background image

ZJAWISKA CIEPLNE W SILNIKU 
 

Przejdźmy  do  zjawisk  cieplnych  zachodzących  w  silniku.  Wiadomo,  że  zarówno  nagrzanie  jak  i 
wystudzenie  dowolnego  ciała  wymaga  określonego  czasu.  Zmienność  temperatury  silnika  w  czasie 
można wyznaczyć na podstawie modelu, w którym uzwojenia silnika są zastąpione jednorodną bryłą o 
masie  m  i  o  małym  oporze  przewodzenia  ciepła,  do  której  w  czasie  dt  zostaje  doprowadzone  ciepło 

dt

P

dQ

S

  

Przypomnijmy, ze symbol 

P

S

 oznacza moc strat. Zgodnie z zasadą zachowania energii (rys.2.2.3) jest 

O

S

dQ

dQ

dQ

+

=

 

Ciepło dQ

S

 pozostaje w bryle nagrzewając ją, zaś ciepło dQ

0

, zostaje odprowadzone do otoczenia, przy 

czym 

 
 
 
 
 
 
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 
 
 
 
 

S

p

dQ

m c

d

  

                                                                                                                          

0

dQ

A

dt

 

  

                                                                                                                          

 
gdzie: 
c

p

 – ciepło właściwe w 

kg

K

/

J

 - nadwyżka temperatury bryły ponad temperaturę otoczenia w K

A – powierzchnia bryły przez którą odprowadzane jest ciepło w m

2

 - współczynnik przejmowania ( oddawania) ciepła w 

2

m

K

/

J

 

dt – przyrost czasu w s. 
 

 
Przyrost ciepła na skutek strat w silniku 

St

s

dQ

P dt

 

Przy czym 

s

P

całkowite straty w silniku 

St

0

dQ

dQ

 

 
W  stanie  ustalonym  ilość 

wytworzonego

  ciepła  równa  się  ilości  ciepła 

akumulowanego czyli  
 

s

u

P

A

 

  

 , gdzie 

u

 ustalona temperatura ( brak przyrostu temperatury) 

 

zatem  

s

u

P

A

 

Teraz rozpatrzmy przypadek stanu nieustalonego 

dQ

dQ 

  dQ

Rys.2.2.3 

p

m c

d

 

 

background image

s

p

P dt

m c

d

A

dt

 

   

  

 

 

Wyznaczmy z powyższego równania dt  

p

s

m c

d

dt

P

A

 

 

  

 

To samo równanie można zapisać jeszcze inaczej 

 

p

p

s

u

m c

d

m c

d

dt

P

A

(

)

A

(

)

A

  

 

 

 

 

 

 

 

 

Jeśli warunki przejmowania ciepła ( chłodzenia) są stałe to po scałkowaniu uzyskamy: 

 
 

u

c

t

ln(

) C

 

 , gdzie  

p

c

m c

A

 jest termiczną stała czasową. 

Trzeba  pamiętać,  że  silnik  nie  jest  ciałem  jednorodnym,  a  w  praktyce  współczynnik 
oddawania  ciepła  nie  jest  wielkością  stała.  Ma  to  konsekwencje,  o  których  napiszemy 
dalej. 

 

Przyjmując  warunek  początkowy  dla  czasy  t  =  0 

=

u

  i  wyznaczając  C  oraz  dokonując 

przekształceń uzyskujemy ostatecznie ważny wzór 
 

 

  
 
 
 
 
 
Wnioski 

*  Przy  powyższych  założeniach,  osiągnięcie  temperatury  ustalonej 

u

,  następuje  teoretycznie  po  · 

nieskończenie długim czasie. 
 
 
* Ustalony przyrost temperatury
 

u

zależy od sumy strat w silniku i jest ich liniową funkcją 

    Stała termiczna zależy do budowy silnik, a nie sposobu jego obciążenia 
 
 
 
Uwaga 
 

Stała termiczna silnika zależy od gabarytów silnika (uzwojenia), budowy, sposobu wentylacji 

i warunków pracy. 

Przy  przeciążeniach  długotrwałych  uzwojenie  nie  może  być  traktowane  jako  odrębny 

element  maszyny  elektrycznej.  Należy  wówczas  przyjąć  stałą  czasową  nagrzewania  silnika  w 
całej swojej masie. Natomiast  przy przeciążeniach krótkotrwałych należy brać pod uwagę stałą 
czasową nagrzewania uzwojenia, która wynosi zaledwie kilka minut. 

 

c

t

u

1 e

 

 

background image

czas

t

 m2

u 2

u 2

 

 
 
Przykład 
Stała termiczna silnika 
 

min  10 

20  

30  40 

50  

60  70 

80  90 

100 

120 

150 

180 

200 

 

0

17.1  29.2  38  44.2  48.7  52  54.2  56  57.2  57.8   58.5  59.5  59.7  59.8 

 
Tabela 1 Przykładowy przebieg nagrzewania się się silnika dla maksymalnego przyrostu 
temperatury. 
 
 
W MATLABIE 

t=[10   20  30  40  50  60  70  80  90  100 120 150 180 200];

 

teta=[17.1  29.2    38  44.2    48.7    52  54.2    56  57.2    57.8    58.8    
59.5    59.7    59.8];

 

stem(t,teta)

 

hold 

on

 

plot(t,teta)

 

xlabel ( 

't [s]'

)

 

ylabel(

'delta'

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 
 
 

 

background image

 

 
Ile wynosi termiczna stała czasowa? 
Jaka jest wartość  

u

 ? 

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

0

10

20

30

40

50

60

t [s]

d

e

lt

a

background image

 
Elementy straty w silniku: 

  W uzwojeniach silnika 

2

Cu

P

f (I )

 

 

  W obwodzie magnetycznym ( na drodze strumienia od pola magnetycznego ) 

1,3

Fe

P

f (f

)

 

  Mechaniczne: 

     - tarcia w łożyskach, tarcie szczotek 

tar

P

f (n)

     - wentylatorowe 

2

went

P

f (n )

 

 

Straty przewodzenia ( na drodze komutator-szczotki) 

psz

P

f (I)

 

 

Straty dodatkowe ( nieuwzględniane wyżej)  

dod

P

 

 

Straty  dodatkowe 

dod

P

zgodnie  z  polskimi  normami  wynoszą  w  maszynach  prądu  stałego  od 

0,5%, do 1%, a w maszynach asynchronicznych około 0,5% mocy znamionowej maszyny. 
 

Przy  pracy  znamionowej  straty  w  uzwojeniach  są  na  ogół  większe  od  pozostałych 
strat.

 

Z przedstawionych tu zależności wynika, że 

2

2

2

u

un

un

un

n

n

n

I

M

P

I

M

P

 

 

 

 

 

gdzie 

un

m

P

P

const

 zaś P

m

 jest mocą na wale.

 

 

 
Praca dorywcza silnika 
Oznaczmy  ustalony  przyrost  temperatury  dla  pewnego  obciążenia  (wyróżnimy  go  indeksem  „1”)      na 
wale jako 

1

u

.  

Jeśli silnik poruszać będzie się ze stała prędkością przez nieskończenie długi czas i w chwili t =0 jego 
temperatura wynosiła zero to zmiany temperatury opisuje krzywa 

c

t

1

u1

1 e

 

 pamiętając, że 

2

2

1

1

1

(

)

u

m

m

P

const

M

n

const

   

(x) 

 
Przypuśćmy  teraz,  że  ten  sam  silnik  obciążamy  większym  momentem  dla  tej  samej  prędkości  n

1

  Stała 

termiczna nie zmieni się, ale zmieni się 

u

  

Mamy więc teraz  

  

c

t

2

u 2

1 e

 

  

 

2

2

2

2

2

1

(

)

u

m

m

P

const

M

n

const  

(xx)

 

 
Porównując (x) z (xx)  mamy 

 

2

2

2

1

1

(

)

m

u

u

m

P

P

 

Zatem    

 

c

c

t

t

2

m2

2

u 2

u1

m1

P

1 e

(

)

1 e

P

 

 

 

(xxx) 

background image

Jeśli P

m1

 jest mocą dobraną dla silnika dla pracy ciągłej, zaś P

m2

 dla pracy dorywczej wówczas aby silnik 

się nie przegrzewał trzeba dodać warunek, że temperatura pod koniec pracy przy obciążeniu dorywczym 
jest taka sama jak przy obciążeniu stałym czyli 

2

1

 

Stąd równanie (xxx) będzie miało postać 
 

c

t

2

m2

u1

u1

m1

P

(

)

1 e

P

, a po przekształceniach 

 

 

 

(XXXX) 

 
 
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 
 
 
Wnioski 
 

Korzystając  z  wzoru  (XXXX)  można  obliczyć  moc  danego  silnika  przy  pracy  dorywczej  
(  znanej,  jako  S2)  o  ile  znamy  moc  silnika  przy  pracy  ciągłej  (S1)  i  termiczną  stała  czasową. 
 

Im większa jest termiczna stała czasowa tym większa może być wybrana moc przy obciążeniu 
dorywcza 

 

 


 

Przykład 1 
Dany jest silnik indukcyjny 3 fazowy budowy zamkniętej Sg 160L-2 o mocy 18,5kW i stałej 
nagrzewania 30 min. 
Jaką mocą można obciążyć wskazany silnik przy pracy dorywczej przy obciążeniu trwającym 15 
minut? 
 
Rozwiązanie 

 
Moc przy pracy dorywczej 
 

m 2

c

m1

m2

t

P

P

1 e

 , gdzie P

m1

 = 18,5kW, t

m2

 = 15 min, 

c

= 30 min 

 

m2

15

30

18, 5

P

1 e

= 29,49 kW

 

 

MATLAB 
   Pm2=18.5/(1-exp(-15/30))^0.5 
   Pm2 = 
  29.492818613150884 
 
Silnik można obciążyć w trybie S2 mocą 29,49 kW. 

m 2

c

m1

m2

t

P

P

1 e

     

(XXXX

 

background image

Przykład 2 
 
Silnik asynchroniczny do pracy ciągłej ma moc 22kW, a jego stała czasowa wynosi 60 min. 

W jakim czasie można silnik obciążyć mocą 30kW przy pracy dorywczej. 

 

Rozwiązanie 

Przekształcając wzór  

m 2

c

m1

m2

t

P

P

1 e

 otrzymujemy 

2

2

m2

m2

c

2

2

2

2

m2

m1

P

30

t

ln

60 ln

P

P

30

22

  

 

 

Przykład 3 

Ustalić wartość strat dopuszczalnych przy pracy dorywczej S2 ( 15, 30 i 60 minutowej) 

względem strat przy pracy ciągłej dla silnika o stałej cieplnej 

c

= 60 min. 

Rozwiązanie 

Straty dopuszczalne przy pracy dorywczej ( indeks d) wyznaczamy z wzoru 

c

c

d

t

P

P

1 e

, gdzie 

c

P

 są stratami dla pracy ciągłej zaś t=15,30 i 60 min. 

Z obliczeń dla pracy 15 minutowej 

15

P

=4,53 

c

P

 

 

Przykład 4 

Silnik budowy zamkniętej typu Sg132M-6B o mocy znamionowej  5,5kW, prędkości 950 rad/s i 

krotności momentu maksymalnego M

k

 /M

N

 =3,1 obciążono momentem 2,5 razy większym od 

znamionowego. Jak długo może pracować ten silnik bez obawy przegrzania przy takim 

obciązeniu? Termiczna stała czasowa jest równa 30 min.  

Rozwiazanie 

Z treści zadania wynika, że termiczna stała czasowa 

c

=30

 

min  

Oznaczmy przyrost temperatury dla silnika pracującego w warunkach znamionowych 

dodatkowym indeksem u tj 

un

, zaś silnika obciążonego momentem dwu i półkrotnym, jako 

background image

u 2,5

. Jak wiadomo ustalony przyrost temperatury 

u

 jest proporcjonalny do kwadratu 

momentu, zatem 

u 2,5

2

2

u 2,5

un

un

p

p

 

Temperatura silnika 

c

c

t

t

2

2,5

u 2,5

un

1 e

p

1 e

 

 

 

nie może przekroczyć przyrostu temperatury ustalonej 

un

 co zapiszemy jako  

2,5

un

 i dalej  

c

t

2

un

un

p

1 e

 

 

Stąd po przekształceniu wyznaczamy szukaną wartość z wzoru 

 

2

2

c

2

2

p

2,5

t

ln

30 ln

p

1

2,5

1

=5,23 minuty 

 

Zwróćmy uwagę, że jest to ilustracja wyprowadzenia oznaczonego (xxxx)