תנאים תרמיים והספק מנוע מדורג

כאשר המנוע החשמלי פועל, הוא מאבד כדי לכסות איזה חלק מהאנרגיה החשמלית הנצרכת מבוזבז. הפסדים מתרחשים בהתנגדות הפעילה של הפיתולים, בפלדה כאשר השטף המגנטי משתנה במעגל המגנטי, כמו גם הפסדים מכניים עקב חיכוך במיסבים וחיכוך של חלקי המכונה המסתובבים נגד האוויר. בסופו של דבר, כל האנרגיה האבודה מומרת לאנרגיית חום, המשמשת לחימום המנוע ולהתפזרות לסביבה.

הפסדי המנוע הם קבועים ומשתנים. הקבועים כוללים הפסדי פלדה והפסדים מכניים בפיתולים שבהם הזרם קבוע, והפסדים משתנים בפיתולי המנוע.

בתקופה הראשונית לאחר ההדלקה, רוב החום המשתחרר במנוע הולך להעלות את הטמפרטורה שלו, ופחות הולך לסביבה. ואז, ככל שטמפרטורת המנוע עולה, יותר ויותר חום מועבר לסביבה, ומגיע השלב שבו כל החום שנוצר מתפזר לחלל.לאחר מכן נוצר שיווי משקל תרמי ועלייה נוספת בטמפרטורת המנוע נעצרת. טמפרטורת חימום המנוע הזו נקראת מצב יציב. טמפרטורת המצב היציב נשארת קבועה לאורך זמן אם עומס המנוע אינו משתנה.

ניתן לקבוע את כמות החום Q שמשתחררת במנוע תוך 1 שניות לפי הנוסחה

כאשר η- יעילות מנוע; P2 הוא כוח גל המנוע.

מהנוסחה עולה שככל שהעומס על המנוע גדול יותר, כך נוצר בו יותר חום והטמפרטורה הנייחת שלו גבוהה יותר.

ניסיון בהפעלת מנועים חשמליים מראה שהגורם העיקרי לתקלה שלהם הוא התחממות יתר של הפיתול. כל עוד טמפרטורת הבידוד אינה עולה על הערך המותר, הבלאי התרמי של הבידוד מצטבר באיטיות רבה. אבל ככל שהטמפרטורה עולה, בלאי הבידוד עולה בחדות. האמינו למעשה כי התחממות יתר של הבידוד עבור כל 8 מעלות צלזיוס מקצצת את חייו בחצי. אז, מנוע עם בידוד כותנה של פיתולים בעומס מדורג וטמפרטורת חימום עד 105 מעלות צלזיוס יכול לעבוד במשך כ-15 שנים, כאשר עומס יתר על המידה והטמפרטורה עולה ל-145 מעלות צלזיוס, המנוע ייכשל לאחר 1.5 חודשים.

על פי GOST, חומרי בידוד המשמשים בהנדסת חשמל מחולקים לשבע מחלקות במונחים של עמידות בחום, עבור כל אחד מהם נקבעת הטמפרטורה המקסימלית המותרת (טבלה 1).

העודף המותר של טמפרטורת מתפתל המנוע מעל טמפרטורת הסביבה (בברית המועצות + 35 מעלות צלזיוס מקובל) עבור דרגת עמידות בחום Y הוא 55 מעלות צלזיוס, עבור מחלקה A - 70 מעלות צלזיוס, עבור מחלקה B - 95 מעלות צלזיוס , עבור סוג I - 145 מעלות צלזיוס, עבור סוג G מעל 155 מעלות צלזיוס.עליית הטמפרטורה של מנוע נתון תלויה בגודל העומס ובמצב הפעולה שלו. בטמפרטורת סביבה מתחת ל-35 מעלות צלזיוס, ניתן להעמיס את המנוע מעל ההספק הנקוב שלו, אך כך שטמפרטורת החימום של הבידוד לא תחרוג מהגבולות המותרים.

מאפיין חומר דרגת עמידות בחום טמפרטורה מקסימלית מותרת, ° C בדי כותנה לא ספוגים, חוטים, נייר וחומרים סיביים של תאית ומשי Y 90 אותם חומרים, אך ספוג בקלסרים A 105 כמה סרטים אורגניים סינתטיים E 120 מיקה, אסבסט וחומרים של פיברגלס המכיל קלסרים אורגניים V 130 אותם חומרים בשילוב עם קלסרים סינתטיים וחומרי אימפרגנציה F 155 אותם חומרים אך בשילוב עם סיליקון, קלסרים אורגניים ותרכובות אימפרגנציה H 180 Mica, חומרים קרמיים, זכוכית, קוורץ, אסבסט, בשימוש ללא קלסרים או עם קלסרים אנאורגניים G יותר מ-180

בהתבסס על כמות ידועה של חום B שמתפזר כשהמנוע פועל, ניתן לחשב טמפרטורת מנוע עודפת τ° C מעל טמפרטורת הסביבה, כלומר. טמפרטורת חום-על

כאשר A הוא העברת החום של המנוע, J / deg • s; e הוא הבסיס של לוגריתמים טבעיים (e = 2.718); C הוא הקיבולת התרמית של המנוע, J / עיר; τО- העלייה הראשונית בטמפרטורת המנוע ב-τ.

ניתן לקבל טמפרטורת מנוע במצב יציב τу מהביטוי הקודם על ידי לקיחת τ = ∞... ואז τу = Q / А... ב-τо = 0, השוויון (2) מקבל את הצורה

אז נסמן את היחס C/A ל-T

כאשר T הוא קבוע זמן החימום, s.

קבוע החימום הוא הזמן שלוקח למנוע להתחמם לטמפרטורת מצב יציב בהיעדר העברת חום לסביבה. בנוכחות העברת חום, טמפרטורת החימום תהיה פחותה ושווה ל

ניתן למצוא את קבוע הזמן בצורה גרפית (איור 1, א). לשם כך, נמשך קו משיק ממקור הקואורדינטות עד שהוא נחתך עם קו ישר אופקי העובר בנקודה a, המתאים לטמפרטורת החימום הנייח. הקטע ss יהיה שווה ל-T והקטע ab יהיה שווה לזמן Ty שבמהלכו המנוע מגיע לטמפרטורת מצב יציב τу... זה בדרך כלל נחשב שווה ל-4T.

קבוע החימום תלוי בהספק המדורג של המנוע, מהירותו, עיצובו ושיטת הקירור, אך אינו תלוי בגודל העומס שלו.

אורז. 1. עקומות חימום וקירור המנוע: א - הגדרה גרפית של קבוע החימום; ב - עקומות חימום בעומסים שונים

אם המנוע, לאחר החימום, מנותק מהרשת, מאותו רגע הוא כבר לא מייצר חום, אלא החום המצטבר ממשיך להתפזר לסביבה, המנוע מתקרר.

למשוואת הקירור יש את הצורה

והעקומה מוצגת באיור. 1, א.

בביטוי, To הוא קבוע זמן הקירור. הוא שונה מקובוע החימום T מכיוון שהעברת החום מהמנוע במנוחה שונה מהעברת החום מהמנוע הפועל.שוויון אפשרי כאשר למנוע המנותק מהרשת יש אוורור חיצוני. בדרך כלל עקומת הקירור שטוחה יותר מעקומת החימום. עבור מנועים עם זרימת אוויר חיצונית, To גדול פי 2 בערך מ-T. בפועל, ניתן להניח שלאחר מרווח זמן של 3To עד 5To, טמפרטורת המנוע הופכת שווה לטמפרטורת הסביבה.

עם בחירה נכונה של ההספק הנומינלי של המנוע, טמפרטורת התחממות יתר במצב יציב צריכה להיות שווה לעליית הטמפרטורה המותרת τלהוסיף בהתאם לדרגת הבידוד של החוט המתפתל. העומסים השונים P1 <P2 <P3 של אותו מנוע תואמים להפסדים מסוימים ΔP1 <ΔP2 <ΔP3 ולערכים של טמפרטורת התחממות יתר שנקבעה (איור 1, ב). בעומס מדורג, המנוע יכול לפעול לאורך זמן ללא התחממות יתר מסוכנת, בעוד כאשר העומס עולה לזמן המעבר המותר, הוא לא יהיה יותר מ-t2, ובכוח לא יותר מ-t3.

בהתבסס על האמור לעיל, נוכל לתת את ההגדרה הבאה של ההספק הנקוב של המנוע. ההספק המדורג של המנוע הוא כוח הציר שבו טמפרטורת הפיתול שלו עולה על טמפרטורת הסביבה בכמות התואמת לתקני התחממות יתר המקובלים.