Определение постоянной времени нагревания и охлаждения
Потери энергии в электродвигателе вызывают нагревание его отдельных частей. Допустимый нагрев электродвигателя определяется нагревостойкостью применяемых изоляционных материалов. Изоляционные материалы, применяемые в электрических машинах, делятся на следующие основные классы нагревостойкости (таблица 6.1).
Наиболее сильно нагревающейся частью электродвигателя является обмотка статора. Согласно известному правилу Монзингера превышение температуры обмотки статора над номинальным значением на каждые 80С,10°С,13°С соответственно для классов изоляции А, В, F сокращает срок службы изоляции в два раза.
Таблица 6.1 – Температурная характеристика классов изоляции
Класс изоляции | У | А | Е | В | Г | Н | С |
Предельно допустимая температура, °С |
Температура нагревания электродвигателя зависит от принятой системы охлаждения и температуры окружающей среды. Чем выше температура окружающей среды , тем меньше должна быть нагрузка на валу. Указанная в паспорте электродвигателя мощность на валу соответствует температуре окружающей среды +40°С.
Испытание электрических машин на нагревание проводят методом непосредственной нагрузки в номинальном или другом заданном режиме работы.
Для асинхронных электродвигателей предельно допускаемые температуры обмоток статора с изоляцией классов В и F при работе в номинальном режиме не должны превышать соответственно 120°С и 140°С при измерении температуры обмоток методом сопротивления (ГОСТ 183-74). Таким образом, для класса изоляции В дается запас 10°С, а для F-15°C. Это вызвано тем, что в опытах при измерении температур невозможно определить температуру в самом горячем месте. Температурные датчики (термопары, терморезисторы) позволяют получить более точные результаты при измерении температуры только в месте их закладки. При измерении методом сопротивления измеряется средняя температура обмотки, так как метод основан на измерении омического сопротивления обмотки, значение которого зависит от температуры и различно в различных частях обмотки статора. Например, температура лобовой части обмотки статора со стороны вала асинхронного электродвигателя примерно на 5...7°С выше , чем в лобовой части со стороны вентилятора, и на 10°... 15°С выше, чем в середине паза.
Ввиду неоднородности электрической машины в целом (корпус, магнитные сердечники, подшипниковые щиты, подшипники, обмотки статора, ротора) и отдельных её частей, аналитическое определение превышения температуры обмоток и других частей электродвигателя над температурой окружающей среды в зависимости от времени представляет большие трудности. Поэтому для упрощения анализа принимают следующие допущения:
-отдельные части электрических машин однородны с бесконечно большой теплопроводностью, благодаря чему температура всех его точек одновременно достигает одинакового значения температуры;
-температура окружающей среды постоянна;
-коэффициент теплоотдачи А не зависит от температуры, и отдача тепла в окружающую среду Atdt пропорциональна превышению температуры электродвигателя над температурой окружающей среды t, °С;
-потери в двигателе и его теплоемкость не зависят от температуры.
С учетом этих допущений получим уравнение теплового баланса электродвигателя при неизменной нагрузке:
(6.1)
где Q - общее количество тепла, выделяемое двигателем в единицу времени, Дж/с;
А - теплоотдача двигателя, количество тепла, выделяемое двигателем в окружающую среду в единицу времени при разности температур, равной 1°С, Дж/(с*°С);
с - теплоемкость двигателя (количество тепла, необходимое для повышения температуры двигателя на 1 °С), Дж/ °С;
т - превышение температуры двигателя над температурой окружающей среды, °С.
Решением этого уравнения относительно величины т является уравнение вида:
(6.2)
Обозначим отношения c/A через Тн и Q/A через tу, при этом получим окончательный вид уравнения нагревания:
(6.3)
где t0 -начальное превышение температуры, С°;
Тн - постоянная времени нагревания, мин.
Величина Тн характеризует скорость нагревания двигателя. Физический смысл постоянной времени нагревания можно выразить следующим образом. Если обратиться к выражению (6.1), то Тн можно представить как время, в течение которого двигатель достиг бы установившейся температуры tу, если бы отсутствовала отдача тепла в окружающую среду. В реальных условиях при наличии теплопередачи температура двигателя за время Тн повысится лишь до значения t = 0,632tу. Это следует из уравнения (6.3) (при условии, что в начальный момент t0=0).
Постоянную времени нагревания Тн электродвигателя можно определить тремя методами: по методу касательных, графическим методом, методом трех точек.
Метод касательных заключается в том, что к кривой нагревания проводится касательная до пересечения с асимптотой, соответствующей установившемуся значению tу. Значение постоянной нагревания Тн определяется по отрезку АВ, заключенному между точкой пересечения касательной с асимптотой и точкой пересечения перпендикуляра к асимптоте через точку касания с асимптотой, т. е.:
где mt - масштаб времени.
Для получения большой точности расчета Тн рекомендуется брать три точки на кривой нагревания: одну - в начале координат, другую - при температуре примерно 0,5tу, и третью - при температуре примерно 0,7tу . Постоянная времени нагревания, определенная этим методом, равна среднеарифметическому значению по результатам трех вычислений:
(6.4)
В соответствии с графическим методом в уравнении (6.3) принимаем t = ТН, получим t = 0,632tу. Постоянную времени нагревания указанным методом определяем по кривой нагрева. Откладываем на оси ординат отрезок t = 0,632tу. Отрезок ОС (см. рисунок 6.1) в масштабе времени есть не что иное, как постоянная времени нагревания Тн.
По методу трех точек на кривой нагревания берутся через равное приращение времени три точки: t1, t2, t3. Постоянная времени нагревания определяется по формуле
(6.5)
где t1, t2, t3 -три значения температуры, полученные через равные промежутки времени.
Величина постоянной времени нагревания определяется как средне
арифметическое значение постоянных времени нагревания, полученных тремя методами.
Пример 6
Рассчитать или определить графическим путем по известной кривой нагревания постоянные нагревания и охлаждения электродвигателя. Данные для построения кривой нагревания представлены в таблице 6.2.
Таблица 6.2 - Данные к построению кривой нагревания
t, мин | |||||||||||||
t, °С | 30,6 | 41,8 | 49,8 | 55,5 | 59,6 | 62,5 | 64,7 | 66,2 | 67,2 | 68,6 | 69,6 |
Дата добавления: 2015-02-25; просмотров: 1935;