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 установившегося значения θ_∞,, называется постоянной времени нагрева Т (рис. 1)

(4)

Общим решением уравнения (1) является выражение

(5)

где θ₀– 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.

По данным измеренным при остывания электр. машины можно определить постоянную времени нагрева и охлаждения (рис.2),

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							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.

Рис1.

Временная диаграмма тепловых переходных режимов..

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
Обмотки машин переменного тока с S<5000 кВА или длинной сердечника менее 1 м
Обмотки возбуждения неявнополюсных машин с возбуждением постоянным током	–	–

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 (рис.2. При этом, в установившемся режиме, разность температур (градиент температуры), между внутренней и внешней стенками корпуса двигателя, пропорциональна интенсивности (мощности) теплового потока:

ΔТ =ΔΘ = RТ_К *Р_T (т.к. градус Кельвина и Цедьсия равны) (7)

где: RТ_К[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 в на холостом ходу двигателя при установившемся режиме (t >3τ):

RТ_К = (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= RТ_К + RT_КС):

RТ_С = (Θcu – Θс)/Рхх, (9)

2. Описание лабораторной установки

В работе исследуется асинхронный двигатель типа 4АМА71А4У3, паспортные данные которого приведены в таблице 3.

Таблица 3

Рн кВт	n2н Об/мин	Класс изоляции	ηн	Cos φн	Iн А
0,53		В	0,705	0,82	2,9/1,7

По техническим параметрам Э/дв. можно определить мощность потерь при номинальной нагрузке: ∑∆Рн = Рн (1- ηн) / ηн = 530 0,295/0,705 = 222 Вт.

Градиент температуры при номинальной нагрузке:

ΔТн = RT_С ∑∆Рн (10)

Рис. 3

Задание на экспериментальное исследование

3.1. Собрать схему для проведения эксперимента по рис. 3.

3.2. Произвести измерение сопротивления обмотки двигателя методом вольтметра и амперметра при трех значениях тока - 0,5А, 1А и 1,5А

3.3. Произвести пуск двигателя. Далее через интервалы времени 15мин. производить отключение двигателя и измерения в соответствии с п. 3.2.

3.4. Во время третьего пуска произвести измерение Uл, Iхх и φхх для вычисления электрической мощности холостого хода, или определить Рхх с помощью прибора К50.

3.5. Измерения четвертого цикла производится при выключенном двигателе. (Режим охлаждения).

Результаты измерений занести в таблицу 4

Таблица 4

№ пп	Измерения	Расчет
t, мин	Θ, С^о	I, A	U, B	Rcu, Ом	(R1-R0)/R0	ΔТ; Θ, С^о
		Θк₀=Θс	0,5		R0=	Усредн.	ΔТ=0 Θcu= (Θс+∆T)
		R0=
1,5		R0=
	+15	Θк₁	0,5		R1=		ΔТ= Θcu=
		R1=
1,5		R1=
	+30	Θк₂	0,5		R1=		ΔТ= Θcu=
		R1=
1,5		R1=
	+45	Θк₃	0,5		R1=		ΔТ= Θcu=
		R1=
1,5		R1=
	+60	Θк₄	0,5		R1=		ΔТ= Θcu=
		R1=
1,5		R1=

Измерение:

Uл =; Iхх =; φхх =. Р_А хх=

Расчет:

Рхх=; RT_К =; RT_С =; Θухх=; ΔТн =;

Θун =(50+ ΔТн) =. τ =;

4. Задание на аналитическое исследование.

4.1. Определить и занести в таблицу 5 значение сопротивлений обмотки Э/двигателя (R0, R1), температуры (Θк, ΔТ, Θcu)

4.2, Начертить график зависимостей Θ=f(t) и R=f(t).

4.3. Графически определить постоянную времени τ и установившуюся внутреннюю температуру Θухх.

4.4. Определить температуру обмотки двигателя при номинальном режиме работы в условиях повышенной (до 50⁰ С) температуры окружающей среды: Θун = Θс+∆Tн, сопоставить Θухх и Θун с предельными допустимыми (таблица 3). Когда необходимо принудительное охлаждение двигателя?

4.5. Сравнить тепловое сопротивление корпуса двигателя и окружающей его воздушной среды. Каким способом можно охлаждать двигатель?

5. Вопросы для самопроверки.

5.1. Привести и объяснить уравнение баланса тепловой энергии в электрической машине.

5.2. Объяснить понятие установившейся температуры машины.

5.3. Что такое постоянная времени нагревания τ и от каких параметров она зависит?

5.4. Что такое перегрев и каковы его последствия?

5.5. Объяснить понятие класса изоляции.

5.6. Какие существуют номинальные режимы электрических машин по условиям нагрева?

5.7. Какие существуют способы охлаждения и вентиляции электрических машин?

К ЛР 2.10 Исследование ЭМ на нагрев.

В работе исследуется асинхронный двигатель типа 4АМА71А4У3, паспортные данные которого приведены в таблице 2.10.3.

Таблица 2.10.3

Рн (кВт)	n2н (Об/мин)	Класс изол.	ηн	Cos (φн)	Iн (А)
0,53		В	0,705	0,82	2,9/1,7

По техническим параметрам Э/дв. можно определить мощность потерь при номинальной нагрузке:

∑∆Рн = Рн*(1- ηн) / ηн = 530*0,295/0,705 = 222 Вт.

Градиент температуры при номинальной нагрузке:

ΔΘн = RТ_С∑∆Рн. (10)

3. Задание на экспериментальное исследование.