Uppvärmning och kylning av elmotorer
Korrekt bestämning av kraften hos elmotorer för olika metallskärmaskiner, mekanismer och maskiner är av stor vikt. Med otillräcklig kraft är det omöjligt att fullt ut använda maskinens produktionskapacitet för att genomföra den planerade tekniska processen. Om strömmen är otillräcklig kommer elmotorn att gå sönder i förtid.
Överskattning av elmotorns kraft leder till dess systematiska underladdning och, som ett resultat, ofullständig användning av motorn, dess funktion med låg effektivitet och en liten effektfaktor (för asynkronmotorer). När motoreffekten är överskattad ökar också kapital- och driftskostnaderna.
Den effekt som krävs för att driva maskinen, och därför den effekt som utvecklas av elmotorn, förändras under maskinens drift. Belastningen på en elmotor kan karakteriseras av lastdiagrammet (fig. 1), vilket är beroendet av kraften från motoraxeln, dess vridmoment eller ström i tid.Efter avslutad bearbetning av arbetsstycket stoppas maskinen, arbetsstycket mäts och arbetsstycket byts ut. Laddningsschemat upprepas sedan igen (vid bearbetning av delar av samma typ).
För att säkerställa normal drift under en sådan variabel belastning måste elmotorn utveckla den högsta erforderliga effekten under bearbetning och inte överhettas under kontinuerlig drift i enlighet med detta lastschema. Den tillåtna överbelastningen av elmotorer bestäms av deras elektriska egenskaper.
Ris. 1. Ladda schemat vid bearbetning av samma typ av detaljer
När motorn går, energi (och effekt) förlusterfår den att värmas upp. En del av energin som förbrukas av elmotorn går åt till att värma dess lindningar, på att värma upp den magnetiska kretsen av hysteres och virvelströmmar som bär friktion och luftfriktion. Lindningarnas värmeförluster, proportionella mot strömmens kvadrat, kallas variabel (ΔРtrans)... De återstående förlusterna i motorn beror lite på dess belastning och kallas konventionellt konstanter (ΔРpos).
Den tillåtna uppvärmningen av en elmotor bestäms av de minst värmebeständiga materialen i dess konstruktion. Detta material är isoleringen av dess spole.
Följande används för att isolera elektriska maskiner:
• bomulls- och sidentyger, garn, papper och fibrösa organiska material som inte är impregnerade med isolerande föreningar (värmebeständighetsklass U);
• samma material, impregnerade (klass A);
• syntetiska organiska filmer (klass E);
• material från asbest, glimmer, glasfiber med organiska bindemedel (klass B);
• samma, men med syntetiska bindemedel och impregneringsmedel (klass F);
• samma material, men med silikonbindemedel och impregneringsmedel (klass H);
• glimmer, keramik, glas, kvarts utan bindemedel eller med oorganiska bindemedel (klass C).
Isoleringsklasserna U, A, E, B, F, H respektive tillåter maximala temperaturer på 90, 105, 120, 130, 155, 180 ° C. Begränsningstemperaturen för klass C överstiger 180 ° C och begränsas av egenskaperna hos material som används.
Med samma belastning på elmotorn blir dess uppvärmning ojämn vid olika omgivningstemperaturer. Designtemperaturen t0 för omgivningen är 40 ° C. Vid denna temperatur bestäms de nominella effektvärdena för elmotorerna. Ökningen av temperaturen på elmotorn över omgivningstemperaturen kallas överhettning:
Användningen av syntetisk isolering ökar. I synnerhet säkerställer silikonkiselisolering hög tillförlitlighet hos elektriska maskiner när de arbetar i tropiska förhållanden.
Värmen som genereras i olika delar av motorn påverkar uppvärmningen av isoleringen i olika grad. Dessutom sker värmeväxling mellan de enskilda delarna av elmotorn, vars karaktär ändras beroende på belastningsförhållandena.
Den olika uppvärmningen av de enskilda delarna av elmotorn och överföringen av värme mellan dem komplicerar den analytiska studien av processen. Därför, för enkelhetens skull, antas det villkorligt att elmotorn är en termiskt homogen och oändligt värmeledande kropp. Det anses allmänt att värmen som frigörs av en elmotor till omgivningen är proportionell mot överhettning.I detta fall försummas termisk strålning eftersom motorernas absoluta uppvärmningstemperaturer är låga. Överväg uppvärmningsprocessen för elmotorn under de givna antagandena.
Vid arbete i elmotorn frigörs värmen dq under tiden dt. En del av denna värme dq1 absorberas av den elektriska motorns massa, vilket resulterar i att temperaturen t och överhettning τ hos motorn ökar. Den återstående värmen dq2 frigörs från motorn till omgivningen. Därmed kan jämlikheten skrivas
När motortemperaturen ökar, ökar värmen dq2. Vid ett visst värde av överhettning kommer lika mycket värme att ges till miljön som frigörs i elmotorn; då dq = dq2 och dq1 = 0. Elmotorns temperatur slutar att öka och överhettningen når ett stationärt värde på τу.
Under ovanstående antaganden kan ekvationen skrivas enligt följande:
där Q är den termiska effekten på grund av förluster i elmotorn, J / s; A — värmeöverföring från motorn, dvs. mängden värme som frigörs av motorn till miljön per tidsenhet vid en temperaturskillnad mellan motorn och miljön på 1oC, J/s-grad; C är motorns termiska kapacitet, dvs. mängden värme som krävs för att öka temperaturen på motorn med 1 ° C, J / deg.
Att separera variablerna i ekvationen har vi
Vi integrerar den vänstra sidan av likheten i intervallet från noll till något aktuellt värde av tiden t och den högra sidan i intervallet från den initiala överhettningen τ0 av elmotorn till det aktuella värdet av överhettning τ:
När vi löser ekvationen för τ får vi en ekvation för att värma en elmotor:
Låt oss beteckna C / A = T och bestämma dimensionen på detta förhållande:
Ris. 2. Kurvor som kännetecknar uppvärmningen av elmotorn
Ris. 3. Bestämning av uppvärmningstidskonstanten
Det kallas kvantiteten T, som har dimensionen tidsuppvärmning tidskonstant elmotor. I enlighet med denna notation kan värmeekvationen skrivas om som
Som du kan se från ekvationen, när vi får - steady-state överhettningsvärde.
När belastningen på elmotorn ändras ändras mängden förluster och därmed värdet på Q. Detta leder till en förändring av värdet på τу.
I fig. 2 visar värmekurvorna 1, 2, 3 motsvarande den sista ekvationen för olika belastningsvärden. När τу överstiger värdet för den tillåtna överhettningen τn, är den kontinuerliga driften av elmotorn oacceptabel. Som följer av ekvationen och graferna (fig. 2) är ökningen av överhettning asymptotisk.
När vi ersätter värdet t = 3T i ekvationen får vi ett värde på τ som är ungefär bara 5 % mindre än τy. Under tiden t = 3T kan således uppvärmningsprocessen praktiskt taget anses vara avslutad.
Om du vid någon punkt med värmekurvan (fig. 3) ritar en tangent till värmekurvan, drar du sedan en vertikal genom samma punkt, sedan segmentet de av asymptoten, stängt mellan tangenten och vertikalen, på skalan av abskissaxeln är lika med T. Om vi tar Q = 0 i ekvationen får vi motorkylningsekvationen:
Kylkurvan som visas i fig. 4, motsvarar denna ekvation.
Tidskonstanten för uppvärmning bestäms av storleken på elmotorn och formen på dess skydd mot miljöpåverkan. För öppna och skyddade elmotorer med låg effekt är uppvärmningstiden 20-30 minuter. För slutna elmotorer med hög effekt når den 2-3 timmar.
Som nämnts ovan är den angivna teorin om elmotoruppvärmning ungefärlig och baserad på grova antaganden. Därför skiljer sig den experimentellt uppmätta värmekurvan markant från den teoretiska. Om, för olika punkter i den experimentella värmekurvan, den konstruktion som visas i fig. 3 visar det sig att värdena på T ökar med ökande tid. Därför bör alla beräkningar som görs enligt ekvationen betraktas som ungefärliga. I dessa beräkningar är det tillrådligt att använda konstanten T som bestäms grafiskt för startpunkten för värmekurvan. Detta värde på T är det minsta och, när det används, ger det en viss marginal för motoreffekt.
Ris. 4. Motorns kylkurva
Den experimentellt uppmätta kylkurvan skiljer sig från den teoretiska ännu mer än värmekurvan. Kyltidskonstanten som motsvarar motorn avstängd är betydligt längre än uppvärmningstidskonstanten på grund av minskad värmeöverföring i frånvaro av ventilation.