Thermische Bedingungen und Nennleistung des Motors

Wenn der Elektromotor läuft, verliert er den Teil der verbrauchten elektrischen Energie, der verschwendet wird. Es entstehen Verluste im Wirkwiderstand der Wicklungen, im Stahl, wenn sich der Magnetfluss im Magnetkreis ändert, sowie mechanische Verluste durch Reibung in den Lagern und Reibung der rotierenden Teile der Maschine an der Luft. Am Ende wird die gesamte verlorene Energie in Wärmeenergie umgewandelt, die zur Erwärmung des Motors und zur Abgabe an die Umgebung verwendet wird.

Motorverluste sind konstant und variabel. Zu den Konstanten gehören Stahlverluste und mechanische Verluste in Wicklungen, bei denen der Strom konstant ist, sowie variable Verluste in Motorwicklungen.

In der ersten Zeit nach dem Einschalten wird der größte Teil der im Motor freigesetzten Wärme zur Temperaturerhöhung genutzt, ein geringerer Teil geht an die Umgebung. Wenn dann die Motortemperatur steigt, wird immer mehr Wärme an die Umgebung abgegeben, und irgendwann wird die gesamte erzeugte Wärme in den Weltraum abgegeben.Dann stellt sich ein thermisches Gleichgewicht ein und ein weiterer Anstieg der Motortemperatur wird gestoppt. Diese Aufwärmtemperatur des Motors wird als stationärer Zustand bezeichnet. Die stationäre Temperatur bleibt über die Zeit konstant, wenn sich die Motorlast nicht ändert.

Mit der Formel lässt sich die Wärmemenge Q ermitteln, die in 1 s im Motor freigesetzt wird

wo η- Motoreffizienz; P2 ist die Motorwellenleistung.

Aus der Formel folgt, dass je höher die Belastung des Motors ist, desto mehr Wärme wird in ihm erzeugt und desto höher ist seine Standtemperatur.

Erfahrungen mit dem Betrieb von Elektromotoren zeigen, dass die Hauptursache für deren Fehlfunktion eine Überhitzung der Wicklung ist. Solange die Temperatur der Isolierung den zulässigen Wert nicht überschreitet, baut sich der thermische Verschleiß der Isolierung sehr langsam auf. Doch mit steigender Temperatur nimmt der Isolationsverschleiß stark zu. Ich gehe praktisch davon aus, dass eine Überhitzung der Isolierung alle 8 °C ihre Lebensdauer halbiert. So kann ein Motor mit Baumwollisolierung der Wicklungen bei Nennlast und Erwärmungstemperatur bis 105 °C etwa 15 Jahre lang arbeiten, bei Überlastung und einem Temperaturanstieg auf 145 °C fällt der Motor nach 1,5 Monaten aus.

Laut GOST werden in der Elektrotechnik verwendete Isolierstoffe hinsichtlich der Wärmebeständigkeit in sieben Klassen eingeteilt, für die jeweils die maximal zulässige Temperatur festgelegt ist (Tabelle 1).

Die zulässige Überschreitung der Temperatur der Motorwicklung über die Umgebungstemperatur (in der UdSSR werden + 35 °C akzeptiert) beträgt für die Wärmebeständigkeitsklasse Y 55 °C, für Klasse A – 70 °C, für Klasse B – 95 °C , für Klasse I — 145 °C, für Klasse G über 155 °C.Der Temperaturanstieg eines bestimmten Motors hängt von der Größe seiner Last und seinem Betriebsmodus ab. Bei einer Umgebungstemperatur unter 35 °C kann der Motor über seine Nennleistung belastet werden, jedoch so, dass die Erwärmungstemperatur der Isolierung die zulässigen Grenzwerte nicht überschreitet.

Materialeigenschaft Hitzebeständigkeitsklasse Maximal zulässige Temperatur, ° C Nicht imprägnierte Baumwollstoffe, Garne, Papier und Fasermaterialien aus Zellulose und Seide Y 90 Die gleichen Materialien, jedoch mit Bindemitteln imprägniert A 105 Einige synthetische organische Filme E 120 Glimmer, Asbest und Materialien aus Glasfaser mit organischen Bindemitteln V 130 Die gleichen Materialien in Kombination mit synthetischen Bindemitteln und Imprägniermitteln F 155 Die gleichen Materialien, jedoch in Kombination mit Silizium, organischen Bindemitteln und Imprägniermitteln H 180 Glimmer, keramische Materialien, Glas, Quarz, Asbest, ohne Bindemittel verwendet oder mit anorganischen Bindemitteln G über 180

Basierend auf einer bekannten Wärmemenge B, die bei laufendem Motor abgeführt wird, kann eine Übertemperatur des Motors τ° C über der Umgebungstemperatur berechnet werden, d. h. Überhitzungstemperatur

wobei A die Wärmeübertragung des Motors ist, J / Grad • s; e ist die Basis natürlicher Logarithmen (e = 2,718); C ist die Wärmekapazität des Motors, J / Stadt; τО- der anfängliche Anstieg der Motortemperatur bei τ.

Die stationäre Motortemperatur τу kann aus dem vorherigen Ausdruck erhalten werden, indem τ = ∞... Dann τу = Q / А... Bei τо = 0 nimmt Gleichheit (2) die Form an

Dann bezeichnen wir das Verhältnis C / A zu T

wobei T die Heizzeitkonstante ist, s.

Die Heizkonstante ist die Zeit, die der Motor benötigt, um sich ohne Wärmeübertragung an die Umgebung auf eine stabile Temperatur zu erwärmen. Bei vorhandener Wärmeübertragung ist die Heiztemperatur kleiner und gleich

Die Zeitkonstante kann grafisch ermittelt werden (Abb. 1, a). Dazu wird eine Tangente vom Koordinatenursprung bis zum Schnittpunkt mit einer horizontalen Geraden gezogen, die durch den Punkt a verläuft, der der Temperatur der stationären Heizung entspricht. Das Segment ss ist gleich T und das Segment ab ist gleich der Zeit Ty, während der der Motor eine stationäre Temperatur τу erreicht… Normalerweise wird es mit 4T gleichgesetzt.

Die Heizkonstante hängt von der Nennleistung des Motors, seiner Drehzahl, der Bauart und der Kühlmethode ab, nicht jedoch von der Größe seiner Belastung.

Reis. 1. Heiz- und Kühlkurven des Motors: a – grafische Definition der Heizkonstante; b – Heizkurven bei verschiedenen Lasten

Wird der Motor nach dem Aufheizen vom Netz getrennt, erzeugt er ab diesem Zeitpunkt keine Wärme mehr, sondern die angesammelte Wärme wird weiterhin an die Umgebung abgegeben, der Motor kühlt ab.

Die Abkühlungsgleichung hat die Form

und die Kurve ist in Abb. dargestellt. 1, a.

Im Ausdruck ist To die Abkühlzeitkonstante. Sie unterscheidet sich von der Heizkonstante T, da sich die Wärmeübertragung vom ruhenden Motor von der Wärmeübertragung vom laufenden Motor unterscheidet.Gleichheit ist möglich, wenn der vom Netz getrennte Motor über eine externe Belüftung verfügt. Normalerweise ist die Abkühlkurve flacher als die Heizkurve. Bei Motoren mit externem Luftstrom ist To etwa 2-mal größer als T. In der Praxis können wir davon ausgehen, dass nach einem Zeitintervall von 3To bis 5To die Motortemperatur der Umgebungstemperatur entspricht.

Bei richtiger Wahl der Nennleistung des Motors sollte die stationäre Überhitzungstemperatur gleich der zulässigen Temperaturerhöhung τadd entsprechend der Isolationsklasse des Wicklungsdrahtes sein. Den unterschiedlichen Belastungen P1 <P2 <P3 desselben Motors entsprechen bestimmte Verluste ΔP1 <ΔP2 <ΔP3 und die Werte der ermittelten Überhitzungstemperatur (Abb. 1, b). Bei Nennlast kann der Motor über einen langen Zeitraum ohne gefährliche Überhitzung betrieben werden, bei einem Anstieg der Last auf die zulässige Schaltzeit beträgt diese nicht mehr als t2 und bei Leistung nicht mehr als t3.

Basierend auf dem oben Gesagten können wir die folgende Definition der Nennleistung des Motors geben. Die Nennleistung des Motors ist die Wellenleistung, bei der die Temperatur seiner Wicklung die Umgebungstemperatur um einen Betrag übersteigt, der den anerkannten Überhitzungsnormen entspricht.