Θέρμανση και ψύξη ηλεκτροκινητήρων

Ο σωστός προσδιορισμός της ισχύος των ηλεκτροκινητήρων για διάφορες μηχανές κοπής μετάλλων, μηχανισμούς και μηχανές είναι μεγάλης σημασίας. Με ανεπαρκή ισχύ, είναι αδύνατο να χρησιμοποιηθούν πλήρως οι παραγωγικές δυνατότητες του μηχανήματος, για να πραγματοποιηθεί η προγραμματισμένη τεχνολογική διαδικασία. Εάν η ισχύς είναι ανεπαρκής, ο ηλεκτροκινητήρας θα αποτύχει πρόωρα.

Η υπερεκτίμηση της ισχύος του ηλεκτροκινητήρα οδηγεί στη συστηματική υποφόρτισή του και, κατά συνέπεια, στην ατελή χρήση του κινητήρα, στη λειτουργία του με χαμηλή απόδοση και μικρό συντελεστή ισχύος (για ασύγχρονους κινητήρες). Επίσης, όταν η ισχύς του κινητήρα υπερεκτιμάται, το κεφάλαιο και το κόστος λειτουργίας αυξάνονται.

Η ισχύς που απαιτείται για τη λειτουργία του μηχανήματος, και επομένως η ισχύς που αναπτύσσεται από τον ηλεκτροκινητήρα, αλλάζει κατά τη λειτουργία του μηχανήματος. Το φορτίο σε έναν ηλεκτροκινητήρα μπορεί να χαρακτηριστεί από το γράφημα φορτίου (Εικ. 1), το οποίο είναι η εξάρτηση της ισχύος από τον άξονα του κινητήρα, της ροπής ή του ρεύματός του από το χρόνο.Μετά την ολοκλήρωση της επεξεργασίας του τεμαχίου εργασίας, το μηχάνημα σταματά, το τεμάχιο εργασίας μετράται και το τεμάχιο εργασίας αντικαθίσταται. Στη συνέχεια, το πρόγραμμα φόρτωσης επαναλαμβάνεται ξανά (κατά την επεξεργασία εξαρτημάτων του ίδιου τύπου).

Για να διασφαλιστεί η κανονική λειτουργία κάτω από ένα τέτοιο μεταβλητό φορτίο, ο ηλεκτροκινητήρας πρέπει να έχει την υψηλότερη απαιτούμενη ισχύ κατά την επεξεργασία και να μην υπερθερμαίνεται κατά τη συνεχή λειτουργία σύμφωνα με αυτό το πρόγραμμα φορτίου. Η επιτρεπόμενη υπερφόρτωση των ηλεκτροκινητήρων καθορίζεται από τις ηλεκτρικές τους ιδιότητες.

Ρύζι. 1. Φορτώστε το πρόγραμμα κατά την κατεργασία του ίδιου τύπου εξαρτημάτων

Όταν ο κινητήρας λειτουργεί, απώλειες ενέργειας (και ισχύος).με αποτέλεσμα να ζεσταθεί. Μέρος της ενέργειας που καταναλώνει ο ηλεκτροκινητήρας δαπανάται για τη θέρμανση των περιελίξεων του, για τη θέρμανση του μαγνητικού κυκλώματος του υστέρηση και δινορευμάτων που μεταφέρουν τριβή και τριβή αέρα. Οι απώλειες θερμότητας των περιελίξεων, ανάλογες με το τετράγωνο του ρεύματος, λέγονται μεταβλητές (ΔΡtrans)... Οι υπόλοιπες απώλειες στον κινητήρα εξαρτώνται λίγο από το φορτίο του και ονομάζονται συμβατικά σταθερές (ΔΡpos).

Η επιτρεπόμενη θέρμανση ενός ηλεκτροκινητήρα καθορίζεται από τα λιγότερο ανθεκτικά στη θερμότητα υλικά της κατασκευής του. Αυτό το υλικό είναι η μόνωση του πηνίου του.

Τα ακόλουθα χρησιμοποιούνται για τη μόνωση ηλεκτρικών μηχανών:

• Βαμβακερά και μεταξωτά υφάσματα, νήματα, χαρτί και ινώδη οργανικά υλικά που δεν είναι εμποτισμένα με μονωτικές ενώσεις (κατηγορία αντοχής στη θερμότητα U).

• τα ίδια υλικά, εμποτισμένα (κατηγορία Α).

• συνθετικές οργανικές μεμβράνες (κατηγορία Ε).

• υλικά από αμίαντο, μαρμαρυγία, υαλοβάμβακα με οργανικά συνδετικά (κατηγορία Β).

• το ίδιο, αλλά με συνθετικά συνδετικά και εμποτιστικά (κατηγορία F).

• τα ίδια υλικά, αλλά με συνδετικά πυριτίου και παράγοντες εμποτισμού (κατηγορία Η).

• μίκα, κεραμικά, γυαλί, χαλαζίας χωρίς συνδετικά ή με ανόργανα συνδετικά (κατηγορία Γ).

Οι κατηγορίες μόνωσης U, A, E, B, F, H αντίστοιχα επιτρέπουν μέγιστες θερμοκρασίες 90, 105, 120, 130, 155, 180 ° C. Η οριακή θερμοκρασία της κατηγορίας C υπερβαίνει τους 180 ° C και περιορίζεται από τις ιδιότητες του υλικά που χρησιμοποιούνται.

Με το ίδιο φορτίο στον ηλεκτροκινητήρα, η θέρμανση του θα είναι ανομοιόμορφη σε διαφορετικές θερμοκρασίες περιβάλλοντος. Η θερμοκρασία σχεδιασμού t0 του περιβάλλοντος είναι 40 ° C. Σε αυτή τη θερμοκρασία προσδιορίζονται οι ονομαστικές τιμές ισχύος των ηλεκτροκινητήρων. Η αύξηση της θερμοκρασίας του ηλεκτροκινητήρα πάνω από τη θερμοκρασία περιβάλλοντος ονομάζεται υπερθέρμανση:

Η χρήση συνθετικής μόνωσης επεκτείνεται. Ειδικότερα, οι μονώσεις πυριτίου από πυρίτιο εξασφαλίζουν υψηλή αξιοπιστία των ηλεκτρικών μηχανών όταν λειτουργούν σε τροπικές συνθήκες.

Η θερμότητα που παράγεται σε διάφορα μέρη του κινητήρα επηρεάζει τη θέρμανση της μόνωσης σε διαφορετικούς βαθμούς. Επιπλέον, πραγματοποιείται ανταλλαγή θερμότητας μεταξύ των επιμέρους τμημάτων του ηλεκτροκινητήρα, η φύση της οποίας αλλάζει ανάλογα με τις συνθήκες φορτίου.

Η διαφορετική θέρμανση των επιμέρους τμημάτων του ηλεκτροκινητήρα και η μεταφορά θερμότητας μεταξύ τους περιπλέκει την αναλυτική μελέτη της διαδικασίας. Επομένως, για λόγους απλότητας, θεωρείται υπό όρους ότι ο ηλεκτροκινητήρας είναι ένα θερμικά ομοιογενές και απείρως θερμοαγώγιμο σώμα. Γενικά πιστεύεται ότι η θερμότητα που απελευθερώνεται από έναν ηλεκτρικό κινητήρα στο περιβάλλον είναι ανάλογη της υπερθέρμανσης.Σε αυτή την περίπτωση, η θερμική ακτινοβολία παραμελείται γιατί οι απόλυτες θερμοκρασίες θέρμανσης των κινητήρων είναι χαμηλές. Εξετάστε τη διαδικασία θέρμανσης του ηλεκτροκινητήρα σύμφωνα με τις δεδομένες παραδοχές.

Κατά την εργασία στον ηλεκτροκινητήρα, η θερμότητα dq απελευθερώνεται κατά τη διάρκεια του χρόνου dt. Μέρος αυτής της θερμότητας dq1 απορροφάται από τη μάζα του ηλεκτροκινητήρα, με αποτέλεσμα να αυξάνεται η θερμοκρασία t και η υπερθέρμανση τ του κινητήρα. Η υπόλοιπη θερμότητα dq2 απελευθερώνεται από τον κινητήρα στο περιβάλλον. Έτσι μπορεί να γραφτεί η ισότητα

Καθώς η θερμοκρασία του κινητήρα αυξάνεται, η θερμότητα dq2 αυξάνεται. Σε μια ορισμένη τιμή υπερθέρμανσης, τόση θερμότητα θα δοθεί στο περιβάλλον όση απελευθερώνεται στον ηλεκτροκινητήρα. τότε dq = dq2 και dq1 = 0. Η θερμοκρασία του ηλεκτροκινητήρα σταματά να αυξάνεται και η υπερθέρμανση φτάνει σε σταθερή τιμή ту.

Σύμφωνα με τις παραπάνω παραδοχές, η εξίσωση μπορεί να γραφτεί ως εξής:

όπου Q είναι η θερμική ισχύς λόγω απωλειών στον ηλεκτροκινητήρα, J / s. A — μεταφορά θερμότητας από τον κινητήρα, δηλ. την ποσότητα θερμότητας που απελευθερώνεται από τον κινητήρα στο περιβάλλον ανά μονάδα χρόνου σε διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ του κινητήρα και του περιβάλλοντος 1oC, J / s-deg· C είναι η θερμική χωρητικότητα του κινητήρα, δηλ. η ποσότητα θερμότητας που απαιτείται για την αύξηση της θερμοκρασίας του κινητήρα κατά 1 ° C, J / deg.

Διαχωρίζοντας τις μεταβλητές στην εξίσωση, έχουμε

Ενσωματώνουμε την αριστερή πλευρά της ισότητας στην περιοχή από μηδέν έως κάποια τρέχουσα τιμή του χρόνου t και τη δεξιά πλευρά στην περιοχή από την αρχική υπερθέρμανση τ0 του ηλεκτροκινητήρα έως την τρέχουσα τιμή υπερθέρμανσης τ:

Λύνοντας την εξίσωση για τ, παίρνουμε μια εξίσωση για τη θέρμανση ενός ηλεκτροκινητήρα:

Ας συμβολίσουμε C / A = T και ας προσδιορίσουμε τη διάσταση αυτού του λόγου:

Ρύζι. 2. Καμπύλες που χαρακτηρίζουν τη θέρμανση του ηλεκτροκινητήρα

Ρύζι. 3. Προσδιορισμός της σταθεράς χρόνου θέρμανσης

Ονομάζεται η ποσότητα Τ, η οποία έχει τη διάσταση του χρόνου θέρμανσης σταθερού ηλεκτροκινητήρα. Σύμφωνα με αυτή τη σημείωση, η εξίσωση θέρμανσης μπορεί να ξαναγραφτεί ως

Όπως μπορείτε να δείτε από την εξίσωση, όταν παίρνουμε — τιμή υπερθέρμανσης σε σταθερή κατάσταση.

Όταν αλλάζει το φορτίο στον ηλεκτροκινητήρα, αλλάζει το ποσό των απωλειών και συνεπώς η τιμή του Q. Αυτό οδηγεί σε αλλαγή της τιμής του τу.

Στο σχ. Το σχήμα 2 δείχνει τις καμπύλες θέρμανσης 1, 2, 3 που αντιστοιχούν στην τελευταία εξίσωση για διαφορετικές τιμές φορτίου. Όταν το τυ υπερβαίνει την τιμή της επιτρεπόμενης υπερθέρμανσης τn, η συνεχής λειτουργία του ηλεκτροκινητήρα είναι απαράδεκτη. Όπως προκύπτει από την εξίσωση και τα γραφήματα (Εικ. 2), η αύξηση της υπερθέρμανσης είναι ασυμπτωτική.

Όταν αντικαταστήσουμε την τιμή t = 3T στην εξίσωση, παίρνουμε μια τιμή τ που είναι περίπου μόνο 5% μικρότερη από τy. Έτσι, κατά τη διάρκεια του χρόνου t = 3T, η διαδικασία θέρμανσης μπορεί πρακτικά να θεωρηθεί ολοκληρωμένη.

Εάν σε οποιοδήποτε σημείο με την καμπύλη θέρμανσης (Εικ. 3) σχεδιάσετε μια εφαπτομένη στην καμπύλη θέρμανσης, στη συνέχεια σχεδιάστε μια κατακόρυφο μέσω του ίδιου σημείου, τότε το τμήμα de της ασύμπτωτης, κλειστό μεταξύ της εφαπτομένης και της κατακόρυφου, στην κλίμακα του άξονα της τετμημένης ισούται με T. Αν πάρουμε Q = 0 στην εξίσωση, παίρνουμε την εξίσωση ψύξης κινητήρα:

Η καμπύλη ψύξης που φαίνεται στο Σχ. 4, αντιστοιχεί σε αυτή την εξίσωση.

Η σταθερά χρόνου θέρμανσης καθορίζεται από το μέγεθος του ηλεκτροκινητήρα και τη μορφή προστασίας του από τις περιβαλλοντικές επιδράσεις. Για ανοιχτούς και προστατευμένους ηλεκτροκινητήρες χαμηλής ισχύος, ο χρόνος θέρμανσης είναι 20-30 λεπτά. Για κλειστούς ηλεκτροκινητήρες υψηλής ισχύος φτάνει τις 2-3 ώρες.

Όπως αναφέρθηκε παραπάνω, η θεωρία της θέρμανσης του ηλεκτροκινητήρα είναι κατά προσέγγιση και βασίζεται σε χονδρικές υποθέσεις. Επομένως, η καμπύλη θέρμανσης που μετρήθηκε πειραματικά διαφέρει σημαντικά από τη θεωρητική. Εάν, για διαφορετικά σημεία της πειραματικής καμπύλης θέρμανσης, η κατασκευή που φαίνεται στο Σχ. 3, αποδεικνύεται ότι οι τιμές του T αυξάνονται με την αύξηση του χρόνου. Επομένως, όλοι οι υπολογισμοί που γίνονται σύμφωνα με την εξίσωση θα πρέπει να θεωρούνται κατά προσέγγιση. Σε αυτούς τους υπολογισμούς είναι σκόπιμο να χρησιμοποιείται η σταθερά Τ που προσδιορίζεται γραφικά για το σημείο εκκίνησης της καμπύλης θέρμανσης. Αυτή η τιμή του T είναι η μικρότερη και, όταν χρησιμοποιείται, παρέχει ένα ορισμένο περιθώριο ισχύος κινητήρα.

Ρύζι. 4. Καμπύλη ψύξης κινητήρα

Η πειραματικά μετρημένη καμπύλη ψύξης διαφέρει από τη θεωρητική ακόμη περισσότερο από την καμπύλη θέρμανσης. Η σταθερά χρόνου ψύξης που αντιστοιχεί στο σβηστό κινητήρα είναι σημαντικά μεγαλύτερη από τη σταθερά χρόνου θέρμανσης λόγω μειωμένης μεταφοράς θερμότητας απουσία αερισμού.