Chauffage et refroidissement des moteurs électriques

La détermination correcte de la puissance des moteurs électriques pour diverses machines, mécanismes et machines de découpe de métaux est d'une grande importance. Avec une puissance insuffisante, il est impossible d'utiliser pleinement les capacités de production de la machine, pour mener à bien le processus technologique prévu. Si la puissance est insuffisante, le moteur électrique tombera en panne prématurément.

La surestimation de la puissance du moteur électrique entraîne sa sous-charge systématique et, par conséquent, une utilisation incomplète du moteur, son fonctionnement avec un faible rendement et un faible facteur de puissance (pour les moteurs asynchrones). De plus, lorsque la puissance du moteur est surestimée, les coûts d'investissement et d'exploitation augmentent.

La puissance nécessaire pour faire fonctionner la machine, et donc la puissance développée par le moteur électrique, change pendant le fonctionnement de la machine. La charge d'un moteur électrique peut être caractérisée par le graphique de charge (Fig. 1), qui est la dépendance de la puissance de l'arbre du moteur, de son couple ou de son courant dans le temps.Après avoir terminé le traitement de la pièce, la machine est arrêtée, la pièce est mesurée et la pièce est remplacée. Le programme de chargement est ensuite répété à nouveau (lors du traitement de pièces du même type).

Pour assurer un fonctionnement normal sous une telle charge variable, le moteur électrique doit développer la puissance requise la plus élevée pendant le traitement et ne pas surchauffer pendant le fonctionnement continu conformément à ce programme de charge. La surcharge admissible des moteurs électriques est déterminée par leurs propriétés électriques.

Riz. 1. Charger le programme lors de l'usinage du même type de pièces

Lorsque le moteur tourne, pertes d'énergie (et de puissance)provoquant son échauffement. Une partie de l'énergie consommée par le moteur électrique sert à chauffer ses bobinages, à chauffer le circuit magnétique de hystérèse et les courants de Foucault transportant le frottement et le frottement de l'air. Les pertes thermiques des bobinages, proportionnelles au carré du courant, sont dites variables (ΔРtrans)... Les pertes restantes dans le moteur dépendent un peu de sa charge et sont classiquement appelées constantes (ΔРpos).

Le chauffage admissible d'un moteur électrique est déterminé par les matériaux les moins résistants à la chaleur de sa construction. Ce matériau est l'isolant de sa bobine.

Sont utilisés pour isoler les machines électriques :

• les tissus de coton et de soie, les fils, le papier et les matières organiques fibreuses non imprégnés de composés isolants (classe de résistance à la chaleur U) ;

• les mêmes matériaux, imprégnés (classe A) ;

• films organiques synthétiques (classe E) ;

• matériaux en amiante, mica, fibre de verre avec liants organiques (classe B) ;

• le même, mais avec des liants synthétiques et des agents d'imprégnation (classe F) ;

• les mêmes matériaux, mais avec des liants silicones et des agents d'imprégnation (classe H) ;

• mica, céramique, verre, quartz sans liants ou avec liants inorganiques (classe C).

Les classes d'isolation U, A, E, B, F, H autorisent respectivement des températures maximales de 90, 105, 120, 130, 155, 180°C. La température limite de la classe C dépasse 180°C et est limitée par les propriétés du matériaux utilisés.

Avec la même charge sur le moteur électrique, son chauffage sera inégal à différentes températures ambiantes. La température de conception t0 de l'environnement est de 40 ° C. A cette température, les valeurs de puissance nominale des moteurs électriques sont déterminées.L'augmentation de la température du moteur électrique au-dessus de la température ambiante est appelée surchauffe:

L'utilisation d'isolants synthétiques se développe. En particulier, les isolations en silicium-silicium assurent une grande fiabilité des machines électriques lorsqu'elles fonctionnent dans des conditions tropicales.

La chaleur générée dans différentes parties du moteur affecte le chauffage de l'isolation à des degrés divers. De plus, un échange de chaleur a lieu entre les différentes parties du moteur électrique, dont la nature change en fonction des conditions de charge.

Le chauffage différent des différentes parties du moteur électrique et le transfert de chaleur entre elles compliquent l'étude analytique du processus. Par conséquent, pour simplifier, on suppose conditionnellement que le moteur électrique est un corps thermiquement homogène et infiniment conducteur de chaleur. On pense généralement que la chaleur dégagée par un moteur électrique dans l'environnement est proportionnelle à la surchauffe.Dans ce cas, le rayonnement thermique est négligé car les températures absolues de chauffage des moteurs sont faibles. Considérez le processus de chauffage du moteur électrique dans les hypothèses données.

Lors du travail dans le moteur électrique, la chaleur dq est libérée pendant le temps dt. Une partie de cette chaleur dq1 est absorbée par la masse du moteur électrique, ce qui entraîne une augmentation de la température t et de la surchauffe τ du moteur. La chaleur restante dq2 est libérée du moteur vers l'environnement. Ainsi l'égalité peut s'écrire

Lorsque la température du moteur augmente, la chaleur dq2 augmente. A une certaine valeur de surchauffe, autant de chaleur sera cédée à l'environnement qu'il n'en est dégagé dans le moteur électrique ; alors dq = dq2 et dq1 = 0. La température du moteur électrique cesse d'augmenter et la surchauffe atteint une valeur stationnaire de τу.

Sous les hypothèses ci-dessus, l'équation peut s'écrire comme suit :

où Q est la puissance thermique due aux pertes dans le moteur électrique, J/s ; A - transfert de chaleur du moteur, c'est-à-dire la quantité de chaleur dégagée par le moteur dans l'environnement par unité de temps à une différence de température entre le moteur et l'environnement de 1oC, J / s-deg ; C est la capacité thermique du moteur, c'est-à-dire la quantité de chaleur nécessaire pour augmenter la température du moteur de 1 ° C, J / deg.

En séparant les variables dans l'équation, nous avons

Nous intégrons le côté gauche de l'égalité dans la plage de zéro à une valeur actuelle du temps t et le côté droit dans la plage allant de la surchauffe initiale τ0 du moteur électrique à la valeur actuelle de la surchauffe τ :

En résolvant l'équation pour τ, nous obtenons une équation pour chauffer un moteur électrique :

Notons C / A = T et déterminons la dimension de ce rapport :

Riz. 2. Courbes caractérisant l'échauffement du moteur électrique

Riz. 3. Détermination de la constante de temps de chauffage

C'est ce qu'on appelle la quantité T, qui a pour dimension le temps de chauffage constant du moteur électrique. Conformément à cette notation, l'équation de chauffage peut être réécrite comme

Comme vous pouvez le voir sur l'équation, lorsque nous obtenons - la valeur de surchauffe en régime permanent.

Lorsque la charge du moteur électrique change, le montant des pertes change et donc la valeur de Q. Cela entraîne une modification de la valeur de τу.

En figue. La figure 2 montre les courbes de chauffe 1, 2, 3 correspondant à la dernière équation pour différentes valeurs de charge. Lorsque τу dépasse la valeur de la surchauffe admissible τn, le fonctionnement continu du moteur électrique est inacceptable. Comme il ressort de l'équation et des graphiques (Fig. 2), l'augmentation de la surchauffe est asymptotique.

Lorsque nous substituons la valeur t = 3T dans l'équation, nous obtenons une valeur de τ qui est environ seulement 5 % inférieure à τy. Ainsi, pendant le temps t = 3T, le processus de chauffage peut pratiquement être considéré comme terminé.

Si en tout point de la courbe de chauffage (Fig. 3) vous tracez une tangente à la courbe de chauffage, puis tracez une verticale passant par ce même point, puis le segment de de l'asymptote, fermé entre la tangente et la verticale, sur l'échelle de l'axe des abscisses est égal à T. Si on prend Q = 0 dans l'équation, on obtient l'équation de refroidissement du moteur :

La courbe de refroidissement illustrée à la Fig. 4, correspond à cette équation.

La constante de temps de chauffage est déterminée par la taille du moteur électrique et la forme de sa protection contre les influences environnementales. Pour les moteurs électriques de faible puissance ouverts et protégés, le temps de chauffage est de 20 à 30 minutes. Pour les moteurs électriques fermés à haute puissance, il atteint 2-3 heures.

Comme mentionné ci-dessus, la théorie énoncée du chauffage du moteur électrique est approximative et basée sur des hypothèses approximatives. Par conséquent, la courbe d'échauffement mesurée expérimentalement diffère significativement de la courbe théorique. Si, pour différents points de la courbe de chauffage expérimentale, la construction montrée à la Fig. 3, il s'avère que les valeurs de T augmentent avec le temps. Par conséquent, tous les calculs effectués selon l'équation doivent être considérés comme approximatifs. Dans ces calculs, il est conseillé d'utiliser la constante T déterminée graphiquement pour le point de départ de la courbe de chauffe. Cette valeur de T est la plus petite et, lorsqu'elle est utilisée, offre une certaine marge de puissance moteur.

Riz. 4. Courbe de refroidissement du moteur

La courbe de refroidissement mesurée expérimentalement diffère encore plus de la courbe théorique que la courbe de chauffage. La constante de temps de refroidissement correspondant à l'arrêt du moteur est nettement plus longue que la constante de temps de chauffage en raison d'un transfert de chaleur réduit en l'absence de ventilation.