Calefacción y refrigeración de motores eléctricos.

La determinación correcta de la potencia de los motores eléctricos para varias máquinas, mecanismos y máquinas de corte de metales es de gran importancia. Con potencia insuficiente, es imposible utilizar completamente las capacidades de producción de la máquina para llevar a cabo el proceso tecnológico planificado. Si la potencia es insuficiente, el motor eléctrico fallará prematuramente.

La sobreestimación de la potencia del motor eléctrico conduce a su subcarga sistemática y, como resultado, al uso incompleto del motor, su funcionamiento con baja eficiencia y un pequeño factor de potencia (para motores asíncronos). Además, cuando se sobrestima la potencia del motor, aumentan los costos operativos y de capital.

La potencia requerida para operar la máquina, y por lo tanto la potencia desarrollada por el motor eléctrico, cambia durante la operación de la máquina. La carga en un motor eléctrico se puede caracterizar por el gráfico de carga (Fig. 1), que es la dependencia de la potencia del eje del motor, su par o corriente en el tiempo.Después de terminar de procesar la pieza de trabajo, la máquina se detiene, se mide la pieza de trabajo y se reemplaza la pieza de trabajo. El programa de carga se repite de nuevo (cuando se procesan piezas del mismo tipo).

Para garantizar el funcionamiento normal con una carga tan variable, el motor eléctrico debe desarrollar la potencia más alta requerida durante el procesamiento y no sobrecalentarse durante el funcionamiento continuo de acuerdo con este programa de carga. La sobrecarga permisible de los motores eléctricos está determinada por sus propiedades eléctricas.

Arroz. 1. Cargue el programa al mecanizar el mismo tipo de piezas

Cuando el motor está funcionando, pérdidas de energía (y potencia)haciendo que se caliente. Parte de la energía consumida por el motor eléctrico se gasta en calentar sus devanados, en calentar el circuito magnético de histéresis y corrientes de Foucault que llevan fricción y fricción del aire. Las pérdidas de calor de los devanados, proporcionales al cuadrado de la corriente, se denominan variables (ΔРtrans)... Las pérdidas restantes en el motor dependen un poco de su carga y se denominan convencionalmente constantes (ΔРpos).

El calentamiento permisible de un motor eléctrico está determinado por los materiales menos resistentes al calor de su construcción. Este material es el aislante de su bobina.

Los siguientes se utilizan para aislar máquinas eléctricas:

• tejidos de algodón y seda, hilos, papel y materiales orgánicos fibrosos que no estén impregnados con compuestos aislantes (resistencia al calor clase U);

• los mismos materiales, impregnados (clase A);

• películas orgánicas sintéticas (clase E);

• materiales de asbesto, mica, fibra de vidrio con ligantes orgánicos (clase B);

• lo mismo, pero con ligantes sintéticos e impregnantes (clase F);

• los mismos materiales, pero con aglutinantes de silicona y agentes de impregnación (clase H);

• mica, cerámica, vidrio, cuarzo sin ligantes o con ligantes inorgánicos (clase C).

Las clases de aislamiento U, A, E, B, F, H permiten respectivamente temperaturas máximas de 90, 105, 120, 130, 155, 180 °C. La temperatura límite de la clase C supera los 180 °C y está limitada por las propiedades del materiales utilizados.

Con la misma carga en el motor eléctrico, su calentamiento será desigual a diferentes temperaturas ambientales. La temperatura de diseño t0 del ambiente es de 40 °C. A esta temperatura se determinan los valores de potencia nominal de los motores eléctricos.El aumento de la temperatura del motor eléctrico por encima de la temperatura ambiente se denomina sobrecalentamiento:

El uso de aislamiento sintético se está expandiendo. En particular, los aislamientos de silicio de silicio garantizan una alta fiabilidad de las máquinas eléctricas cuando funcionan en condiciones tropicales.

El calor generado en diferentes partes del motor afecta en diferentes grados al calentamiento del aislamiento. Además, tiene lugar un intercambio de calor entre las partes individuales del motor eléctrico, cuya naturaleza cambia dependiendo de las condiciones de carga.

El diferente calentamiento de las partes individuales del motor eléctrico y la transferencia de calor entre ellas complica el estudio analítico del proceso. Por lo tanto, por simplicidad, se supone condicionalmente que el motor eléctrico es un cuerpo térmicamente homogéneo e infinitamente conductor de calor. Generalmente se cree que el calor liberado por un motor eléctrico al ambiente es proporcional al sobrecalentamiento.En este caso, la radiación térmica se desprecia porque las temperaturas de calentamiento absolutas de los motores son bajas. Considere el proceso de calentamiento del motor eléctrico bajo los supuestos dados.

Cuando se trabaja en el motor eléctrico, el calor dq se libera durante el tiempo dt. Parte de este calor dq1 es absorbido por la masa del motor eléctrico, por lo que aumenta la temperatura t y el sobrecalentamiento τ del motor. El calor restante dq2 se libera del motor al medio ambiente. Por lo tanto, la igualdad se puede escribir

A medida que aumenta la temperatura del motor, aumenta el calor dq2. A un cierto valor de sobrecalentamiento, se entregará al ambiente tanto calor como el que se libera en el motor eléctrico; entonces dq = dq2 y dq1 = 0. La temperatura del motor eléctrico deja de aumentar y el sobrecalentamiento alcanza un valor estacionario de τу.

Bajo los supuestos anteriores, la ecuación se puede escribir de la siguiente manera:

donde Q es la potencia térmica por pérdidas en el motor eléctrico, J/s; A - transferencia de calor desde el motor, es decir la cantidad de calor liberado por el motor al ambiente por unidad de tiempo a una diferencia de temperatura entre el motor y el ambiente de 1oC, J/s-deg; C es la capacidad térmica del motor, es decir la cantidad de calor requerida para aumentar la temperatura del motor en 1 ° C, J / grado.

Separando las variables en la ecuación, tenemos

Integramos el lado izquierdo de la igualdad en el rango de cero a algún valor actual de tiempo t y el lado derecho en el rango del sobrecalentamiento inicial τ0 del motor eléctrico al valor actual de sobrecalentamiento τ:

Resolviendo la ecuación para τ, obtenemos una ecuación para calentar un motor eléctrico:

Denotemos C / A = T y determinemos la dimensión de esta relación:

Arroz. 2. Curvas que caracterizan el calentamiento del motor eléctrico.

Arroz. 3. Determinación de la constante de tiempo de calentamiento

Se llama la cantidad T, que tiene la dimensión del tiempo de calentamiento constante del motor eléctrico. De acuerdo con esta notación, la ecuación de calentamiento se puede reescribir como

Como puede ver en la ecuación, cuando obtenemos el valor de sobrecalentamiento en estado estacionario.

Cuando cambia la carga en el motor eléctrico, cambia la cantidad de pérdidas y, por lo tanto, el valor de Q. Esto conduce a un cambio en el valor de τу.

En la Fig. 2 muestra las curvas de calentamiento 1, 2, 3 correspondientes a la última ecuación para diferentes valores de carga. Cuando τу supera el valor del sobrecalentamiento admisible τn, el funcionamiento continuo del motor eléctrico es inaceptable. Como se deduce de la ecuación y los gráficos (Fig. 2), el aumento del sobrecalentamiento es asintótico.

Cuando sustituimos el valor t = 3T en la ecuación, obtenemos un valor de τ que es aproximadamente solo un 5% menor que τy. Así, durante el tiempo t = 3T, el proceso de calentamiento prácticamente puede considerarse completo.

Si en cualquier punto con la curva de calefacción (Fig. 3) dibuja una tangente a la curva de calefacción, luego dibuje una vertical a través del mismo punto, luego el segmento de la asíntota, cerrado entre la tangente y la vertical, en la escala del eje de abscisas es igual a T. Si tomamos Q = 0 en la ecuación, obtenemos la ecuación de enfriamiento del motor:

La curva de enfriamiento que se muestra en la Fig. 4, corresponde a esta ecuación.

La constante de tiempo de calentamiento está determinada por el tamaño del motor eléctrico y la forma de su protección contra las influencias ambientales. Para motores eléctricos de baja potencia abiertos y protegidos, el tiempo de calentamiento es de 20-30 minutos. Para motores eléctricos cerrados de alta potencia, alcanza las 2-3 horas.

Como se mencionó anteriormente, la teoría establecida del calentamiento del motor eléctrico es aproximada y se basa en suposiciones aproximadas. Por lo tanto, la curva de calentamiento medida experimentalmente difiere significativamente de la teórica. Si, para diferentes puntos de la curva de calentamiento experimental, la construcción que se muestra en la Fig. 3, resulta que los valores de T aumentan al aumentar el tiempo. Por lo tanto, todos los cálculos realizados de acuerdo con la ecuación deben considerarse aproximados. En estos cálculos se recomienda utilizar la constante T determinada gráficamente como punto de partida de la curva de calefacción. Este valor de T es el más pequeño y, cuando se usa, proporciona un cierto margen de potencia del motor.

Arroz. 4. Curva de enfriamiento del motor

La curva de enfriamiento medida experimentalmente difiere de la teórica incluso más que la curva de calentamiento. La constante de tiempo de enfriamiento correspondiente al motor apagado es significativamente más larga que la constante de tiempo de calentamiento debido a la reducción de la transferencia de calor en ausencia de ventilación.