НАГРЕВ ДВИГАТЕЛЯ
Анализ повреждений асинхронных двигателей показывает, что основной причиной их выхода из строя является разрушение изоляции из-за перегрева. Температура нагрева обмоток зависит от теплотехнических характеристик двигателя и параметров окружающей среды. Часть выделяемого в двигателе тепла идет на нагрев обмоток, а остальное отдается в окружающую среду. На процесс нагрева влияют такие физические параметры, как теплоемкость и теплоотдача. В зависимости от теплового состояния двигателя и окружающего воздуха степень их влияния может быть различной. Если разность температур двигателя и окружающей среды невелика, а выделяемая энергия значительна, то ее основная часть поглощается обмоткой, сталью статора и ротора, корпусом двигателя и другими его частями. Происходит интенсивный рост температуры изоляции. По мере нагрева все больше проявляется влияние теплоотдачи. Процесс устанавливается после достижения равновесия между выделяемым теплом и теплом, отдаваемым в окружающую среду. Повышение тока сверх допустимого значения не сразу приводит к аварийному состоянию. Требуется некоторое время, прежде чем статор и ротор нагреются до предельной температуры. Поэтому нет необходимости в том, чтобы защита реагировала на каждое превышение тока. Она должна отключать машину только в тех случаях, когда возникает опасность быстрого износа изоляции. В отдельных случаях допустим даже нагрев свыше нормированного значения, если такие перегрузки не вызывают заметного снижения общего срока службы машины.
Для того чтобы определить требования к средствам защиты, рассмотрим, как протекает процесс нарастания температуры двигателя и от чего это зависит.
Преобразование электрической энергии в механическую сопровождается потерями в двигателе. Значительная часть их в виде тепла выделяется в обмотках статора и ротора. Некоторая часть энергии расходуется на преодоление сил трения вращающихся частей о воздух и в подшипниках. Часть потерь составляет энергия, выделяемая в стали машины при ее перемагничивании в поле переменного тока.
Различают потери переменные и постоянные. Под переменными понимают потери, зависящие от тока (нагрузки). Постоянными считают потери, не зависящие от тока (механические, на перемагничивание стали). Для того чтобы облегчить анализ тепловых процессов, часто пренебрегают постоянной составляющей и считают потери пропорциональными квадрату тока. Это значительно облегчает расчеты и позволяет, не вдаваясь в детали, судить о тепловом состоянии двигателя при меняющейся нагрузке.
Явления теплообмена между отдельными частями двигателя очень сложны. Для рассмотрения общей картины нагрева можно обратиться к упрощенной модели, с достаточной точностью отражающей картину нагрева изоляции.
Упрощение основывается на нескольких допущениях. Реальный двигатель, состоящий из разнородных частей с разными теплотехническими свойствами, считают однородным телом с бесконечно большой теплопроводностью. Последнее свойство означает, что температура во всех точках рассматриваемого тела всегда одинакова. Такая модель соответствует оригиналу при сравнительно медленных возрастаниях температуры. Если же происходит скачкообразное возрастание тока, то температура в проводниках повышается быстрее, чем в примыкающих к ним частях машины.
Другое допущение заключается в том, что коэффициент теплоотдачи двигателя принимают постоянным. Это положение, которое на первый взгляд кажется само собой разумеющимся, может оказаться нарушенным при снижении скорости вращения ротора или при загрязнении корпуса двигателя.
Температура обмоток также зависит от температуры окружающей среды. Для того чтобы каждый раз не оговаривать погодные условия, нагрев двигателя оценивают по превышению температуры обмоток над окружающей средой. Это позволяет учитывать только тепло, выделяемое в самом двигателе.
 |
| Рис, 5. Кривые нагрева (1) и охлаждения (2) двигателя. |
Пользуясь описанной упрощенной моделью, рассмотрим процесс нагрева двигателя, не прибегая к математическому аппарату. Это дает возможность сосредоточить наше внимание не на количественной стороне явлений, а на их физической сущности.
Задачу сформулируем следующим образом. В однородном теле, обладающем бесконечно большой теплопроводностью, равномерно выделяется некоторое количество тепла. Требуется проследить, как будет проходить процесс нагрева тела по отношению к окружающей среде.
Часть поступающего тепла расходуется на нагрев тела, другая часть через его поверхность отдается в окружающую среду. В начале процесса, когда разность температур между телом и средой равна нулю, все поступающее тепло поглощается телом. По мере нарастания температуры теплоотдача увеличивается, и через некоторое время наступает динамическое равновесие. Тело нагревается до такой температуры, при которой вся поступающая за единицу времени энергия отдается в окружающую среду. На рисунке 5 показан график изменения превышения температуры тела во времени. В самом начале процесса скорость нагрева тела большая, кривая температуры круто поднимается, затем скорость замедляется и через некоторое время рост температуры прекращается, наступает установившееся состояние.
Скорость нагревания характеризуется постоянной времени нагрева Т. Графически она представляет отрезок, отсекаемый касательной ОА, проведенной к кривой нагрева в начале координат, на линии установившегося значения температуры. Можно сказать, что постоянная времени является мерой тепловой инерции: чем она больше, тем медленнее идет нагрев. Это видно из графика. Увеличение Т означает больший наклон кривой нагрева к оси абсцисс, что указывает на замедление процесса нагрева.
Постоянная времени нагрева зависит от коэффициентов теплоемкости и теплоотдачи. Чем больше теплоемкость тела, тем больше Т и тем медленнее нарастает температура. Увеличение теплоотдачи ведет к ускорению процесса установившегося теплового состояния. Таким образом, постоянная времени нагрева является обобщающим параметром, характеризующим тепловую инерцию двигателя. У современных асинхронных двигателей она составляет величину, измеряемую десятками минут. Для защищенных двигателей небольшой мощности Т находится в пределах 10 — 20 мин. Считается, что равновесное состояние достигается через время, равное 3 — 4 Т. Следовательно, температура нагрева двигателя принимает установившееся значение через 30 — 80 мин после возникновения перегрузки.
Аналогичным образом протекает процесс охлаждения. После отключения двигателя происходит интенсивная теплоотдача и температура двигателя быстро падает. Затем по мере выравнивания температур двигателя и окружающей среды теплоотдача уменьшается, а процесс охлаждения замедляется.
В отличие от процесса нагрева здесь скорость изменения температуры ниже, а постоянная времени охлаждения меньше постоянной времени нагрева. Это объясняется ухудшением теплоотдачи двигателя. При остановке ротора обдув нагретых частей нагнетаемым вентилятором воздухом прекращается.