Vytápění a chlazení elektromotorů

Velký význam má správné stanovení výkonu elektromotorů pro různé obráběcí stroje, mechanismy a stroje. Při nedostatečném výkonu nelze plně využít výrobní možnosti stroje, provést plánovaný technologický postup. Pokud je výkon nedostatečný, elektromotor předčasně selže.

Přeceňování výkonu elektromotoru vede k jeho systematickému podbíjení a v důsledku toho neúplnému využití motoru, jeho provozu s nízkou účinností a malým účiníkem (u asynchronních motorů). Také při nadhodnocování výkonu motoru se zvyšují kapitálové a provozní náklady.

Výkon potřebný k provozu stroje, a tedy výkon vyvíjený elektromotorem, se během provozu stroje mění. Zatížení elektromotoru lze charakterizovat grafem zatížení (obr. 1), což je závislost výkonu z hřídele motoru, jeho momentu nebo proudu na čase.Po dokončení zpracování obrobku se stroj zastaví, obrobek se změří a obrobek se vymění. Nakládací plán se pak znovu opakuje (při zpracování dílů stejného typu).

Aby byl zajištěn normální provoz při takové proměnlivé zátěži, musí elektromotor vyvinout během zpracování nejvyšší požadovaný výkon a nepřehřívat se při nepřetržitém provozu v souladu s tímto rozvrhem zátěže. Přípustné přetížení elektromotorů je dáno jejich elektrickými vlastnostmi.

Rýže. 1. Načtěte plán při obrábění stejného typu dílů

Když motor běží, energetické (a výkonové) ztrátyzpůsobí jeho zahřátí. Část energie spotřebované elektromotorem se spotřebuje na ohřev jeho vinutí, na ohřev magnetického obvodu hystereze a vířivé proudy nesoucí tření a vzduchové tření. Tepelné ztráty vinutí, úměrné druhé mocnině proudu, se nazývají proměnné (ΔРtrans)... Zbývající ztráty v motoru závisí trochu na jeho zatížení a běžně se nazývají konstanty (ΔРpos).

Přípustné zahřívání elektromotoru je určeno nejméně tepelně odolnými materiály jeho konstrukce. Tento materiál je izolací jeho cívky.

K izolaci elektrických strojů se používají:

• bavlněné a hedvábné tkaniny, příze, papír a vláknité organické materiály, které nejsou impregnovány izolačními hmotami (třída tepelné odolnosti U);

• stejné materiály, impregnované (třída A);

• syntetické organické filmy (třída E);

• materiály z azbestu, slídy, sklolaminátu s organickými pojivy (třída B);

• stejné, ale se syntetickými pojivy a impregnačními prostředky (třída F);

• stejné materiály, ale se silikonovými pojivy a impregnačními činidly (třída H);

• slída, keramika, sklo, křemen bez pojiv nebo s anorganickými pojivy (třída C).

Třídy izolace U, A, E, B, F, H resp. umožňují maximální teploty 90, 105, 120, 130, 155, 180 °C. Mezní teplota třídy C přesahuje 180 °C a je omezena vlastnostmi použité materiály.

Při stejném zatížení elektromotoru bude jeho ohřev při různých teplotách okolí nerovnoměrný. Návrhová teplota t0 prostředí je 40°C. Při této teplotě se určují jmenovité výkonové hodnoty elektromotorů. Nárůst teploty elektromotoru nad okolní teplotu se nazývá přehřátí:

Použití syntetické izolace se rozšiřuje. Zejména křemíkové křemíkové izolace zajišťují vysokou spolehlivost elektrických strojů při provozu v tropických podmínkách.

Teplo vznikající v různých částech motoru ovlivňuje ohřev izolace v různé míře. Mezi jednotlivými částmi elektromotoru navíc probíhá výměna tepla, jejíž charakter se mění v závislosti na podmínkách zatížení.

Rozdílné zahřívání jednotlivých částí elektromotoru a přenos tepla mezi nimi komplikuje analytické studium procesu. Proto se pro jednoduchost podmíněně předpokládá, že elektromotor je tepelně homogenní a nekonečně teplo vodivé těleso. Obecně se má za to, že teplo uvolněné elektromotorem do okolí je úměrné přehřátí.V tomto případě je tepelné záření zanedbáváno, protože absolutní teploty ohřevu motorů jsou nízké. Uvažujte proces ohřevu elektromotoru za daných předpokladů.

Při práci v elektromotoru se po dobu dt uvolňuje teplo dq. Část tohoto tepla dq1 je absorbována hmotou elektromotoru, v důsledku čehož se zvyšuje teplota t a přehřívání τ motoru. Zbývající teplo dq2 se uvolňuje z motoru do okolí. Tak lze zapsat rovnost

S rostoucí teplotou motoru se zvyšuje teplo dq2. Při určité hodnotě přehřátí bude do okolí odevzdáno tolik tepla, kolik se uvolní v elektromotoru; pak dq = dq2 a dq1 = 0. Teplota elektromotoru se přestane zvyšovat a přehřátí dosáhne stacionární hodnoty τу.

Za výše uvedených předpokladů lze rovnici napsat takto:

kde Q je tepelný výkon způsobený ztrátami v elektromotoru, J/s; A — přenos tepla z motoru, tzn. množství tepla uvolněného motorem do okolí za jednotku času při rozdílu teplot mezi motorem a okolím 1oC, J / s-deg; C je tepelná kapacita motoru, tzn. množství tepla potřebného ke zvýšení teploty motoru o 1 °C, J / st.

Oddělení proměnných v rovnici máme

Integrujeme levou stranu rovnosti v rozsahu od nuly do nějaké aktuální hodnoty času t a pravou stranu v rozsahu od počátečního přehřátí τ0 elektromotoru do aktuální hodnoty přehřátí τ:

Řešením rovnice pro τ získáme rovnici pro ohřev elektromotoru:

Označme C / A = T a určeme rozměr tohoto poměru:

Rýže. 2. Křivky charakterizující ohřev elektromotoru

Rýže. 3. Stanovení časové konstanty ohřevu

Nazývá se veličina T, která má rozměr času ohřevu časové konstanty elektromotoru. V souladu s tímto zápisem lze rovnici ohřevu přepsat jako

Jak můžete vidět z rovnice, když dostaneme — hodnotu přehřátí v ustáleném stavu.

Při změně zatížení elektromotoru se mění velikost ztrát a tím i hodnota Q. To vede ke změně hodnoty τу.

Na Obr. 2 ukazuje topné křivky 1, 2, 3 odpovídající poslední rovnici pro různé hodnoty zatížení. Když τу překročí hodnotu přípustného přehřátí τn, je nepřetržitý provoz elektromotoru nepřijatelný. Jak vyplývá z rovnice a grafů (obr. 2), je nárůst přehřátí asymptotický.

Když do rovnice dosadíme hodnotu t = 3T, dostaneme hodnotu τ, která je přibližně jen o 5 % menší než τy. Během doby t = 3T lze tedy proces ohřevu prakticky považovat za ukončený.

Pokud v libovolném bodě topné křivky (obr. 3) nakreslíte tečnu k topné křivce, pak stejným bodem nakreslete vertikálu, pak segment de asymptoty, uzavřený mezi tečnou a vertikálou, na stupnici osy úsečky se rovná T. Pokud v rovnici vezmeme Q = 0, dostaneme rovnici chlazení motoru:

Křivka ochlazování znázorněná na Obr. 4, odpovídá této rovnici.

Časová konstanta ohřevu je dána velikostí elektromotoru a formou jeho ochrany před okolními vlivy. U otevřených a chráněných elektromotorů s nízkým výkonem je doba ohřevu 20-30 minut. U uzavřených vysokovýkonných elektromotorů dosahuje 2-3 hodin.

Jak bylo uvedeno výše, uvedená teorie ohřevu elektromotoru je přibližná a je založena na hrubých předpokladech. Experimentálně naměřená topná křivka se proto výrazně liší od teoretické. Pokud pro různé body experimentální topné křivky platí konstrukce znázorněná na Obr. 3 se ukazuje, že hodnoty T rostou s rostoucím časem. Všechny výpočty provedené podle rovnice by proto měly být považovány za přibližné. Při těchto výpočtech je vhodné použít konstantu T určenou graficky pro počáteční bod topné křivky. Tato hodnota T je nejmenší a při použití poskytuje určitou rezervu výkonu motoru.

Rýže. 4. Křivka chlazení motoru

Experimentálně naměřená křivka chlazení se od teoretické liší ještě více než křivka ohřevu. Časová konstanta chlazení odpovídající vypnutému motoru je výrazně delší než časová konstanta topení v důsledku sníženého přenosu tepla při absenci ventilace.