Лабораторная работа 2.10. Исследование электрических машин на нагрев

Цель работы

Ознакомиться с процессами нагрева и охлаждения электрических машин и с методами исследования электрических машин на нагрев.

1. Краткие теоретические сведения

Наиболее важной задачей при эксплуатации электрических машин является задача обеспечения надежной работы изоляции обмоток при нагреве отдельных частей машины в результате потерь электрической энергии. Передача тепла от более нагретых частей машины к менее нагретым и в окружающую среду происходит путем теплопроводности, луче­испускания и конвекции.

Хотя электрическая машина имеет сложное устройство, в основу анализа процесса ее нагревания может быть положена теория нагревания идеального однородного твердого тела. Процесс нагревания такого тела описывается уравнением, составленным на основе рассмотрения его теплового баланса

(1)

где ΔР – суммарные потери электрической мощности (Вт);

С – теплоемкость тела (Дж/°С);

θ – превышение температуры тела над окружающей средой (°С);

A–коэффициент теплоотдачи, тела (Вт/°С).

Рассмотрим это уравнение.

Левая часть этого уравнения ( ) соответствует количеству теплоты, выделяемой в машине за рассматриваемый промежуток времени dt. Правая чисть уравнения соответствует количеству теплоты аккумулируемое в теле при повышении его температуры ( ) и количество теплоты, отдаваемое в окружающую среду ( ).

После истечения достаточно длительного времени работы электри­ческой машины (теоретически при ) температура машины достигнет установившегося значения θ _∞. Тогда уравнение (1) примет вид:

(2)

(3)

Время, в течение которого температура тела достигла бы уста­новленного значения θ _∞, если бы отсутствовала передача тепла в окружающую среду и все выделяемое тепло накапливалось в теле, называется постоянной времени нагрева Т (рис. 1)

(4)

Общим решением уравнения (1) является выражение

(5)

где θ ₀– начальное превышение температуры тела (см.рис. 1).

Общий случай нагревания тела, описываемый уравнением (5) можно рассматривать как наложение двух режимов: 1) нагревания тела от начального превышения температуры до (кривая 1 на рис. 1 и 2) охлаждения тела от до (кривая 2 на рис. 1. Кривая 3 (см.рис. 1) получается сложением кривых 1 и 2 и соответствует выражению (5).

Для получения данных, необходимых для построения кривой нагрева, не обязательно проводить опыт до достижения установившегося значения температуры, так как это требует довольно много времени. Значение θ_∞ можно определить графическим методом. Имея часть кривой нагрева (рис.2), определяют приращения температуры и так далее за равные промежутки времени. Через точки кривой нагрева 1, 2 и 3 проводят горизонтальные прямые и от оси ординат на этих линиях откладывают отрезки равные или пропорциональные соответствующим приращениям температуры Δθ₁, Δθ₂ и т.д. Далее через точки а, б, в, проводят прямую до пересечения с осью ординат. Точка пересечения будет являться установившимся значением температуры. θ_∞ для данного тела.

Изоляционные материалы, применяемые в электрических машинах, разделяются в зависимости от своей теплостойкости на семь классов согласно ГОСТ 183–74 (табл. 1).

Таблица 1

Классы изоляции	Y	А	Е	B	F	H	C
Предельно допус­тимая температура, °C	90	105	120	130	155	180	более 180

Наиболее используемым методом для определения температуры нагрева обмоток электрических машин является метод сопротивлений.

Предельно допустимое превышение температуры частей электричес­ких машин при измерении методом сопротивления не должны превышать значения, приведенные в табл. 2

Измерение сопротивления изолированных обмоток в практически холодном и в нагретом состоянии может осуществляться одним из сле­дующих методов: вольтметра и амперметра, двойного моста или омметра.

Общий случай нагревания однородного твердого тела. те

Рис. 1 Графический метод определения установившейся температуры.

Рис. 2

Таблица 2

Части электрических машин	Класс изоляции
	Предельно допустимые превышения температуры при измерении методом сопротивления
Обмотки машин переменного тока с S 5000 кВА или длинной сердечника 1 м и более	60	70	80	100	125
Обмотки машин переменного тока с S<5000 кВА или длинной сердечника менее 1 м	60	75	80	100	125
Обмотки возбуждения неявнополюсных машин с возбуждением постоянным током	–	–	90	110	155

При нагревании сопротивление обмоточного провода : R = ρ*ℓ /S, где ρ [ Ом*м ] – удельное электрическое сопротивление проводника. Величина ρ имеет прямо - пропорциональную температурную зависимость для чистых металлов в широком диапазоне температур:

Δρ/ρ = α*ΔТ, где α [ 1/К^о] – температурный коэффициент сопротивления. Для меди αcu = 4,3*10^-3 [ 1/К^о], тогда по изменению сопротивления провода обмотки можно определить повышение внутренней температуры нагрева Э/двигателя:

ΔТ=(R1-R0)/R0/ αcu; ΔТ=233(R1-R0)/R0. (6)

При работе двигателя происходит передача тепла от внутренней нагретой зоны во внешнею среду. При этом, в установившемся режиме, разность температур (градиент температуры), между внутренней и внешней стенками корпуса двигателя, пропорциональна интенсивности (мощности) теплового потока:

ΔТ =ΔΘ = R_TК *Р_T (т.к. градус Кельвина и Цедьсия равен) (7)

где: R_TК [С^о/Bт] – тепловое сопротивление корпуса (конструктивный параметр),

P_T [Вт] =∑∆Р мощность теплового потока равная электрической мощности потерь.

Тепловое сопротивление двигателя можно найти, производя измерения на холостом ходу двигателя:

R_TК = (Θcu – Θк)/Рхх, (8)

где: (Θcu – Θк) – разность температур между обмоткой и корпусом двигателя,

Рхх = √3Uл*Iхх*COS φхх .

Общее тепловое сопротивление между обмоткой двигателя и охлаждающей средой

(R_TC=R_TК+R_TКС):

R_TC = (Θcu – Θс)/Рхх, (9)