חימום וקירור מנועים חשמליים

לקביעה נכונה של כוחם של מנועים חשמליים למכונות שונות, מנגנונים ומכונות חיתוך מתכות ישנה חשיבות רבה. עם כוח לא מספיק, אי אפשר להשתמש במלוא יכולות הייצור של המכונה, כדי לבצע את התהליך הטכנולוגי המתוכנן. אם הכוח אינו מספיק, המנוע החשמלי ייכשל בטרם עת.

הערכת יתר של כוחו של המנוע החשמלי מובילה לטעינת חסר שיטתית שלו וכתוצאה מכך לשימוש לא שלם במנוע, פעולתו ביעילות נמוכה ומקדם הספק קטן (עבור מנועים אסינכרוניים). כמו כן, כאשר כוח המנוע מוערך יתר על המידה, עלויות ההון והתפעול גדלות.

ההספק הנדרש להפעלת המכונה, ולכן ההספק שפותח על ידי המנוע החשמלי, משתנה במהלך פעולת המכונה. ניתן לאפיין את העומס על מנוע חשמלי על ידי גרף העומס (איור 1), שהוא התלות של הכוח מציר המנוע, המומנט או הזרם שלו בזמן.לאחר סיום עיבוד חומר העבודה, המכונה נעצרת, חומר העבודה נמדד, וחומר העבודה מוחלף. לאחר מכן חוזרים על לוח הזמנים של הטעינה שוב (כאשר מעבדים חלקים מאותו סוג).

כדי להבטיח פעולה תקינה בעומס משתנה כזה, על המנוע החשמלי לפתח את ההספק הגבוה ביותר הנדרש במהלך העיבוד ולא להתחמם יתר על המידה במהלך פעולה רציפה בהתאם ללוח זמנים לעומס זה. עומס היתר המותר של מנועים חשמליים נקבע על פי התכונות החשמליות שלהם.

אורז. 1. טען את לוח הזמנים בעת עיבוד של אותו סוג של חלקים

כאשר המנוע פועל, הפסדי אנרגיה (וכוח).גורם לו להתחמם. חלק מהאנרגיה שצורך המנוע החשמלי מושקע על חימום פיתוליו, על חימום המעגל המגנטי של היסטרזיס וזרמי מערבולת הנושאים חיכוך וחיכוך אוויר. הפסדי החום של הפיתולים, פרופורציונליים לריבוע הזרם, נקראים משתנים (ΔРtrans)... ההפסדים הנותרים במנוע תלויים מעט בעומס שלו ונקראים באופן מקובל קבועים (ΔРpos).

החימום המותר של מנוע חשמלי נקבע על ידי החומרים הכי פחות עמידים בחום של בנייתו. חומר זה הוא הבידוד של הסליל שלו.

הדברים הבאים משמשים לבידוד מכונות חשמליות:

• בדי כותנה ומשי, חוטים, נייר וחומרים אורגניים סיביים שאינם ספוגים בתרכובות מבודדות (דרגת עמידות בחום U);

• אותם חומרים, ספוג (מחלקה A);

• סרטים אורגניים סינתטיים (מחלקה E);

• חומרים מאסבסט, נציץ, פיברגלס עם קלסרים אורגניים (סוג B);

• זהה, אבל עם קלסרים סינתטיים וחומרי הספגה (מחלקה F);

• אותם חומרים, אבל עם קלסרים מסיליקון וחומרי אימפרגנציה (מחלקה H);

• נציץ, קרמיקה, זכוכית, קוורץ ללא קלסרים או עם קלסרים אנאורגניים (מחלקה C).

דרגות בידוד U, A, E, B, F, H בהתאמה מאפשרות טמפרטורות מקסימליות של 90, 105, 120, 130, 155, 180 מעלות צלזיוס. הטמפרטורה המגבילה של מחלקה C עולה על 180 מעלות צלזיוס ומוגבלת על ידי המאפיינים של חומרים בשימוש.

עם אותו עומס על המנוע החשמלי, החימום שלו יהיה לא אחיד בטמפרטורות סביבה שונות. טמפרטורת התכנון t0 של הסביבה היא 40 מעלות צלזיוס. בטמפרטורה זו נקבעים ערכי ההספק הנומינליים של המנועים החשמליים. העלייה בטמפרטורה של המנוע החשמלי מעל טמפרטורת הסביבה נקראת התחממות יתר:

השימוש בבידוד סינטטי הולך ומתרחב. בפרט, בידוד סיליקון סיליקון מבטיח אמינות גבוהה של מכונות חשמליות בעת פעילות בתנאים טרופיים.

החום הנוצר בחלקים שונים של המנוע משפיע על חימום הבידוד בדרגות שונות. בנוסף, מתרחש חילופי חום בין החלקים הבודדים של המנוע החשמלי, שאופיו משתנה בהתאם לתנאי העומס.

החימום השונה של החלקים הבודדים של המנוע החשמלי והעברת החום ביניהם מסבכים את המחקר האנליטי של התהליך. לכן, למען הפשטות, ההנחה על תנאי שהמנוע החשמלי הוא גוף הומוגני תרמית ומוליך חום לאין שיעור. נהוג להאמין שהחום שמשחרר מנוע חשמלי לסביבה הוא פרופורציונלי להתחממות-על.במקרה זה, קרינה תרמית מוזנחת מכיוון שטמפרטורות החימום האבסולוטיות של המנועים נמוכות. שקול את תהליך החימום של המנוע החשמלי תחת ההנחות הנתונות.

בעבודה במנוע החשמלי משתחרר החום dq בזמן dt. חלק מהחום הזה dq1 נספג במסה של המנוע החשמלי, וכתוצאה מכך הטמפרטורה t והתחממות יתר τ של המנוע עולים. החום הנותר dq2 משתחרר מהמנוע לסביבה. כך ניתן לכתוב את השוויון

ככל שטמפרטורת המנוע עולה, החום dq2 עולה. בערך מסוים של התחממות יתר, יינתן חום רב לסביבה כפי שמשתחרר במנוע החשמלי; ואז dq = dq2 ו-dq1 = 0. הטמפרטורה של המנוע החשמלי מפסיקה לעלות והתחממות יתר מגיעה לערך נייח של τу.

לפי ההנחות לעיל, ניתן לכתוב את המשוואה כך:

כאשר Q הוא ההספק התרמי עקב הפסדים במנוע החשמלי, J/s; א - העברת חום מהמנוע, כלומר. כמות החום שמשחרר המנוע לסביבה ליחידת זמן בהפרש טמפרטורה בין המנוע לסביבה של 1oC, J/s-deg; C הוא הקיבולת התרמית של המנוע, כלומר. כמות החום הנדרשת להגדלת טמפרטורת המנוע ב-1 מעלות צלזיוס, J / deg.

הפרדת המשתנים במשוואה, יש לנו

אנו משלבים את הצד השמאלי של השוויון בטווח שבין אפס לערך זרם כלשהו של זמן t ואת הצד הימני בטווח מהתחממות יתר הראשונית τ0 של המנוע החשמלי לערך הנוכחי של התחממות יתר τ:

כשפותרים את המשוואה עבור τ, נקבל משוואה לחימום מנוע חשמלי:

הבה נסמן C / A = T ונקבע את הממד של יחס זה:

אורז. 2. עקומות המאפיינות את חימום המנוע החשמלי

אורז. 3. קביעת קבוע זמן החימום

זה נקרא הכמות T, שיש לה את המימד של מנוע חשמלי קבוע בזמן חימום זמן. בהתאם לסימון זה, ניתן לשכתב את משוואת החימום כ

כפי שניתן לראות מהמשוואה, כאשר נקבל - ערך חום-על במצב יציב.

כאשר העומס על המנוע החשמלי משתנה, כמות ההפסדים משתנה ולכן הערך של Q. זה מוביל לשינוי בערך של τу.

באיור. 2 מציג את עקומות החימום 1, 2, 3 המתאימות למשוואה האחרונה עבור ערכי עומס שונים. כאשר τу חורג מהערך של התחממות יתר המותרת τn, הפעולה הרציפה של המנוע החשמלי אינה מקובלת. כדלקמן מהמשוואה והגרפים (איור 2), העלייה בחום-העל היא אסימפטוטית.

כאשר אנו מחליפים את הערך t = 3T במשוואה, נקבל ערך של τ שהוא רק ב-5% פחות מ-τy. לפיכך, במהלך הזמן t = 3T, תהליך החימום יכול להיחשב שלם.

אם בנקודה כלשהי עם עקומת החימום (איור 3) אתה מצייר משיק לעקומת החימום, ואז מצייר אנכי דרך אותה נקודה, ואז הקטע דה של האסימפטוטה, סגור בין המשיק לאנך, על הסולם של ציר האבשיסה שווה ל-T. אם ניקח את Q = 0 במשוואה, נקבל את משוואת קירור המנוע:

עקומת הקירור המוצגת באיור. 4, מתאים למשוואה זו.

קבוע הזמן של החימום נקבע על פי גודל המנוע החשמלי וצורת ההגנה שלו מפני השפעות סביבתיות. עבור מנועים חשמליים פתוחים ומוגנים עם הספק נמוך, זמן החימום הוא 20-30 דקות. עבור מנועים חשמליים סגורים בעוצמה גבוהה, זה מגיע ל-2-3 שעות.

כפי שהוזכר לעיל, התיאוריה המוצהרת של חימום מנוע חשמלי היא משוערת ומבוססת על הנחות גסות. לכן, עקומת החימום הנמדדת בניסוי שונה משמעותית מזו התיאורטית. אם, עבור נקודות שונות של עקומת החימום הניסיונית, המבנה המוצג באיור. 3, מסתבר שהערכים של T עולים עם הזמן. לכן, כל החישובים שנעשו על פי המשוואה צריכים להיחשב משוערים. בחישובים אלו רצוי להשתמש בקבוע T שנקבע בצורה גרפית לנקודת ההתחלה של עקומת החימום. ערך זה של T הוא הקטן ביותר, ובשימוש מספק מרווח מסוים של כוח המנוע.

אורז. 4. עקומת קירור מנוע

עקומת הקירור שנמדדה בניסוי שונה מזו התיאורטית אפילו יותר מעקומת החימום. קבוע זמן הקירור המתאים למנוע כבוי ארוך משמעותית מקובוע זמן החימום עקב העברת חום מופחתת בהיעדר אוורור.