя температура нагрева его постепенно повышается и достигает установившегося состояния, когда количество тепла, выделяемое электродвигателем в единицу времени, в тот же промежуток времени отдается в окружающую среду. Допустимая нагрузка электродвигателей определяется нагревом его обмоток, нормы нагрева которых зависят от рода изоляции. Изоляционные материалы, применяемые в электромашиностроении, разделяются по теплостойкости на следующие классы изоляции:

Класс 0 — непропитанные волокнистые материалы из целлюлозы и шелка.

Класс А — пропитанные волокнистые материалы из целлюлозы и шелка.

Класс В — материалы на основе слюды, асбеста и стекловолокна, применяемые с органическими связующими и пропитывающими составами.

Класс Е — синтетические органические пленки.

Класс F — материалы на основе слюды, асбеста и стекловолокна, применяемые в сочетании с синтетическими связующими и пропитывающими составами.

Класс Н — материалы на основе слюды, асбеста и стекловолокна, применяемые в сочетании с кремнийорганическими связующими и пропитывающими составами.

Класс С — слюда, керамические материалы, стекло, кварц, применяемые без связующих составов.

Наибольшая допустимая температура нагрева (°С) для изоляции класса А — 105; класса В — 130; класса F — 155; класса Н — 180; класса С — более 180.

Понижение температуры у электродвигателей с вентиляцией при холостой работе происходит интенсивнее, чем при полной остановке, так как для охлаждения внутренних частей при их вращении создаются более благоприятные условия.

Класс 0 — непропитанные волокнистые материалы из целлюлозы и шелка.

Класс А — пропитанные волокнистые материалы из целлюлозы и шелка.

Класс Е — синтетические органические пленки.

Класс С — слюда, керамические материалы, стекло, кварц, применяемые без связующих составов.

Главное меню

Судовые двигатели

Главная Электродвигатели Свойства электродвигателей Нагревание и охлаждение электродвигателей

При работе любого электродвигателя часть поступающей к тему энергии затрачивается на потери, связанные с нагревом обмоток и магнитопроводов, трением в подшипниках и вращающихся частей о воздух. Хотя потери энергии в современных электродвигателях невелики, при их работе все же выделяется значительное количество тепла, что приводит к нагреву электродвигателей. Различают постоянные и переменные потери в электрических машинах. Величина первых не зависит или мало зависит от нагрузки машины. К ним относятся потери на перемагничивание, на вихревые токи, на нагрев параллельных обмоток возбуждения и на трение (о воздух, в подшипниках, на щетках и т. п.). К переменным относят потери, пропорциональные квадрату тока нагрузки. Это потери на нагрев обмотки якоря или статора), последовательных обмоток возбуждения, коллектора и т. п. На холостом ходу нагрев машин определяется постоянными потерями. По мере загрузки машины увеличиваются переменные потери и нагрев ее повышается.

Таким образом, вопросы нагрева электродвигателей имеют большое практическое значение, так как нагревом должна определяться допустимая нагрузка электродвигателя. Температура неработающей машины равна температуре окружающего воздуха. Если машина приведена в рабочее состояние и нагрузка на ,нее постоянна, то в каждую единицу времени в ней начинают выделяться определенные порции тепла. В начальный момент работы все выделенное в машине тепло почти полностью идет на ее нагрев, при этом повышается температура машины, т. е. появляется температурный перепад ? между температурой машины и температурой окружающей среды. При появлении температурного перепада машина начинает часть выделяющегося в ней тепла отдавать окружающей среде путем конвекции, лучеиспускания и теплопроводности.

Чем выше перепад ?, тем больше тепла машина будет отдавать окружающей среде. Наконец, перепад достигает такого предельного значения ? _пр , когда все выделяемое в машине тепло станет отводиться в окружающую среду и нагрев машины прекратится, т. е. ее температура достигнет значения, предельного для данной нагрузки.

В случае, когда нагрузка на машину превышает допустимую, установившаяся температура может оказаться слишком высокой и превысит допустимую. Установившаяся температура работающей машины не должна превосходить величины, определяемой теплоемкостью ее изоляции.

Современные электроизоляционные материалы, используемые в электрических машинах, делятся на классы: А, В и др. К материалам класса А относятся хлопок, шелк и другие подобные органические материалы, пропитанные специальными лаками или маслами, различные эмали. К материалам класса В относятся материалы из слюды или асбеста, пропитанные органическими связующими составами.

Для всех изоляционных материалов классов А и В ГОСТом установлены допускаемые превышения температуры при температуре охлаждающего воздуха +35°С. Номинальная мощность электродвигателей нормируется для температуры охлаждающего воздуха до 40°С. Если кран или другой механизм предназначается для работы при температуре окружающей среды более 40°С, при выборе электродвигателей нужно учитывать это обстоятельство и вводить соответствующую (поправку, повышающую мощность электродвигателей. В качестве первого приближения можно рекомендовать следующее эмпирическое правило: учитывать повышенную температуру воздуха, увеличивая мощность выбираемого двигателя на 1% при повышении температуры воздуха на 1 ?С.

Для максимального использования (по тепловым возможностям) всех применяемых в электродвигателе материалов необходимо, чтобы при полной нагрузке его отдельные части нагревались до температур, близких к предельно допустимым. С этой же целью используется искусственное охлаждение электродвигателей, позволяющее большую часть выделяющегося при работе машины тепла отдавать окружающей среде и тем самым повышать нагрузку без опасности разрушения изоляции машины. Большинство электродвигателей, используемых для привода подъемно-транспортных машин, оборудуется самовентиляцией. Лишь электродвигатели, работающие в особо тяжелых условиях, могут иметь независимую вентиляцию. В этом случае воздух через внутренние полости машины продувается независимым вентилятором.

Напрев электрической машины характеризует зависимость вида ? = f(t). Аналитическое определение этой зависимости затруднено тем, что электрическая машина не является однородным телом. Отдельные ее части имеют различные теплоемкости, теплопроводности и теплоотдачу. Они по-разному нагреваются и по-разному отдают тепло окружающей среде. Если для упрощения принять, что электрическая машина является однородным телом, то задача определения зависимости вида ? = f(t) может быть решена следующим образом.

Предварительно примем следующие обозначения:

q — количество тепла, выделяемого в машине, кал/сек;

с — теплоемкость машины, кал/град;

А — теплоотдача машины, кал/град • сек.

За время dt в машине выделится Q=qdt калорий тепла.

где Q ₁ — тепло, затрачиваемое за время dt на нагрев машины;

Q ₂ — тепло, отданное окружающей среде за это же время. За время dt температурный перепад машины возрастет на величину d?. Следовательно,

Подставив эти выражения в уравнение (8), получим дифференциальное уравнение теплового баланса машины

Интеграл этого уравнения, решаемого относительно t,

Примем за начальные условия t = 0 и ? = ? ₀ (? ₀ — температурный перепад машины). Тогда

Теперь выражение (12) примет вид

Подставив это выражение в уравнение (11) и произведя преобразования, получим

Полученное уравнение и является аналитически выраженной зависимостью температурного перепада ? от времени t. Положив в этом уравнении t = ? , получим значение ? _пр :

Следовательно, величина предельного или установившегося перепада ? _пр , а значит, и установившаяся температура машины зависят лишь от количества тепла, выделяемого в машине за единицу времени, и от ее теплоотдачи.

Величина входящая в показатель степени в уравнении (15), имеет размеренность времени и называется постоянной времени нагревания. Эта величина от нагрузки машины не зависит и физически является тем временем, в течение которого машина достигла бы перегрева, равного предельному, при отсутствии теплоотдачи в окружающую среду. Значение постоянной времени нагревания зависит от мощности и конструктивных особенностей машины и колеблется в пределах от 1 до 4 ч. Приближенно величину постоянной времени нагревания можно определить по эмпирической формуле:

где ? ₁ , ? ₂ и ? ₃ — значения температуры машины, измеренные через равные промежутки времени ?t.

Таким образом, уравнение (15) примет вид:

Из этого уравнения вытекает, что теоретически предельный перегрев достигается машиной по истечении бесконечно большого периода времени.

Однако практически можно считать, что машина достигает предельного (установившегося) перегрева по истечении времени, равного (3?4)Т. Действительно, подставив в уравнение (18) значение t = 3Т, получим, что ? = 0,95? _пр , а при t = 4Т ? = 0,98 ? _пр

Кривая, соответствующая уравнению (18), называется экспонентой (рис. 7). Уравнению (18) соответствует кривая 1. Кривой 2 соответствует уравнение

которое можно получить, приняв ? ₀ =0. Кривые охлаждения электрических машин подобны кривым нагрева. Действительно, если выделение тепла в машине прекратится (q = 0), то уравнения (15) и (18) примут вид:

которому соответствует кривая 3, представляющая собой кривую охлаждения машины от начального перегрева до нуля.

Следует иметь в виду, что значения Т в уравнениях (19) и (20) должны быть одинаковыми, если принять электрическую машину за однородное тело. В действительности же постоянная времени нагревания вращающейся машины меньше постоянной времени охлаждения этой же машины и составляет в среднем 0,25?0,7 Т _охл .

Теплообмен – неотъемлемая часть работы электрического двигателя. Температура в его корпусе всегда повышена, что нестрашно металлическим элементам сборки, но может серьезно навредить (вплоть до полного разрушения) изоляции обмоток. Во избежание перегрева, способного привести к серьезной аварии, и применяется система охлаждения, которая обеспечивает быстрый отвод тепла и нормализует температуру электродвигателя. Чем эффективнее она работает, тем дольше прослужит оборудование без сбоев и ремонтов.

Перегрев электродвигателя и его последствия

Почему перегрев – это серьезный фактор риска? Повышенная температура внутри корпуса двигателя приводит:

к повреждению керамических компонентов, которые используются для изоляции обмоток;
высыханию пропиток;
растрескиванию изоляционных материалов;
потере диэлектрических свойств.

При негативном сценарии перегрев электродвигателя спровоцирует межвитковое замыкание, за которым последует потеря мощности и полная остановка двигателя. Чем выше будет температура по отношению к нормативной, чем дольше она будет воздействовать на элементы электродвигателя, тем быстрее будет снижаться ресурс оборудования.

Как показывает практика, в некоторых случаях повышение температуры на 10 градусов на протяжении длительного периода сократит срок службы двигателя в 2 раза. Если это превышение на 3–5–8 градусов, скорость потери ресурса снизится, но постоянный перегрев сократит срок его работы.

Самовентиляция

Устройство системы охлаждения электродвигателя может отличаться. Самый простой способ охлаждения электродвигателя – естественный, за счет отвода тепла вовне через отверстие в корпусе устройства. Такая система оправдывает себя в маломощных моделях, но недостаточна для профилактики перегрева.

Более эффективный вариант – самовентиляция. Такая система охлаждения электродвигателя реализована через нагнетание воздушного потока с помощью крыльчатки. Она увеличивает скорость отвода тепла, вырабатываемого подвижными деталями, чем предупреждает перегрев и обеспечивает нормальную работу оборудования. Устанавливается крыльчатка электродвигателя на его вал с нерабочей стороны.

Действует она по принципу ветряка, в некоторых моделях вентилятор охлаждения электродвигателя уже встроен в конструкцию ротора. Самовентиляция бывает наружной и внутренней.

Самовентиляция – простой способ профилактики перегрева и сохранения нужной температуры в корпусе устройства – оправдана в моделях, чья частота вращения ротора постоянна. Если двигателю средней или высокой мощности нужна регулировка скорости, самовентиляция нему не подойдет, только принудительное охлаждение.

Принудительное охлаждение

Принудительное охлаждение двигателя тоже использует крыльчатки вентилятора, но работает последний уже не под действием потока воздуха, а от собственного мотора. Такое исполнение отменяет зависимость интенсивности прокрутки лопастей от электрического двигателя – вентилятор обеспечивает качественный отвод тепла при любом режиме его работы (в том числе на малой частоте оборотов ротора).

Принудительное охлаждение электродвигателя незаменимо в моделях с частотным преобразователем (или альтернативными регуляторами скорости вращения ротора). Оно тоже может быть реализовано по-разному.

Самой эффективной считается схема замкнутого типа с жидкостными охладителями воздуха. В ней поток циркулирует между элементами электродвигателя и воздухоохладителем, нагнетаемый мотором вентилятора, в закрытой системе. Охладитель, кроме отвода тепла, еще и чистит воздух, что тоже положительно сказывается на работке оборудования.

Электрический двигатель синхронного типа

Контроль нагрева и охлаждения электродвигателя отличается для моделей разного типа. В синхронных устройствах, например, преимущественно используют проточный или продуваемый вариант. Как он работает:

воздух, который будет охлаждать механизмы, берется из внешней среды (рядом с местом установки электрического двигателя);
он направленно подается в корпус устройства;
нагретый поток отводится вовне.

Иногда применяется схема охлаждения электродвигателя, при которой отвод тепла производится через вентиляцию здания. В целях экономии средств воздух, нагреваемый установками высокой мощности, может применяться и для отопления других производственных или функциональных помещений (технология рекуперации).

Асинхронный электродвигатель

Температура асинхронных электродвигателей контролируется разными системами охлаждения. Здесь многое зависит от мощности устройства. Маломощные модели (мощность до 15 кВт) оснащаются наружной самовентиляцией или принудительным охлаждением. Более мощные механизмы используют схемы внутреннего охлаждения электродвигателя (часто – с замкнутым циклом, воздухоохладители при этом устанавливают и на корпус двигателя, и в фундамент под него).

Хладагенты

В некоторых случаях для повышения эффективности и ускорения отвода тепла в системе охлаждения электродвигателя воздух заменяют хладагентом. В роли последнего чаще всего выступает водород, который имеет теплоемкость в 7,1 раза выше, чем у воздушной массы.

Читайте также: