Riscaldamento e raffreddamento di motori elettrici

La corretta determinazione della potenza dei motori elettrici per varie macchine, meccanismi e macchine per il taglio dei metalli è di grande importanza. Con una potenza insufficiente, è impossibile utilizzare appieno le capacità produttive della macchina, per eseguire il processo tecnologico pianificato. Se la potenza è insufficiente, il motore elettrico si guasterà prematuramente.

La sovrastima della potenza del motore elettrico porta alla sua sistematica sottocarica e, di conseguenza, all'uso incompleto del motore, al suo funzionamento con bassa efficienza e un piccolo fattore di potenza (per i motori asincroni). Inoltre, quando la potenza del motore è sopravvalutata, i costi di capitale e operativi aumentano.

La potenza necessaria al funzionamento della macchina, e quindi la potenza sviluppata dal motore elettrico, varia durante il funzionamento della macchina. Il carico su un motore elettrico può essere caratterizzato dal grafico del carico (Fig. 1), che è la dipendenza della potenza dall'albero motore, della sua coppia o corrente nel tempo.Dopo aver terminato la lavorazione del pezzo, la macchina viene arrestata, il pezzo viene misurato e il pezzo viene sostituito. Il programma di caricamento viene quindi ripetuto nuovamente (quando si elaborano parti dello stesso tipo).

Per garantire il normale funzionamento con un carico così variabile, il motore elettrico deve sviluppare la massima potenza richiesta durante la lavorazione e non surriscaldarsi durante il funzionamento continuo in conformità con questo programma di carico. Il sovraccarico consentito dei motori elettrici è determinato dalle loro proprietà elettriche.

Riso. 1. Caricare il programma durante la lavorazione dello stesso tipo di parti

Quando il motore è in funzione, perdite di energia (e potenza).facendolo riscaldare. Parte dell'energia consumata dal motore elettrico viene spesa per riscaldare i suoi avvolgimenti, per riscaldare il circuito magnetico di isteresi e correnti parassite che trasportano attrito e attrito dell'aria. Le perdite di calore degli avvolgimenti, proporzionali al quadrato della corrente, sono chiamate variabile (ΔРtrans)... Le perdite rimanenti nel motore dipendono un po' dal suo carico e sono convenzionalmente chiamate costanti (ΔРpos).

Il riscaldamento consentito di un motore elettrico è determinato dai materiali meno resistenti al calore della sua costruzione. Questo materiale è l'isolamento della sua bobina.

Per l'isolamento delle macchine elettriche vengono utilizzati:

• tessuti di cotone e seta, filati, carta e materiali organici fibrosi non impregnati di composti isolanti (classe di resistenza al calore U);

• gli stessi materiali, impregnati (classe A);

• film organici sintetici (classe E);

• materiali da amianto, mica, fibra di vetro con leganti organici (classe B);

• uguale, ma con leganti sintetici e impregnanti (classe F);

• stessi materiali, ma con leganti siliconici e impregnanti (classe H);

• mica, ceramica, vetro, quarzo senza leganti o con leganti inorganici (classe C).

Le classi di isolamento U, A, E, B, F, H consentono rispettivamente temperature massime di 90, 105, 120, 130, 155, 180°C. La temperatura limite della classe C supera i 180°C ed è limitata dalle proprietà del materiali utilizzati.

Con lo stesso carico sul motore elettrico, il suo riscaldamento sarà irregolare a diverse temperature ambiente. La temperatura di progetto t0 dell'ambiente è di 40 ° C. A questa temperatura vengono determinati i valori di potenza nominale dei motori elettrici.L'aumento della temperatura del motore elettrico al di sopra della temperatura ambiente è chiamato surriscaldamento:

L'uso dell'isolamento sintetico è in espansione. In particolare, gli isolamenti in silicone siliconico garantiscono un'elevata affidabilità delle macchine elettriche quando operano in condizioni tropicali.

Il calore generato in diverse parti del motore influisce in misura diversa sul riscaldamento dell'isolamento. Inoltre, avviene uno scambio termico tra le singole parti del motore elettrico, la cui natura varia a seconda delle condizioni di carico.

Il diverso riscaldamento delle singole parti del motore elettrico e il trasferimento di calore tra di loro complica lo studio analitico del processo. Pertanto, per semplicità, si presume condizionatamente che il motore elettrico sia un corpo termicamente omogeneo e infinitamente conduttore di calore. Si ritiene generalmente che il calore rilasciato da un motore elettrico all'ambiente sia proporzionale al surriscaldamento.In questo caso l'irraggiamento termico viene trascurato perché le temperature assolute di riscaldamento dei motori sono basse. Considera il processo di riscaldamento del motore elettrico sotto le ipotesi date.

Quando si lavora nel motore elettrico, il calore dq viene rilasciato durante il tempo dt. Parte di questo calore dq1 viene assorbito dalla massa del motore elettrico, per cui la temperatura t e il surriscaldamento τ del motore aumentano. Il calore rimanente dq2 viene rilasciato dal motore all'ambiente. Quindi l'uguaglianza può essere scritta

All'aumentare della temperatura del motore, il calore dq2 aumenta. Ad un certo valore di surriscaldamento, verrà ceduto all'ambiente tanto calore quanto ne viene rilasciato nel motore elettrico; allora dq = dq2 e dq1 = 0. La temperatura del motore elettrico smette di aumentare e il surriscaldamento raggiunge un valore stazionario di τу.

Sotto le ipotesi di cui sopra, l'equazione può essere scritta come segue:

dove Q è la potenza termica dovuta alle perdite nel motore elettrico, J / s; A - trasferimento di calore dal motore, ad es. la quantità di calore rilasciata dal motore nell'ambiente per unità di tempo a una differenza di temperatura tra il motore e l'ambiente di 1oC, J / s-deg; C è la capacità termica del motore, cioè la quantità di calore necessaria per aumentare la temperatura del motore di 1°C, J/deg.

Separando le variabili nell'equazione, abbiamo

Integriamo il lato sinistro dell'uguaglianza nell'intervallo da zero a un valore corrente del tempo t e il lato destro nell'intervallo dal surriscaldamento iniziale τ0 del motore elettrico al valore corrente del surriscaldamento τ:

Risolvendo l'equazione per τ, otteniamo un'equazione per il riscaldamento di un motore elettrico:

Indichiamo C / A = T e determiniamo la dimensione di questo rapporto:

Riso. 2. Curve caratterizzanti il ​​riscaldamento del motore elettrico

Riso. 3. Determinazione della costante di tempo di riscaldamento

Si chiama la quantità T, che ha la dimensione del tempo di riscaldamento costante del motore elettrico. In accordo con questa notazione, l'equazione del riscaldamento può essere riscritta come

Come puoi vedere dall'equazione, quando otteniamo — valore di surriscaldamento allo stato stazionario.

Quando cambia il carico sul motore elettrico, cambia l'ammontare delle perdite e quindi il valore di Q. Ciò porta a una variazione del valore di τу.

Nella fig. 2 mostra le curve di riscaldamento 1, 2, 3 corrispondenti all'ultima equazione per diversi valori di carico. Quando τу supera il valore del surriscaldamento consentito τn, il funzionamento continuo del motore elettrico è inaccettabile. Come risulta dall'equazione e dai grafici (Fig. 2), l'aumento del surriscaldamento è asintotico.

Quando sostituiamo il valore t = 3T nell'equazione, otteniamo un valore di τ che è circa solo il 5% inferiore a τy. Pertanto, durante il tempo t = 3T, il processo di riscaldamento può essere considerato praticamente completo.

Se in qualsiasi punto con la curva di riscaldamento (Fig. 3) si traccia una tangente alla curva di riscaldamento, quindi si traccia una verticale attraverso lo stesso punto, quindi il segmento de dell'asintoto, chiuso tra la tangente e la verticale, sulla scala dell'asse delle ascisse è uguale a T. Se prendiamo Q = 0 nell'equazione, otteniamo l'equazione del raffreddamento del motore:

La curva di raffreddamento mostrata in Fig. 4, corrisponde a questa equazione.

La costante di tempo del riscaldamento è determinata dalle dimensioni del motore elettrico e dalla forma della sua protezione contro le influenze ambientali. Per i motori elettrici a bassa potenza aperti e protetti, il tempo di riscaldamento è di 20-30 minuti. Per i motori elettrici chiusi ad alta potenza raggiunge le 2-3 ore.

Come accennato in precedenza, la teoria dichiarata del riscaldamento del motore elettrico è approssimativa e basata su ipotesi approssimative. Pertanto, la curva di riscaldamento misurata sperimentalmente differisce significativamente da quella teorica. Se, per diversi punti della curva di riscaldamento sperimentale, la costruzione mostrata in Fig. 3, risulta che i valori di T aumentano con l'aumentare del tempo. Pertanto, tutti i calcoli effettuati secondo l'equazione dovrebbero essere considerati approssimativi. In questi calcoli è consigliabile utilizzare la costante T determinata graficamente per il punto di partenza della curva di riscaldamento. Questo valore di T è il più piccolo e, se utilizzato, fornisce un certo margine di potenza del motore.

Riso. 4. Curva di raffreddamento del motore

La curva di raffreddamento misurata sperimentalmente differisce da quella teorica ancor più della curva di riscaldamento. La costante di tempo di raffreddamento corrispondente a motore spento è notevolmente più lunga della costante di tempo di riscaldamento a causa del ridotto trasferimento di calore in assenza di ventilazione.