Нагревание при продолжительном режиме работы
Нагревание при продолжительном режиме работы происходит по кривой рисунка 1, а или 2, представленных в статье «Нагревание и охлаждение идеального однородного твердого тела». При этом установившееся превышение температуры должно быть меньше либо равно максимально допустимому превышению температуры для данного класса изоляции Θ∞ ≤ Θдоп.
При проектировании электрических машин производятся также тепловые расчеты с целью установления превышений температуры отдельных частей машины. Тепловой расчет для продолжительного режима работы является основным, так как он лежит в основе расчетов превышений температур при кратковременном и повторно-кратковременном режимах работы.
Тепловые расчеты электрических машин достаточно сложны и рассматриваются подробнее в курсах проектирования электрических машин. Здесь укажем только ход расчета для продолжительного режима работы, когда превышения температуры достигают установившихся значений.
Значения потерь в определенных частях машины известны из электрического расчета машины. Из конструктивной схемы устанавливаются направления тепловых потоков и количество теплоты, отдаваемое с охлаждаемых поверхностей. Затем определяются скорости воздуха или другой охлаждающей среды у отдельных охлаждаемых поверхностей и вычисляются: 1) по формуле (1), представленной в статье «Теплоотдача в электрических машинах», перепад температуры в изоляции обмоток Θиз = ϑ1 – ϑ2; 2) по этой же формуле перепад температуры в сердечнике на участке от обмотки до охлаждаемой поверхности Θс; 3) по формуле (8), той же статьи, превышение температуры охлаждающей поверхности над температурой охлаждающей среды Θ = Θп.о. Кроме того, при движении газов и жидкостей по каналам необходимо учесть средний подогрев самой охлаждающей среды ΔΘохл.
Превышение температуры обмотки над температурой поступающей в машину охлаждающей среды Θоб выражается суммой
| Θоб = Θиз + Θс + Θп.о + ΔΘохл . | (1) |
Величина Θоб не должна превышать допустимого значения по ГОСТ 183-74 и других нормативных документов.
Скорости охлаждающей среды у тех или иных поверхностей, а также соответствующие коэффициенты теплоотдачи удается установить лишь приблизительно ввиду сложности аэродинамических явлений и картины распределения тепловых потоков в машине. Поэтому тепловые расчеты дают достаточно точные результаты лишь при наличии необходимых экспериментальных данных.
Нагревание при кратковременном режиме работы
Чтобы определить превышение температуры различных частей машины Θкр при кратковременном режиме работы, сначала находят по способу, указанному выше, превышение температуры Θ∞ в случае, если бы машина работала при заданной мощности продолжительно, а также устанавливают постоянные времени нагревания T. Зная продолжительность кратковременного режима tкр, можно вычислить достигаемые при этом режиме превышения температуры по формуле (9), представленной в статье «Нагревание и охлаждение идеального однородного твердого тела»:
| Θкр = Θ∞ × (1 – e–tкр/T) , | (2) |
Значения Θкр должны укладываться в установленные допустимые пределы.
Очевидно, Θкр < Θ∞, и так как допустимые превышения температуры Θдоп для всех режимов одинаковы, то при кратковременном режиме можно допустить значения Θ∞ в 1/(1 – e–tкр/T) раз большее, чем при продолжительном режиме работы. Во столько же раз могут быть большие допустимые значения потерь в машине. Поэтому при данных габаритах машин и расходе материалов мощности машин с кратковременным режимом работы больше мощностей машин с продолжительным режимом работы.
Нагревание при повторно-кратковременном режиме работы
Предположим, что машина начинает работу в режиме повторно-кратковременной нагрузки с холодного состояния. Пусть время рабочего периода равно tр, а время паузы t0.
Нагревание машины в первый рабочий период идет по участку 0 – 1 кривой нагревания I (рисунок 1), которая может быть начерчена, если известны постоянная времени нагревания Tн и установившееся превышение температуры Θ∞ при работе в продолжительном режиме с данной мощностью.
Рисунок 1. Построение кривой нагревания при повторно-кратковременном режиме работы
Затем наступает пауза, и машина начинает охлаждаться. Охлаждение идет по участку 1’ – 2’ кривой II (рисунок 1). Эта кривая может быть также начерчена, если известны Θ∞ и постоянная времени охлаждения Tохл. Если условия вентиляции во время паузы такие же как и в рабочем периоде, то Tохл = Tн. Если же, например, во время паузы машина стоит и не вентилируется, то Tохл > Tн. Охлаждение после первого периода работы идет по такому участку кривой II, начало которого соответствует значению Θ, достигнутого в конце этого периода работы. Перенеся участок 1’ – 2’ кривой II параллельно самому себе в положение 1 – 2, получим участок кривой 0 – 1 – 2 изменения Θ за время первого цикла работы.
Во время второго периода работы нагревание идет по тому участку кривой I, начало которого соответствует значению Θ, достигнутому в конце первой паузы в работе.
Подобным образом можно построить зубчатую кривую III нагревания машины при повторно-кратковременном режиме работы. Она состоит из участков кривых I и II, смещенных параллельно самим себе на соответствующие интервалы времени работы tр и пауз t0, помеченные в нижней части рисунка 1.
Спустя некоторое время температурный режим повторно-кратковременной работы практически устанавливается и общий подъем кривой III прекращается. Превышение температуры машины при этом колеблется в пределах от Θмакс до Θмин (рисунок 1). Значение Θмакс не должно превышать значения Θдоп для данного класса изоляции.
Как видно из рисунка 1, Θмакс < Θ∞ при продолжительном режиме работы. В соответствии с этим при повторно-кратковременном режиме работы при тех же габаритах машины и тех же условиях вентиляции можно допустить в Θ∞/Θмакс раз большие потери и соответственно большую мощность. При желании использовать машину, предназначенную для продолжительного режима работы, в повторно-кратковременном режиме ее мощность можно увеличить, если это допустимо по другим условиям работы, например по условиям коммутации или перегрузочной способности по моменту вращения.
Источник: Вольдек А. И., "Электрические машины. Учебник для технических учебных заведений" – 3-е издание, переработанное – Ленинград: Энергия, 1978 – 832с.