Как добиться надежной работы электроустановок - Нагрев и охлаждение. Номинальные режимы работы двигателей

Проиллюстрируем возможность графического изображения процессов нагрева и охлаждения двигателя, предполагая, что его нагрузка, достаточно длительная, и мощность потерь постоянны. Принимается также ряд допущений. Считается, например, что двигатель — сплошное однородное тело с бесконечно большой теплоемкостью; что теплота, отдаваемая в окружающую среду, пропорциональна первой степени разности температур двигателя и охлаждающей среды и т.д.
При этих условиях и допущениях превышение температуры при нагреве и охлаждении двигателя происходит по экспоненциальному закону, важнейшей характеристикой которого является постоянная времени.
Пример. На рис. 5 показана кривая, состоящая из двух экспонент, которые для облегчения изложения изображены разными цветами: красным — нагрев, синим — охлаждение. По вертикальной оси отложена температура в, по горизонтальной — время t.
Обратим внимание на характерные точки: 1 - двигатель включили, его температура начинает повышаться. В точке 3 она практически достигает максимального значения. Затем двигатель отключили (точка 4) и он начал охлаждаться, практически достигнув температуры окружающей среды в точке 6.

Рис. 5. Процессы нагрева и охлаждения подчиняются экспоненциальному закону
Точке 2 соответствуют температура 0,63 втах, т.е. 63% температуры в тах, и время Гн. Оно называется постоянной времени нагрева. Обратите внимание: отсчет температуры производился от точки 1 к точке 2 - снизу вверх, так как температура повышается.
Точка 5 тоже соответствует температуре 0,63 втах и времени охлаждения Т0. Но в этом случае процесс начинается в точке 4 и температура снижается. Поэтому отсчет производится сверху вниз. Можно (и это удобнее) считать снизу вверх, но тогда точке 5 соответствует температура 0,37 втах, так как 1 — 0,63 = = 0,37.
Рост и снижение температуры с течением времени замедляются. Теоретически температуры никогда не достигают установившихся значений. Но в практических расчетах принимают, что: а) температура достигает установившегося значения за время Ги = (3-5-4) Г,,; б) для двигателей с самовентиляцией Т0 = = (1,2,..., 2,0) Гн> так как условия теплопередачи у неподвижного двигателя хуже, чем у работающего. Если же применяется независимая вентиляция (при которой условия охлаждения не зависят от частоты вращения), то Та = Тн; в) время охлаждения двигателя tQ = (3^- 5) Т0.
Заметим здесь же, что по экспоненциальному закону протекают не только тепловые процессы. Ему же подчиняются заряд — разряд конденсатора, намагничивание и размагничивание.  
Конкретные условия эксплуатации требуют применения двигателя на соответствующий номинальный режим. Этот вопрос требует пояснений. Дело в том, что выбрать двигатель по мощности приводимого механизма и напряжению питающей сети — это только полдела. Нужно, чтобы он был рассчитан на определенный номинальный режим работы. Иначе двигатель не сможет надежно работать (например, "не возьмет" под нагрузкой): либо перегреется и в скором времени сгорит, либо будет неэкономичен.
Стандарт устанавливает восемь номинальных режимов работы, которым присвоены обозначения от S1 до S8.
— режим продолжительной нагрузки — работа при постоянной нагрузке, достаточно длительная для достижения теплового равновесия, т.е. температура всех частей двигателя достигает установившегося значении. Диаграммы изменения с течением времени t нагрузки М (полезного механического момента на валу), тепловых потерь ДРг и температуры в показаны на рис. 6,а. Как видно из рисунка, температура повышается от значения в0 (температура окружающей среды) до установившейся втах и остается далее практически постоянной.
— режим кратковременной нагрузки — работа при постоянной нагрузке в течение заданного времени, меньшего, чем требуется для получения теплового равновесия, с последующим отключенным неподвижным состоянием достаточной продолжительности для достижения электродвигателем температуры окружающей среды (рис. 6,6). Определяются следующие продолжительности кратковременной работы tp : 10, 30, 60 и 90 мин.
— режим повторно-кратковременной нагрузки - последовательность идентичных рабочих циклов, каждый из которых состоит из периодов работы tp при постоянной нагрузке и отключенного неподвижного состояния tD. Длительность этих периодов недостаточна для достижения теплового равновесия за время одного рабочего цикла Гц,"а наличие пускового тока существенно не влияет на нагрев (рис. 6,в). Для режима S3 характеризующей величиной является относительная продолжительность включения (работы) ПВ - см. выше, с. 31. Устанавливаются следующие значения ПВ: 15, 25, 40 и 60%.
— режим повторно-кратковременной работы, включая пуск, отличается от режима S3 тем, что пусковые потери оказывают существенное влияние на превышение


Рис. 6. Графическое изображение режимов работы электродвигателей
температуры отдельных частей двигателя. Режим S4 характеризуется относительной продолжительностью включения (при ее вычислении учитывают не только время работы, но и время пуска), числом пусков в час и коэффициентом инерции. Режиму S4 соответствуют ПВ 15, 25,40 и 60%, число включений в час 30, 60, 120, 240 при коэффициенте инерции 1,2; 1,6; 2,0; 4,0; 6,3; 10,0.
Режимы S5 - S8 относятся к более сложным условиям работы - электрическое торможение, переменная нагрузка, реверсирование и др.
•Коэффициент инерции это отношение суммы моментов инерции двигателя и приведенного к его валу момента инерции механизма к моменту инерции двигателя. Чем больше момент инерции, тем тяжелее пуск.
Номинальный режим работы и характеризующие его значения величин должны быть указаны на табличке двигателя.
Примеры: "S1"
"S2 - 30 мин" "S3 - 25%"
"S4 - 407,, 120 включений в час, F = 4,0".
Приведенные здесь весьма краткие сведения о номинальных режимах работы двигателей имеют ограниченную цель: подчеркнуть важность вопроса и обратить внимание читателей на то, что двигатели скоро сгорают именно потому, что они выбраны без учета необходимого номинального режима. Типичный пример: выход из строя двигателей лифтов и других грузоподъемных механизмов с частыми пусками, если они выбраны для более легких условий эксплуатации.
Графические изображения тепловых процессов применимы не только к двигателям, но и вообще к любым электротехническим изделиям. Располагая графиками нагрева, можно почерпнуть из них весьма важные сведения для правильного применения изделий. Убедимся в jtom, выполнив упражнение 21.
Упражнение 21. 11а рис. 7 приведены кривые нагрева трех изделий. Для облегчения изложения использованы разные цвета.
Ответить на вопросы: 1. Какие изделия предназначены для длительного включения? 2. Через сколько времени после включения изделие 1 должно быть отключено? 3. Какое изделие раньше нагреется до температуры б? 4. Почему точка с расположена выше точки ж, а точки ж из находятся на одном уровне? 5. Чем определяются температуры 0ДО|1 и 0ff!aj<:? 6. Постоянная времени соответствует 63% установившегося значения температуры. Почему принято именно 63%. а не какое-нибудь более удобное значение, например 50 или 60%? 7. Как доказать, что постоянная времени измеряется в секундах?
Ответы. I Для длительного режима предназначены изделия 2 и 3, так как уст лишившаяся максимальная температура впшх 2 3 ниже допустимой 0ДОП.
Температура втах, выше допустимой 0ДОц. Следовательно, изделие 1 должно быть отключено не позднее времени /,,. иначе оно перегреется. Время 10 определено следующим образом. Проведена горизонталь 0ДОП и затем из точки (в которой она пересекается с кривой /) опущен перпендикуляр на ось времени /.
Раньше нагреется изделие I, а затем 2 и, наконец3, что совершенно очевидно, так как точка а левее точки б, а точка б левее точки в и, следовательно, /1 </ 2 </ з-
Точка е принадлежит кривой /, а точка ж кривой 2. Но температура 01пах, выше температуры вггшх2 3, значит. 0,630^^, больше 0,63@1пах2.3 Точки ж и J принадлежат разным кривым, но значения 0пшх2 з для них одинаковы.

Рис. 7. Графики зависимости температуры от длительности включения - к упражнению 21
Температура 0ДОП определяется свойствами (классом) изоляции. Температура вщах зависит от свойств изделия — массы, условий нагрева и охлаждения, теплоемкости и т.п.
-t/TH
Температура нарастает по закону в - втах (1-е ). где е - основание натуральных логарифмов. 1хли положить, что t - Ти, то в = = 0max (1 " е-1) =втах (1 0,37) =0,63втах.
Превышение температуры при постоянной мощности тепловых потерь происходит с постоянной времени нагрева Ти = С/Ач где С — теплоемкость двигателя, т.е. количество теплоты, необходимой для повышения температуры на 1 °С, Дж/°С; А теплоотдача, т.е. количество теплоты, передаваемой охлаждающей среде за I с при повышении температуры на 1 °С, Дж/ (°С-с).
Выполняя действия с размерностями, имеем

Заметим попутно, что здесь рассматривался выбор двигателя (и вообще электротехнических изделий) только по условиям нагрева.