Aquecimento e resfriamento de motores elétricos

A determinação correta da potência dos motores elétricos para várias máquinas, mecanismos e máquinas de corte de metal é de grande importância. Com energia insuficiente, é impossível usar totalmente as capacidades de produção da máquina para realizar o processo tecnológico planejado. Se a energia for insuficiente, o motor elétrico falhará prematuramente.

A superestimação da potência do motor elétrico leva ao seu subcarregamento sistemático e, consequentemente, ao uso incompleto do motor, ao seu funcionamento com baixo rendimento e a um pequeno fator de potência (para motores assíncronos). Além disso, quando a potência do motor é superestimada, os custos operacionais e de capital aumentam.

A potência necessária para operar a máquina e, portanto, a potência desenvolvida pelo motor elétrico, muda durante a operação da máquina. A carga em um motor elétrico pode ser caracterizada pelo gráfico de carga (Fig. 1), que é a dependência da potência do eixo do motor, seu torque ou corrente no tempo.Depois de terminar o processamento da peça de trabalho, a máquina é parada, a peça de trabalho é medida e a peça de trabalho é substituída. A programação de carregamento é então repetida novamente (ao processar peças do mesmo tipo).

Para garantir a operação normal sob uma carga tão variável, o motor elétrico deve desenvolver a maior potência necessária durante o processamento e não superaquecer durante a operação contínua de acordo com este cronograma de carga. A sobrecarga admissível de motores elétricos é determinada por suas propriedades elétricas.

Arroz. 1. Carregue a tabela ao usinar o mesmo tipo de peças

Quando o motor estiver funcionando, perdas de energia (e potência)fazendo com que ele aqueça. Parte da energia consumida pelo motor elétrico é gasta no aquecimento de seus enrolamentos, no aquecimento do circuito magnético do histerese e correntes parasitas transportando fricção e fricção do ar. As perdas de calor dos enrolamentos, proporcionais ao quadrado da corrente, são chamadas variáveis ​​(ΔРtrans)... As perdas remanescentes no motor dependem um pouco de sua carga e são convencionalmente chamadas de constantes (ΔРpos).

O aquecimento permitido de um motor elétrico é determinado pelos materiais menos resistentes ao calor de sua construção. Este material é o isolamento de sua bobina.

Os seguintes são usados ​​para isolar máquinas elétricas:

• tecidos de algodão e seda, fios, papel e materiais fibrosos orgânicos não impregnados de compostos isolantes (classe de resistência ao calor U);

• os mesmos materiais, impregnados (classe A);

• filmes orgânicos sintéticos (classe E);

• materiais de amianto, mica, fibra de vidro com aglutinantes orgânicos (classe B);

• o mesmo, mas com aglutinantes sintéticos e impregnantes (classe F);

• os mesmos materiais, mas com aglutinantes de silício e impregnantes (classe H);

• mica, cerâmica, vidro, quartzo sem ligantes ou com ligantes inorgânicos (classe C).

As classes de isolamento U, A, E, B, F, H, respectivamente, permitem temperaturas máximas de 90, 105, 120, 130, 155, 180 ° C. A temperatura limite da classe C excede 180 ° C e é limitada pelas propriedades do materiais usados.

Com a mesma carga no motor elétrico, seu aquecimento será desigual em diferentes temperaturas ambientes. A temperatura de projeto t0 do ambiente é de 40 ° C. Nessa temperatura, os valores de potência nominal dos motores elétricos são determinados. O aumento da temperatura do motor elétrico acima da temperatura ambiente é chamado de superaquecimento:

O uso de isolamento sintético está se expandindo. Em particular, os isolamentos de silício e silício garantem alta confiabilidade de máquinas elétricas ao operar em condições tropicais.

O calor gerado em diferentes partes do motor afeta o aquecimento do isolamento em diferentes graus. Além disso, ocorre troca de calor entre as partes individuais do motor elétrico, cuja natureza muda dependendo das condições de carga.

O diferente aquecimento das partes individuais do motor elétrico e a transferência de calor entre elas complica o estudo analítico do processo. Portanto, para simplificar, assume-se condicionalmente que o motor elétrico é um corpo termicamente homogêneo e infinitamente condutor de calor. Geralmente acredita-se que o calor liberado por um motor elétrico para o ambiente é proporcional ao superaquecimento.Neste caso, a radiação térmica é desprezada porque as temperaturas absolutas de aquecimento dos motores são baixas. Considere o processo de aquecimento do motor elétrico sob as hipóteses dadas.

Ao trabalhar no motor elétrico, o calor dq é liberado durante o tempo dt. Parte desse calor dq1 é absorvida pela massa do motor elétrico, fazendo com que a temperatura t e o superaquecimento τ do motor aumentem. O calor restante dq2 é liberado do motor para o ambiente. Assim, a igualdade pode ser escrita

À medida que a temperatura do motor aumenta, o calor dq2 aumenta. A um determinado valor de superaquecimento, tanto calor será cedido ao ambiente quanto é liberado no motor elétrico; então dq = dq2 e dq1 = 0. A temperatura do motor elétrico para de aumentar e o superaquecimento atinge um valor estacionário de τу.

Sob as hipóteses acima, a equação pode ser escrita da seguinte forma:

onde Q é a potência térmica devido às perdas no motor elétrico, J/s; A — transferência de calor do motor, ou seja, a quantidade de calor liberada pelo motor no ambiente por unidade de tempo a uma diferença de temperatura entre o motor e o ambiente de 1oC, J / s-deg; C é a capacidade térmica do motor, ou seja, a quantidade de calor necessária para aumentar a temperatura do motor em 1 ° C, J / deg.

Separando as variáveis ​​na equação, temos

Integramos o lado esquerdo da igualdade no intervalo de zero a algum valor atual do tempo t e o lado direito no intervalo do superaquecimento inicial τ0 do motor elétrico ao valor atual do superaquecimento τ:

Resolvendo a equação para τ, obtemos uma equação para aquecer um motor elétrico:

Vamos denotar C / A = T e determinar a dimensão dessa razão:

Arroz. 2. Curvas que caracterizam o aquecimento do motor elétrico

Arroz. 3. Determinação da constante de tempo de aquecimento

É chamado de quantidade T, que tem a dimensão do tempo de aquecimento constante do motor elétrico. De acordo com esta notação, a equação do aquecimento pode ser reescrita como

Como você pode ver na equação, quando obtemos - valor de superaquecimento em estado estacionário.

Quando a carga do motor elétrico muda, a quantidade de perdas muda e, portanto, o valor de Q. Isso leva a uma mudança no valor de τу.

Na fig. 2 mostra as curvas de aquecimento 1, 2, 3 correspondentes à última equação para diferentes valores de carga. Quando τу excede o valor do superaquecimento permitido τn, a operação contínua do motor elétrico é inaceitável. Como se segue da equação e dos gráficos (Fig. 2), o aumento do superaquecimento é assintótico.

Quando substituímos o valor t = 3T na equação, obtemos um valor de τ que é aproximadamente apenas 5% menor que τy. Assim, durante o tempo t = 3T, o processo de aquecimento pode ser considerado praticamente completo.

Se em qualquer ponto com a curva de aquecimento (Fig. 3) você traçar uma tangente à curva de aquecimento, desenhe uma vertical passando pelo mesmo ponto, então o segmento de da assíntota, fechado entre a tangente e a vertical, na escala do eixo das abcissas é igual a T. Se tomarmos Q = 0 na equação, obtemos a equação de resfriamento do motor:

A curva de resfriamento mostrada na Fig. 4, corresponde a esta equação.

A constante de tempo de aquecimento é determinada pelo tamanho do motor elétrico e a forma de sua proteção contra influências ambientais. Para motores elétricos de baixa potência abertos e protegidos, o tempo de aquecimento é de 20 a 30 minutos. Para motores elétricos fechados de alta potência, chega a 2-3 horas.

Conforme mencionado acima, a teoria declarada de aquecimento do motor elétrico é aproximada e baseada em suposições grosseiras. Portanto, a curva de aquecimento medida experimentalmente difere significativamente da teórica. Se, para diferentes pontos da curva de aquecimento experimental, a construção mostrada na Fig. 3, verifica-se que os valores de T aumentam com o aumento do tempo. Portanto, todos os cálculos feitos de acordo com a equação devem ser considerados aproximados. Nestes cálculos é aconselhável utilizar a constante T determinada graficamente para o ponto inicial da curva de aquecimento. Este valor de T é o menor e, quando usado, fornece uma certa margem de potência do motor.

Arroz. 4. Curva de resfriamento do motor

A curva de resfriamento medida experimentalmente difere da teórica ainda mais do que a curva de aquecimento. A constante de tempo de resfriamento correspondente ao motor desligado é significativamente maior do que a constante de tempo de aquecimento devido à redução da transferência de calor na ausência de ventilação.