Warunki termiczne i moc znamionowa silnika

Kiedy silnik elektryczny pracuje, traci na pokrycie jaka część zużytej energii elektrycznej jest marnowana. Straty występują w rezystancji czynnej uzwojeń, w stali przy zmianie strumienia magnetycznego w obwodzie magnetycznym, a także straty mechaniczne na skutek tarcia w łożyskach i tarcia obracających się części maszyny o powietrze. Na koniec cała utracona energia jest zamieniana na energię cieplną, która jest wykorzystywana do ogrzewania silnika i rozpraszana do otoczenia.

Straty silnika są stałe i zmienne. Stałe obejmują straty stali i straty mechaniczne w uzwojeniach, w których prąd jest stały, oraz straty zmienne w uzwojeniach silnika.

W początkowym okresie po włączeniu większość wydzielanego ciepła w silniku idzie na podniesienie jego temperatury, a mniej do otoczenia. Następnie, wraz ze wzrostem temperatury silnika, coraz więcej ciepła jest przekazywane do otoczenia, aż w pewnym momencie całe wytworzone ciepło jest rozpraszane w przestrzeni.Ustala się wtedy równowaga termiczna i dalszy wzrost temperatury silnika ustaje. Ta temperatura rozgrzewania silnika nazywana jest stanem ustalonym. Temperatura w stanie ustalonym pozostaje stała w czasie, jeśli obciążenie silnika nie zmienia się.

Ilość ciepła Q wydzielanego w silniku w ciągu 1 s można wyznaczyć ze wzoru

gdzie η- sprawność silnika; P2 to moc na wale silnika.

Ze wzoru wynika, że ​​im większe obciążenie silnika, tym więcej wytwarza się w nim ciepła i wyższa jest jego temperatura stacjonarna.

Doświadczenie z eksploatacją silników elektrycznych pokazuje, że główną przyczyną ich wadliwego działania jest przegrzewanie się uzwojenia. Dopóki temperatura izolacji nie przekracza dopuszczalnej wartości, zużycie termiczne izolacji narasta bardzo powoli. Ale wraz ze wzrostem temperatury zużycie izolacji gwałtownie wzrasta. Praktycznie uwierzę, że przegrzanie izolacji o każde 8°C skraca jej żywotność o połowę. Tak więc silnik z bawełnianą izolacją uzwojeń przy obciążeniu znamionowym i temperaturze nagrzewania do 105 ° C może pracować przez około 15 lat, przy przeciążeniu i wzroście temperatury do 145 ° C silnik ulegnie awarii po 1,5 miesiąca.

Według GOST materiały izolacyjne stosowane w elektrotechnice są podzielone na siedem klas pod względem odporności na ciepło, dla każdej z nich ustalana jest maksymalna dopuszczalna temperatura (tabela 1).

Dopuszczalny wzrost temperatury uzwojenia silnika powyżej temperatury otoczenia (w ZSRR + 35 ° C jest akceptowany) dla klasy żaroodporności Y wynosi 55 ° C, dla klasy A — 70 ° C, dla klasy B — 95 ° C , dla klasy I — 145°C, dla klasy G powyżej 155°C.Przyrost temperatury danego silnika zależy od wielkości jego obciążenia i trybu pracy. Przy temperaturze otoczenia poniżej 35°C silnik może być obciążony powyżej swojej mocy znamionowej, ale tak, aby temperatura nagrzewania izolacji nie przekroczyła dopuszczalnych granic.

Charakterystyka materiału Klasa odporności na ciepło Maksymalna dopuszczalna temperatura, ° C Nieimpregnowane tkaniny bawełniane, przędze, papier i materiały włókniste z celulozy i jedwabiu Y 90 Te same materiały, ale impregnowane spoiwami A 105 Niektóre syntetyczne folie organiczne E 120 Mika, azbest i materiały z włókna szklanego zawierającego spoiwa organiczne V 130 Te same materiały w połączeniu ze spoiwami syntetycznymi i impregnatami F 155 Te same materiały, ale w połączeniu z silikonem, spoiwami organicznymi i impregnatami H 180 Mika, materiały ceramiczne, szkło, kwarc, azbest, stosowane bez spoiw lub z nieorganicznymi spoiwami G powyżej 180

Na podstawie znanej ilości ciepła B wydzielanego podczas pracy silnika można obliczyć nadwyżkę temperatury silnika τ°C powyżej temperatury otoczenia, tj. temperatura przegrzania

gdzie A jest przenoszeniem ciepła przez silnik, J / deg • s; e jest podstawą logarytmów naturalnych (e = 2,718); C to pojemność cieplna silnika, J / miasto; τО- początkowy wzrost temperatury silnika przy τ.

Temperaturę silnika w stanie ustalonym τу można uzyskać z poprzedniego wyrażenia, przyjmując τ = ∞... Wtedy τу = Q / А... Przy τо = 0 równość (2) przyjmuje postać

Następnie oznaczamy stosunek C / A do T

gdzie T jest stałą czasową ogrzewania, s.

Stała grzania to czas, w którym silnik nagrzewa się do ustalonej temperatury przy braku wymiany ciepła z otoczeniem. W obecności wymiany ciepła temperatura ogrzewania będzie mniejsza i równa

Stałą czasową można znaleźć graficznie (ryc. 1, a). Aby to zrobić, rysuje się styczną od początku współrzędnych, aż przecina się z poziomą linią prostą przechodzącą przez punkt a, odpowiadającą temperaturze ogrzewania stacjonarnego. Odcinek ss będzie równy T, a odcinek ab będzie równy czasowi Ty, w którym silnik osiągnie temperaturę stanu ustalonego τу… Zwykle przyjmuje się, że jest on równy 4T.

Stała grzania zależy od mocy znamionowej silnika, jego prędkości obrotowej, konstrukcji i sposobu chłodzenia, ale nie zależy od wielkości jego obciążenia.

Ryż. 1. Krzywe nagrzewania i chłodzenia silnika: a — graficzna definicja stałej grzania; b — krzywe grzania przy różnych obciążeniach

Jeśli silnik po nagrzaniu zostanie odłączony od sieci, to od tego momentu nie wytwarza już ciepła, ale nagromadzone ciepło dalej oddaje się do otoczenia, silnik ochładza się.

Równanie chłodzenia ma postać

a krzywa jest pokazana na ryc. 1, za.

W wyrażeniu To jest stałą czasową chłodzenia. Różni się od stałej ogrzewania T, ponieważ przenoszenie ciepła z silnika w stanie spoczynku różni się od przewodzenia ciepła z pracującego silnika.Równość jest możliwa, gdy silnik odłączony od sieci posiada wentylację zewnętrzną. Zwykle krzywa chłodzenia jest bardziej płaska niż krzywa grzania. Dla silników z zewnętrznym przepływem powietrza To jest około 2 razy większe niż T. W praktyce możemy założyć, że po przedziale czasu od 3To do 5To temperatura silnika zrówna się z temperaturą otoczenia.

Przy prawidłowym doborze mocy znamionowej silnika temperatura przegrzania w stanie ustalonym powinna być równa dopuszczalnemu przyrostowi temperatury τadd odpowiadającemu klasie izolacji drutu nawojowego. Różne obciążenia P1 <P2 <P3 tego samego silnika odpowiadają pewnym stratom ΔP1 <ΔP2 <ΔP3 i wartościom ustalonej temperatury przegrzania (ryc. 1, b). Przy obciążeniu znamionowym silnik może pracować przez długi czas bez niebezpiecznego przegrzania, natomiast przy zwiększeniu obciążenia do dopuszczalnego czasu przełączania nie będzie on większy niż t2, a przy mocy nie większy niż t3.

Na podstawie powyższego możemy podać następującą definicję mocy znamionowej silnika. Moc znamionowa silnika to moc na wale, przy której temperatura jego uzwojenia przekracza temperaturę otoczenia o wielkość odpowiadającą przyjętym normom przegrzania.