Нагрев и охлаждение электродвигателей

Правильное определение мощности электродвигателей для различных станков, механизмов и машин имеет большое значение. При недостаточной мощности нельзя полностью использовать производственные возможности станка, осуществить намеченный технологический процесс. При недостаточной мощности электродвигатель преждевременно выходит из строя.

Завышение мощности электродвигателя влечет за собой систематическую недогрузку его и вследствие этого неполное использование двигателя, работу его с низким к. п. д. и небольшим коэффициентом мощности (у асинхронных двигателей). Кроме этого при завышенной мощности двигателя возрастают капитальные и эксплуатационные затраты.

Необходимая для работы станка мощность, а следовательно, и мощность, развиваемая электродвигателем, изменяются во время работы станка. Нагрузка электродвигателя может быть охарактеризована нагрузочным графиком (рис. 1), представляющим собой зависимость мощности на валу электродвигателя, его момента или тока от времени. После окончания обработки заготовки останавливают станок, измеряют деталь и меняют заготовку. Затем нагрузочный график снова повторяется (при обработке однотипных деталей).

Для обеспечения нормальной работы при подобной переменной нагрузке электродвигатель должен развивать наибольшую мощность, требуемую в процессе обработки, и не перегреваться свыше нормы при длительной работе по данному нагрузочному графику. Допустимая перегрузка электродвигателей определяется их электрическими свойствами.

Рис. 1. Нагрузочный график при обработке однотипных деталей

При работе двигателя в нем возникают потери энергии (и мощности), что вызывает его нагрев. Часть потребляемой электродвигателем мощности расходуется на нагрев его обмоток, на нагрев магнитопровода от гистерезиса и вихревых токов, на трение в подшипниках и на трение о воздух. Потери на нагрев обмоток, пропорциональные квадрату тока, называют переменными (ΔРпер) . Остальные потери в двигателе от его нагрузки зависят мало и их условно называют постоянными (ΔРпос) .

Допустимый нагрев электродвигателя определяется наименее теплостойкими материалами его конструкции. Таким материалом является изоляция его обмотки.

Для изоляции электрических машин применяют:

• хлопчатобумажные и шелковые ткани, пряжу, бумагу и волокнистые органические материалы, не пропитанные изолирующими составами (класс нагревостойкости У);

• те же материалы, пропитанные (класс А);

• синтетические органические пленки (класс Е);

• материалы из асбеста, слюды, стекловолокна с органическими связующими веществами (класс В);

• те же, но с синтетическими связующими и пропитывающими веществами (класс F);

• те же материалы, но с кремнийорганическими связующими и пропитывающими веществами (класс Н);

• слюду, керамику, стекло, кварц без связующих веществ или с неорганическими связующими составами (класс С).

Изоляции классов У, А, Е, В, F, Н соответственно допускает предельные температуры в 90, 105, 120, 130, 155, 180° С. Предельная температура класса С превышает 180° С и ограничивается свойствами примененных материалов.

При одной и той же нагрузке электродвигателя нагрев его будет неодинаковым при разных температурах окружающей среды. Расчетная температура t0 окружающей среды равна 40° С. При этой температуре определяют значения номинальной мощности электродвигателей. Превышение температуры электродвигателя над температурой окружающей среды называют перегревом :

Расширяется применение синтетических изоляций. В частности, кремнийорганические изоляции обеспечивают высокую надежность электрических машин при эксплуатации в тропических условиях.

Тепло, выделяемое в различных частях электродвигателя, в различной степени влияет на нагрев изоляции. Кроме того, между отдельными частями электродвигателя происходит теплообмен, характер которого изменяется в зависимости от условий нагрузки.

Различный нагрев отдельных частей электродвигателя и теплообмен между ними затрудняет аналитическое исследование процесса. Поэтому для упрощения условно принимают, что электродвигатель представляет собой однородное в тепловом отношении и бесконечно теплопроводное тело. Обычно считают, что тепло, отдаваемое электродвигателем в окружающую среду, пропорционально перегреву. Излучением тепла при этом пренебрегают, так как абсолютные температуры нагрева двигателей невелики. Рассмотрим процесс нагрева электродвигателя при указанных допущениях.

При работе в электродвигателе за время dt выделяется теплота dq. Часть этой теплоты dq1 поглощается массой электродвигателя, вследствие чего повышаются температура t и перегрев τ двигателя. Остальная теплота dq2 выделяется двигателем в окружающую среду. Таким образом, может быть записано равенство

По мере повышения температуры электродвигателя возрастает тепло dq2. При некотором значении перегрева окружающей среде будет отдаваться столько тепла, сколько ее выделяется в электродвигателе; тогда dq = dq2 и dq1 = 0. Температура электродвигателя перестает повышаться, и перегрев достигает установившегося значения τу.

При указанных выше допущениях уравнение может быть записано так:

где Q — тепловая мощность, обусловленная потерями в электродвигателе, Дж/с; А—теплоотдача двигателя, т.е. количество теплоты, выделяемое двигателем в окружающую среду в единицу времени при разности температур двигателя и окружающей среды в 1oС, Дж/с-град; С — теплоемкость двигателя, т.е. количество теплоты, необходимое для повышения температуры двигателя на 1°С, Дж/град.

Разделив переменные в уравнении, имеем

Интегрируем левую часть равенства в пределах от нуля до некоторого текущего значения времени t и правую часть в пределах от некоторого начального перегрева τ0 электродвигателя до текущего значения перегрева τ:

Решая уравнение относительно τ, получим уравнение нагрева электродвигателя :

Обозначим C/A=T и определим размерность этого соотношения:

Рис. 2. Кривые, характеризующие нагрев электродвигателя

Рис. 3. Определение постоянной времени нагрева

Величину Т, имеющую размерность времени, называют постоянной времени нагрева электродвигателя. В соответствии с этим обозначением уравнение нагрева может быть переписано в виде

Как видно из уравнения при получим — установившееся значение перегрева.

При изменении нагрузки электродвигателя изменяется величина потерь, а следовательно, и значение Q. Это влечет за собой изменение величины τу.

На рис. 2 приведены кривые нагрева 1, 2, 3, соответствующие последнему уравнению, для различных значений нагрузки. Когда τу превышает величину допустимого перегрева τн, недопустима продолжительная работа электродвигателя. Как следует из уравнения и графиков (рис. 2), нарастание перегрева носит асимптотический характер.

При подстановке в уравнение значения t = 3T получим значение τ, примерно лишь на 5% меньшее τу. Таким образом, за время t = 3Т процесс нагрева практически можно считать законченным.

Если в произвольной точке с кривой нагрева (рис. 3) провести касательную к кривой нагрева, затем через ту же точку провести вертикаль, то отрезок de асимптоты, заключенный между касательной и вертикалью, в масштабе оси абсцисс равен Т. Если в уравнении принять Q = 0, получим уравнение охлаждения электродвигателя:

Этому уравнению соответствует кривая охлаждения, изображенная на рис.4.

Величина постоянной времени нагрева определяется размерами электродвигателя и формой защиты его от воздействий окружающей среды. У открытых и защищенных электродвигателей малой мощности постоянная времени нагрева равна 20—30 мин. У закрытых электродвигателей большой мощности она доходит до 2—3 ч.

Как было указано выше, изложенная теория нагрева электрических двигателей является приближенной и основана на грубых допущениях. Поэтому кривая нагрева, снятая экспериментально, существенно отличается от теоретической. Если для различных точек опытной кривой нагрева выполнить построение, показанное на рис. 3, то окажется, что значения Т возрастают по мере увеличения времени. Поэтому все расчеты, производимые по уравнению следует рассматривать как приближенные. В этих расчетах целесообразно использовать постоянную Т, определенную графически для начальной точки кривой нагрева. Это значение Т является наименьшим и при его использовании обеспечивается некоторый запас мощности двигателя.

Рис. 4. Кривая охлаждения электродвигателя

Кривая охлаждения, снятая экспериментально, еще более отличается от теоретической, чем кривая нагрева. Постоянная времени охлаждения, соответствующая отключенному двигателю, значительно больше постоянной времени нагрева вследствие уменьшения теплоотдачи при отсутствии вентиляции.

Тема 1.2. Нагрев и номинальные режимы работы электродвигателей

Правильный выбор мощности электродвигателя обеспечивает надежную и экономичную работу приводимого механизма. Основным требованием при выборе электродвигателя является соответствие его мощности условиям технологического процесса. При выборе двигателя заниженной мощности, снижается производительность приводимой машины, возникает повышенный нагрев двигателя, что приводит к быстрому старению изоляции и выходу двигателя из строя.

При завышении мощности двигателя увеличиваются первоначальные капитальные затраты, а также потери энергии за счет снижения КПД двигателя. Для асинхронных двигателей при снижении нагрузки ухудшается также и коэффициент мощности ( ) , что приводит к дополнительной непроизводительной загрузке питающей сети и генераторов электростанций.

Мощность электродвигателей выбирают из условия обеспечения нормального теплового режима двигателя в процессе работы и допустимой кратковременной перегрузки. Для асинхронных двигателей двигатель должен также иметь достаточный пусковой момент, чтобы обеспечить пуск и не затянуть время пуска.

Нагрев и охлаждение электродвигателей.

Изучение характера нагрева и охлаждения ЭД позволяет провести анализ распределения тепловых потоков в ЭД во времени, выявить условия и характер нагрева ЭД, рационально выбрать ЭД по мощности из условий его нагрева.

Нагрев двигателя происходит за счет потерь, которые возникают в нем при преобразовании электрической энергии в механическую. Электрические потери (в меди) вызывают нагрев обмоток, магнитные потери – нагрев стали ротора, статора, якоря, полюсных наконечников; механические – подшипников, щеток коллектора, поверхности якоря или ротора – всех частей, где происходит трение.

Особое значение имеет нагрев изоляции обмоток. Мощность двигателя должна быть выбрана такой, чтобы он всегда работал при температуре, допустимой для класса изоляции, используемой в данном двигателе. Перегревание обмоток на 8-10 градусов выше допустимой температуры изоляции вызывает интенсивное ее старение и снижение срока службы некоторых видов изоляции в два раза. Недопустимым является даже кратковременное превышение предельно допустимой температуры для данного класса изоляции, поскольку это приводит к ее разрушению.

Электроизоляционные материалы по нагревостойкости делятся на несколько классов. Материалы класса А имеют предельно допустимую температуру 105С (пропитанная маслом хлопчатобумажная ткань, волокнистые материалы из целлюлозы и шелка). КлассH – свыше 180С (слюда, керамика, стекло, асбест без вяжущих составов). Новые классы – 200, 220, 250 имеют такую же предельно допустимую температуру.

В процессе работы двигателя происходит непрерывный износ и старение изоляции, вызываемый ее нагревом. Скорость износа определяется температурным режимом двигателя. Под допустимым тепловым режимом ЭД понимают такой режим, при котором срок службы изоляции будет не менее заданного. Срок службы изоляции (Т) экспоненциально уменьшается с ростом ее температуры:

где R – постоянный коэффициент;

–температура изоляции;

–функция, определяемая классом изоляции.

Чем выше класс изоляции, тем больший ток можно пропустить через обмотки, а соответственно и большую мощность будет иметь двигатель при прочих равных условиях. Таким образом, номинальная мощность ЭД зависит от ее тепловой нагрузки, т.е. от допустимой температуры обмоток.

Тепловая модель электродвигателя.

Конструктивно электрические машины изготавливают из материалов, имеющих существенно различную теплоемкость и теплопроводность. Неоднородность тепловых свойств объема машины и неравномерность распределения источников теплоты приводит к сложному распределению температуры по объему машины. Поэтому тепловая модель электродвигателя получается достаточно сложной.

При исследовании тепловых процессов с целью упрощения принимают следующие допущения: двигатель рассматривается как однородное тело, которое нагревается равномерно. Теплоотдача во внешнюю среду пропорциональная первый степени разности температур двигателя и среды. Теплоемкость двигателя и его коэффициент теплоотдачи не зависят от температуры двигателя.

При работе ЭД часть тепловой энергии, которая выделяется в двигателе, отдается в окружающую среду, а другая часть аккумулируется в двигателе, повышая его температуру.

Уравнение теплового баланса.

Уравнение теплового баланса двигателя при продолжительной неизменной нагрузке имеет вид;

(1.18)

где Q – общее количество теплоты, которая выделяется в двигатель за единицу времени [Дж/с] – это есть мощность потерь (∆Р [Вт]);

А – теплоотдача двигателя – количество теплоты, которое выделяется в окружающую среду, в единицу времени при разности температур в 1 С [Дж/с*град] (пропорциональна площади поверхности и зависит от вентиляции ЭД);

С – теплоемкость двигателя – количество тепла, необходимое для повышения температуры двигателя на 1С [Дж/град] (пропорциональна объему двигателя)

τ = tдв-tср – превышение температуры двигателя tдв над температурой окружающей среды tср.

Стандартно температура окружающей среды принимается равной t_ср = 40ºС.

Разделив обе части (8.1) на Adt получим линейное дифференциальное уравнение первой степени относительно перегрева τ:

(1.19)

Обозначив через Т_н постоянную времени нагрева:

(1.20)

и установившееся превышение температуры, когда температура двигателя уже не повышается , получим дифференциальное уравнение первого порядка в канонической форме:

(1.21)

Решением уравнения (1.21) будет выражение:

(1.22)

где τ₀ – начальное значение превышения температуры, при t=0.

Как вытекает с (1.22) нагрев двигателя происходит по экспоненте с постоянной времени Тн.

Физический смысл постоянной времени нагрева – время, за которое, двигатель достиг бы установившейся температуры, если бы отдача тепла в окружающую среду отсутствовала А=0).

Теоретически процесс нагрева ЭД длится бесконечно долго, а практически заканчивается через ( 4-5) Т_н (погрешность при этом не превышает 1-2%).

Постоянная нагрева реальных ЭД – Т_н составляет от нескольких минут до нескольких часов. Ее можно определить по экспериментально снятой кривой нагрева двигателя, проведя подкасательную в любой точке кривой нагрева ЭД, или как время нагрева ЭД до уровня 0,632 τ_y (рис.1.18 )

Рис. 1.18 Определение постоянной времени нагрева.

Выражение (8.3) может использоваться для исследования как процесса нагрева двигателя так и его охлаждения. Необходимо лишь подставить соответствующие значения τ₀ и τ_y.

Для двигателя с самовентиляцией постоянная времени охлаждения в 2-3 раза больше чем постоянная времени нагрева из-за ухудшения условий теплоотдачи при остановке двигателя.

При переменной нагрузке температура двигателя непрерывно изменяется. Уравнение (1.22) позволяет рассчитать кривую нагрева ЭД при изменении нагрузки. Прямой метод проверки ЭД по нагреву заключается в расчете по (1.22) кривой нагрева ЭД, определение из нее значения максимального перегрева τ_max и проверки условия:

где τ_доп – допустимый перегрев для данного класса изоляции обмотки двигателя.

На практике для проверки двигателей по нагреву используют менее точные, но существенно более простые инженерные методы расчета.

Литература: 1, с. 453-457; 4, с. 304-305.

СРС: Получить решение уравнения теплового баланса.

Литература: 1, с. 453-457; 4, с. 304-305.

1.Приведите уравнение теплового баланса.

2.Что показывает теплоотдача двигателя.

3.Что показывает теплоемкость двигателя .

4.Чему равняется постоянная времени нагрева.

5.Как экспериментально определить постоянную времени нагрева.

Номинальные режимы работы электродвигателей.

Тепловой режим двигателя определяется мощностью внутренних потерь , характер изменения которой определяется режимом работы электропривода и нагрузкой механизма. Рост температуры ЭД прекращается, когда количество тепла, отдаваемое двигателем в окружающую среду (а оно увеличивается, пропорционально его температуре), становится равным количеству тепла, выделяемого в двигателе.

Такой тепловой режим установившейся температуры достигается при длительной работе ЭД. Во многих случаях работа двигателя прекращается до достижения им установившейся температуры, или происходит снижение нагрузки на двигатель, а, следовательно, уменьшение потерь и снижение температуры ЭД. В связи с этим при выборе мощности двигателя выделены наиболее характерные режимы работы ЭД.

Реальные режимы работы электроприводов различаются огромным разнообразием: по характеру и продолжительности циклов, значению нагрузок, режимам пуска, соотношением потерь в период пуска и установившегося движения и т.д. На основании их анализа выделен специальный класс режимов – номинальные режимы, для которых и проектируются двигатели. ГСТУ предусматривает 9 номинальных режимов работы, обозначаемых как S1– S9. Основными из них являются четыре режима S1– S3 и S6, а остальные – дополнительные или рекомендованные. Они введены для упрощения эквивалентирования произвольного режима номинальным.

Каждый из режимов характеризуется диаграммой мощности и графиком изменения температуры двигателя.

1. Продолжительный номинальный режим – режим работы двигателя с постоянной номинальной нагрузкой, которая длится до тех пор, пока превышение температуры двигателя над окружающей средойне достигнет установившегося значения (рис. 1.19).

Рис. 1.19 Характеристики режима

2. Кратковременный номинальный режим – режим работы двигателя, при котором периоды постоянной номинальной нагрузки чередуются с периодами отключения двигателя. При этом за время работы двигателя превышение температуры не успевает достичь установившегося значения, а за время отключения двигатель успевает остыть до температуры окружающей среды (рис. 1.19).

Рис. 1.20 Характеристики режима .

3. Повторно-кратковременный номинальный режим – режим работы двигателя, при котором кратковременные периоды неизменной номинальной рабочей нагрузки (рабочие периоды ) чередуются с периодическими отключениями двигателя (паузами ). При этом, как рабочие периоды, так и паузы не такие продолжительные, чтобы превышение температуры могло достичь установившегося значения (рис. 1.21).

Рис. 1.21 Характеристики режима

Максимальная продолжительность цикла в повторно-кратковременном режиме равняется 10 мин.

Режим характеризуется относительной продолжительностью включения:

(1.23)

Эту величину часто выражают в процентах и в каталогах указывают, как продолжительность включения – . Двигатели для режима проектируются для стандартных продолжительностей включения .

4. Повторно-кратковременный номинальный режим работы электродвигателя с частыми пусками – S4. Отличается от режима S3 тем, что пусковые потери начинают оказывать существенное влияние на нагрев двигателя.

Кроме значения , режим S4 дополнительно характеризуется следующими параметрами:

1) количеством включений в час (если нет специально установленных) – Z=30; 60; 120; 240 вкл/час;

2) коэффициентом инерции (соответственно значениям Z) – (FJ)=1.2; 1,6; 2,5; 4.

Коэффициент инерции представляет собой отношение суммы приведенного к валу двигателя момента инерции механизма и якоря (ротора) к моменту инерции якоря (ротора).

5. Повторно-кратковременный номинальный режим работы электродвигателя с частыми пусками при наличии электрического торможения – S5 .

6. Перемежающийся номинальный режим работы электродвигателя – S6.

Отличается от режима S3 тем, что в периоды пауз нагрузки электродвигатель не отключается от сети, а работает в режиме холостого хода.

7. Перемежающийся номинальный режим работы электродвигателя с

частыми реверсами – S7 .

8. Перемежающийся номинальный режим работы при использовании

электродвигателя с двумя и более скоростями – S8.

9. Режим с не периодическими изменениями нагрузки и скорости – S9.

Режим работы, при котором нагрузка и скорость обычно изменяются не периодически в границах допустимого рабочего диапазона. Этот режим часто включает перегрузки, которые могут значительно превысить полную нагрузку.

Литература: 1, с. 456-458; 4, с. 306-312.

СРС: Приведите нагрузочные диаграммы и графики изменения температуры номинальных режимов S4-S9.

Литература: 1, с. 456-458; 4, с. 306-312.

1.Чем обусловленная необходимость введения номинальных режимов?

2. Приведите характеристики режима ,.

3. Приведите характеристики режима .

4. Как определяется продолжительность включения?

5. Какие номинальные режимы являются основными, а какие – дополнительные или рекомендованные?

Онлайн журнал электрика

Статьи по электроремонту и электромонтажу

Нагрев и режимы работы электродвигателей

Во время работы электродвигателя часть электрической энергии преобразуется в термическую. Это связано с энергопотерями на трение в подшипниках, на вихревые токи и перемагничивание в стали статора и ротора, а также в активных сопротивлениях обмоток статора и ротора.
Энергопотери в обмотках статора и ротора пропорциональны квадрату величины их токов. Ток статора и ротора пропорционален
нагрузке на валу. Другие утраты в двигателе почти не зависят от нагрузки.
При постоянной нагрузке на валу в двигателе выделяется определенное количество теплоты в единицу времени. Увеличение температуры мотора происходит неравномерно. Сначала она растет стремительно: практически вся теплота идет на увеличение температуры и только маленькое количество ее уходит в окружающую среду. Перепад температур (разница меж температурой двигателя и температурой окружающего воздуха) еще пока невелик. Но по мере роста температуры двигателя перепад растет и теплопотеря в окружающую среду возрастает. Рост температуры мотора замедляется. Температура мотора прекращает возрастать, когда вся вновь выделяемая теплота будет полностью рассеиваться в окружающую среду. Такая температура мотора именуется установившейся.
Величина установившейся температуры мотора зависит от нагрузки на его валу. При большой нагрузке выделяется огромное количество теплоты в единицу времени, означает, выше установившаяся температура двигателя.
После отключения движок охлаждается. Температура его сначала снижается стремительно, потому что перепад ее большой, а потом по мере уменьшения перепада – медлительно.

Рис. 1. Нагрев и остывание движков: о — длительного режима работы; б — повторно-кратковременного; в — краткосрочного

Величина допустимой установившейся температуры мотора обусловливается качествами изоляции обмоток.
Практически у всех движков общего внедрения для изоляции обмотки употребляются эмали, синтетические пленки, пропитанные картоны, хлопчатобумажная пряжа. Максимально допустимая температура нагрева этих материалов 105С. Температура обмотки мотора при номинальной нагрузке должна быть на 20…25 °С ниже максимально допустимой величины.
Существенно более низкая температура мотора соответствует работе его с малой нагрузкой на валу. При всем этом коэффициент полезного деяния мотора и коэффициент его мощности невелики.
Режимы работы электродвигателей.

Различают три главных режима работы движков: длительный, повторно-кратковременный и краткосрочный. Продолжительным именуется режим работы мотора при постоянной нагрузке длительностью более, чем нужно для заслуги установившейся температуры при постоянной температуре окружающего воздуха. Повторно-кратковременным именуется таковой режим работы, при котором краткосрочная постоянная нагрузка чередуется с отключениями мотора, при этом во время нагрузки температура мотора не добивается установившегося значения, а во время паузы движок не успевает охладиться до температуры окружающего воздуха. Краткосрочным именуется таковой режим, при котором за время нагрузки мотора температура его не добивается установившегося значения, а за время паузы успевает охладиться до температуры окружающего воздуха.
На рис. 1 изображены кривые нагрева и охлаждения мотора и подводимые мощности Р для 3-х режимов работы. Для длительного режима работы изображены три кривые нагрева и остывания 1, 2, 3(рис. 1, а), надлежащие трем разным нагрузкам на его валу. Кривая 3 соответствует большей нагрузке на валу; при всем этом подводимая мощность P3>P2>Pi- При повторно-кратковременном режиме мотора (рис. 1, б) температура его за время нагрузки не добивается установившейся. Температура двигателя повышалась бы по пунктирной кривой, если б время нагрузки было более долгим. Продолжительность включения мотора ограничивается 15, 25, 40 и 60% времени цикла. Длительность 1-го цикла tц принимается равной 10 мин и определяется суммой времени нагрузки N и времени паузы R, т. е.
tц = N + R
Для повторно-кратковременного режима работы выпускаются движки с длительностью работы ПВ 15, 25, 40 и 60% ПВ = N : (N + R) * 100%
На рис. 1, в изображены кривые нагрева и охлаждения мотора при краткосрочном режиме работы. Для этого режима изготовляются движки с длительностью периода постоянной номинальной нагрузки 15, 30, 60, 90 мин.

Теплоемкость мотора – величина значимая, потому нагрев его до установившейся температуры может длиться несколько часов. Движок кратковременного режима за время нагрузки не успевает нагреться до установившейся температуры, потому он работает с большей нагрузкой на валу и большей подводимой мощностью, чем таковой же движок продолжительного режима работы. Движок повторно-кратковременного режима работы также работает с большей нагрузкой на валу, чем таковой же движок продолжительного режима работы. Чем меньше продолжительность включения мотора, тем больше допустимая нагрузка на его валу.
Для большинства машин (компрессоры, вентиляторы, картофелечистки и др.) используются асинхронные движки общего внедрения длительного режима работы. Для подъемников, кранов, кассовых аппаратов используются движки повторно-кратковременного режима работы. Движки краткосрочного режима работы употребляются для машин, применяёмых во время ремонтных работ, к примеру электронных талей и кранов.

Нагрев и охлаждение электродвигателей

Для обеспечения нормального режима эксплуатации электрических машин необходимы знания теплового режима работы изоляции электродвигателя.

Учет всех тепловых процессов, происходящих в электрической машине, задача далеко не из легких, так как существует различие материалов, использованных при изготовлении электродвигателя (медь, изоляция, электротехническая сталь), условия работы элементов (вращающиеся и неподвижные), а также довольно сложные процессы обмена тепла между отдельными частями электродвигателя.

В процессе работы электродвигателя избежать потерь в нем невозможно. Эти потери будут вызывать нагрев отдельных компонентов и создавать процессы теплообмена. Поэтому при изучении процессов нагрева и охлаждения электрическую машину рассматривают как систему нескольких однородных тел, которые связаны взаимными тепловыми потоками.

Например, асинхронный электродвигатель следовало бы рассматривать как систему четырех тел, а именно: сталь и медь статора, которые разделены изоляцией, медь и сталь ротора, а также охлаждающая среда. При подобных допущениях тепловые процессы внутри асинхронного электродвигателя будут описываться довольно сложной системой дифференциальных уравнений. В случае же переменной нагрузки система уравнений значительно усложняется, что делает расчет практически невозможным.

Более простым случаем является нагрев двух тел. В таком случае нагревание статора и ротора рассматривается отдельно друг от друга. Нагрев каждого из этих элементов рассматривают как процессы теплообмена между медью и сталью под действием соответствующих потерь. Однако даже такое весьма упрощенное и приближенное рассмотрение процессов теплообмена электрических двигателей требует значительного количества конструктивных и расчетных параметров, таких как теплоотдача лобовых частей обмотки статора, теплоотдача между медью и сталью ротора через пазовую изоляцию и другие параметры. Эти данные в каталогах производители не приводят, что делает подобные методы расчета практически недоступными для проектировщиков систем электроприводов, не говоря уже об эксплуатирующем персонале. В случаях необходимости установления нагрева электродвигателя при определенной нагрузке используют более грубые и простые методы.

Упрощение достигается тем, что процесс нагревания электрической машины заменяют процессом нагревания однородного твердого тела, обладающего бесконечно большой теплопроводимостью. Этому телу на единицу времени по всему объему будет передано определенное количество тепла, которое определяется потерями:

Где Р – мощность полезная на валу машины; η – КПД соответствующий данной нагрузке.

При нагревании электромашины ее температура повышается. Как только она превысит температуру окружающей среды — электродвигатель станет излучать тепло и, соответственно, процесс нагрева замедлится. С увеличением температуры электродвигателя будет увеличиваться и количество теплоты, отдаваемое им в окружающую среду. При определенной температура наступает тепловое равновесия – это когда количество теплоты, получаемое объектом, равно количеству теплоты отдаваемой им. При достижении равновесия температура установится на определенном уровне и не будет изменятся.

Отдача тепла телом может происходить тремя способами – конвекцией, лучеиспусканием, теплопроводностью.

Тепло, отдаваемое лучеиспусканием, будет пропорционально разности четвертых степеней абсолютных температур тела и среды.

Тепло, отдаваемое при конвекции, пропорционально разности температур в степени 1,25; а в случае с теплопроводностью – пропорционально данной разности.

Ввиду того, что температуры нагрева в электромашиностроении не велики, количество тепла, отдаваемое путем лучеиспускания, будет весьма невелико и им, как правило, пренебрегают. Наиболее существенное влияние оказывают процессы конвекции и теплопроводимости, поэтому для упрощения расчетов в дальнейшем принимается, что отдаваемое тепло пропорционально разности температур.

В соответствии с принятыми ранее допущениями можно записать условия теплового равновесия:

Где: Q – количество теплоты, которое сообщается телу за единицу времени, размерность кал/сек или дж/сек;

С – теплоемкость тела (количества тепло необходимого для повышения температуры на 1 0 ), размерность кал/град или дж/град;

А – теплоотдача (количество тепла, рассеиваемое поверхностью в секунду при разности температур тела и среды в 1 0 ), размерность кал/сек∙град или дж/сек∙град;

τ – превышение температуры тела над температурой окружающей среды;

Проинтегрировав выражение (2) получим:

Постоянную интегрирования можно найти из начальных условий: при t = 0 и τ = τ_нач, подставив которые получим:

Использовав значение постоянной интегрирования:

Отношение теплоемкости электродвигателя к его теплоотдаче назовем постоянной времени нагрева и обозначим:

В соответствии с размерностью входящих в формулу (5) величин размерность постоянной времени будет равна:

Подставив Θ в выражение (4) получим:

Полученная в результате вычислений кривая нагрева будет иметь следующий вид:

Кривая показывает, что в начальном этапе (при t = 0) начальное превышение температуры было равно τ = τ_нач. По истечению бесконечно большого времени (t = ∞) превышение температуры достигнет какого-то установившегося значения:

Используя понятия об установившейся температуре выражению можно придать вид:

Если в начальный момент времени превышение температуры тела над окружающей средой τ_нач = 0 уравнение процесса нагрева примет более простой вид:

Выражение (7) показывает, что установившаяся температура перегрева тела определяется только количеством выделяемого в теле тепла и его теплоотдачей и совершенно не зависит от теплоемкости тела. Отсюда следует, что при сохранении постоянства теплоотдачи установившаяся температура перегрева будет пропорциональна количеству тепла, сообщаемого телу.

Но с другой стороны, улучшив отвод тепла от тела (принудительное охлаждение) мы пропорционально снижаем его перегрев.

Соотношение (7) позволяет наметить основные пути, направленные к более рациональному использованию материалов при конструировании электрических машин. Правильно рассчитанный электродвигатель должен иметь при номинальной нагрузке максимально допустимую температуру перегрева изоляции:

Подставив значение потерь при номинальном режиме, выраженное через КПД и номинальную мощность, а также значение теплоотдачи и решив все относительно Р_ном получим:

Выражение (12) показывает, что для получения максимальной мощности электродвигателя необходимо иметь максимальный КПД. В этом случае потери будут сведены к минимуму. Мощность электрической машины будет больше в случае более интенсивного охлаждения и большей охлаждаемой площади. С этой целью в электрических машинах широкое распространение получили вентиляторы, которые улучшают охлаждение. Для увеличения площади охлаждающей поверхности корпус электрических машин очень часто выполняют ребристым (особенно наглядно видно на примере асинхронных электродвигателей). Также существует еще один способ повышения мощности – это повышение теплостойкости изоляции.

Формула (12) позволяет сделать вывод, что открытая машина при одинаковых габаритах будет иметь мощность больше, чем закрытая. Это связано с тем, что воздух, проходящий через внутренние части открытой машины, лучше охлаждает ее компоненты чем в закрытой, так как площадь охлаждения внешней поверхности в закрытой машине будет значительно ниже.

Для различного рода приближенных расчетов по формуле (10) удобно использовать номограмму:

Задавшись значениями Θ и t и проведя через эти точки прямую до третьей вертикали получают повышение температуры в долях установившегося перегрева тела.

Продолжим анализ выражения (10). Температура перегрева тела представляет собой сумму трех слагаемых. Соотношение этих слагаемых будут определять характер процесса. При сообщении телу какого-то количества теплоты Q, которому соответствует установившаяся температура перегрева τ_у, при τ_у> τ_нач будет иметь место нагрев тела до температуры τ_у.

В случае подведения меньшего количества теплоты Q, а именно при τ_нач> τ_у>0, произойдет понижение температуры от τ_нач до τ_у.

При отсутствии подвода тепла Q = 0 и τ_у = 0 превышение температуры будет равно:

Вследствие наличия разности температур в сторону превышения τ_нач>0 и Q = 0, тело начнет охлаждаться, то есть отдавать тепло.

Очевидно, что процесс теплообмена будет продолжатся до тех пор, пока температуры окружающей среды и тела не сравняются.

На рисунке ниже показана кривая нагрева электрической машины и ее составляющие:

Кривая τ₁ соответствует нагреву, τ₂ охлаждению при сообщении тепла, а τ₃ – охлаждение до температуры окружающей среды. Таким образом, в зависимости от значений τ_нач и τ_у можно иметь любой характер теплового процесса.

При охлаждении электродвигателя с самовентиляцией в отключенном состоянии с неподвижным якорем или ротором условия отдачи тепла будут хуже и отдача А меньше, чем в процессе работы машины. Поэтому постоянная Θ₀ = С/А будет при охлаждении больше, чем при нагреве, то есть Θ₀>Θ.

Кривая охлаждения неподвижной электрической машины приведена ниже, для сравнения там приведена и кривая нагрева:

Справочник

Нагрев электродвигателей классы изоляции 10.07.2006 17:25

Во время работы электродвигателей происходит их нагрев. Температура нагрева может быть разной, т.е. одни двигатели нагреваются меньше, другие – больше. Величина установившейся температуры двигателя зависит от нагрузки на его валу. При большой нагрузке выделяется большое количество теплоты в единицу времени, значит, выше установившаяся температура двигателя. Допустимый нагрев электрических двигателей зависит от класса изоляции обмоток.

На табличке электродвигателя со всеми данными указан и параметр, называемый класс изоляции.

Нагревостойкость — одно из самых важных качеств электроизоляционных материалов, так как она определяет допустимую нагрузку электрических машин и аппаратов. Способность электроизоляционных материалов выдержать без вреда для них воздействие повышенной температуры, а также резкие смены температуры называется нагревостойкостью. Необходимо знать, что с повышением температуры обмоток электродвигателей сверх допустимых значений, резко сокращается срок службы изоляции. По этому, нагревостойкость изоляции является основным требованием, определяющим надежность работы и срок службы электрической машины, который нормально должен составлять 15—20 лет.

Электрические машины с изоляцией класса А практически не изготовляются, а класса Е — находят ограниченное применение в машинах малой мощности. Применяют в основном изоляцию классов В и F, а в специальных машинах, работающих в тяжелых условиях (металлургия, горное оборудование, транспорт),— класса Н. В результате использования более нагревостойких материалов, улучшения свойств электротехнических сталей и улучшения конструкций за последние 60—70 лет удалось уменьшить массу электрических машин в 2,5—3 раза.

При неизменной нагрузке на валу в двигателе выделяется определенное количество теплоты в единицу времени.

Предельные допустимые превышения температуры активных частей электродвигателей

t 0 (при температуре окружающей среды 40ºС):

Класс E: допустимая температура нагрева до 120°C.
Класс B: допустимая температура нагрева до 130°C.
Класс F: допустимая температура нагрева до 155°C.
Класс H: допустимая температура нагрева до 180°C.

Подробнее о классах нагревостойкости изоляции см Статью Класс нагревостойкости изоляции

В таблице приведены в качестве примера предельно допускаемые превышения температуры для отдельных частей электрических машин общего применения (О) и тяговых (Т) при продолжительном режиме работы при измерении температуры обмоток по методу сопротивления (т. е. по измерению сопротивления соответствующей обмотки в результате нагрева), а температуры коллектора и контактных колец с помощью термометров. Эти данные соответствуют температуре окружающей среды +40 °С для машин О и +25 °С для машин Т.

Части машин

Предельно допустимые превышения температуры, 0 С, при классе изоляции

общего О

тяговых Т

Обмотка якоря машин постоянного тока и обмотки синхронных машин переменного тока

100

125

105

120

140

160

Многослойные обмотки возбуждения машин постоянного и переменного тока, компенсационные обмотки

100

125

115

130

155

180

Однорядные обмотки возбуждения с неизолированными поверхностями

110

135

115

130

155

180

Коллекторы и контактные кольца

100

105

Температурой окружающего воздуха, при которой общепромышленный электродвигатель может работать с номинальной мощностью, считается 40ºС.

Если температура окружающей среды больше или меньше +40 для общепромышленного исполнения электродвигателя, то стандарт разрешает определенные изменения допустимых превышений температур.

При повышении температуры окружающего воздуха более 40ºС, нагрузка на электродвигатель должна быть снижена настолько, чтобы температура отдельных его частей не превышала допустимых значений. При работе машины в горных местностях, где из-за понижения атмосферного давления ухудшается теплоотдача, стандарт предусматривает некоторое уменьшение допустимых превышений температуры.

Независимо от снижения температуры окружающего воздуха,увеличивать токовые нагрузки более чем на 10% номинального не допускается. У асинхронных двигателей на это может влиять изменение напряжения питающей сети, вместе с уменьшением напряжения питающей сети, в квадрате уменьшается мощность на валу двигателя и кроме того, уменьшение напряжения ниже 95% от номинального приводит к значительному росту тока двигателя и нагреву обмоток. Рост напряжения выше 110% от номинального также ведет к росту тока в обмотках двигателя, увеличивается нагрев статора за счет вихревых токов.

При повышении температуры многие из материалов начинают обугливаться и становятся проводниками. Все материалы от длительного воздействия повышенных температур задолго до обугливания приобретают хрупкость, легко разрушаются и теряют свои изолирующие свойства. Этот процесс называется тепловым старением. Опыт показывает, что повышение температуры изоляции на 10 °С сокращает срок ее службы примерно в два раза. Так, для изоляции класса А повышение температуры с 95 до 105 °С сокращает срок ее службы с 15 до 8 лет, а нагрев до 120 °С — до двух лет. В основе этого явления лежит общий закон зависимости скорости химических реакций от температуры, описываемый уравнением Ван-Гоффа-Аре-ниуса.

То есть технологические перегрузки рабочих машин или колебания напряжения в питающей сети ведут за собой увеличение тока в обмотках машин и превышение температуры обмоток выше допустимых для данного класса, в результате срок службы машин быстро уменьшается.

Приведенные предельные температуры нагрева для отдельных классов изоляции не могут быть полностью использованы в практике, так как в условиях эксплуатации электрических машин и аппаратов не представляется возможным установить точный контроль за температурой изоляции наиболее нагретых деталей.

Поэтому существующие стандарты на электрические машины устанавливают более низкие пределы допускаемых температур отдельных деталей машин в зависимости от конструкции этих деталей и расположения их в машине. Нормируют не сами температуры, а максимально допустимые превышения температур ?max, так как от нагрузки машины зависит только превышение температуры.

В производственных условиях измерение температуры узлов электрических машин и электроаппаратуры выполняется непосредственно термометром или косвенно на основе измерения их сопротивления.

Контроль температуры нагрева электродвигателей мощностью выше 100 кВт проводят с помощью встроенных дистанционных термометров. Для измерения температуры электродвигателей меньшей мощности, а также для измерения температуры в точках электродвигателей, где установка дистанционных термометров невозможна, пользуются переносными спиртовыми или ртутными термометрами. При измерениях ртутными термометрами следует иметь в виду, что в области переменных магнитных полей возникает положительная погрешность, т. е. термометр покажет завышенное значение температуры. Для более точного измерения температуры нижнюю часть термометра обвертывают тонкой алюминиевой фольгой, обминая ее так, чтобы прилегание к месту измерения было плотным. Сверху оболочку из фольги накрывают для теплоизоляции ватой. В труднодоступных местах измерения проводят сразу после остановки электродвигателя.

Методом сопротивления измеряют среднюю температуру. Он основан на изменении сопротивления проводника с изменением его температуры. Замеряя сопротивление проводника в холодном и горячем состоянии, рассчитывают температуру проводника.

Повышение температуры двигателя происходит неравномерно. Вначале она возрастает быстро: почти вся теплота идет на повышение температуры, и лишь малое количество ее уходит в окружающую среду. Перепад температур (разница между температурой двигателя и температурой окружающего воздуха) пока еще невелик. Однако по мере увеличения температуры двигателя перепад возрастает и теплоотдача в окружающую среду увеличивается. Рост температуры двигателя замедляется.

Температура двигателя прекращает возрастать, когда вся вновь выделяемая теплота будет полностью рассеиваться в окружающую среду. Такая температура двигателя называется установившейся. Величина установившейся температуры двигателя зависит от нагрузки на его валу. При большой нагрузке выделяется большое количество теплоты в единицу времени, значит, выше установившаяся температура двигателя.

После отключения двигатель охлаждается. Температура его вначале понижается быстро, так как перепад ее большой, а затем по мере уменьшения перепада – медленно.

Величина допустимой установившейся температуры двигателя обусловливается свойствами изоляции обмоток. Подробнее Статья Класс нагревостойкости изоляции смотреть

В отдельных точках частей машины температура может быть выше средней. Так, например, в открытых машинах с воздушным охлаждением, у которых хорошо охлаждаются лобовые части обмоток, пазовые части нагреваются больше, чем лобовые. Превышения температуры в отдельных наиболее нагретых точках должны быть не более: 65 ° — для изоляции класса А, 90 °С — для изоляции класса В, ПО и 135 °С — соответственно для изоляции классов F и Н.

Чувствительными к нагреву являются и некоторые механические узлы и детали электродвигателей. Для них в паспортах электродвигателей задаются допустимые превышения температур над температурой окружающей среды 35 °С. Допустимые превышения температуры для подшипников качения составляют 60°С, для подшипников скольжения — 45°С, для стальных деталей коллекторов и контактных колец — 70°С. Температуру подшипников скольжения можно измерить, погружая термометр непосредственно в масло подшипника.

При достаточном навыке ориентировочное представление о степени нагрева можно получить, притрагиваясь ладонью к нагретому элементу конструкции (ладонь без болевых ощущений обычно выдерживает температуру около 60°С), но важно помнить прежде всего безопасность.

Предельные допустимые превышения температуры частей электрических машин при температуре газообразной охлаждающей среды 40 °С и высоте над уровнем моря не более 1000 м должны быть не более значений, указанных в таблице. При температурах больше 40 С и высоте более 1000 м эти значения должны быть уменьшены в соответствии с ГОСТ (Машины электрические вращающиеся. Общие технические требования). Непосредственные измерения температуры при помощи термометров или термощупов дают надежные результаты, но не позволяют определять температуру внутренних наиболее нагретых частей обмотки. На основе измерения омического сопротивления обмотки можно определить только некоторое среднее значение ее температуры. Поэтому нормы предельно допустимой температуры обмоток указываются с учетом метода ее измерения.

Купить электродвигатель можно

через

зайдя на страницу электродвигателя нажав на него

используя стандартные формы на странице

используя кнопку Добавить в корзину и оформить заказ из корзины
использую кнопку Купить в один клик

а так же

отправить заявку через специальную форму Заказать
отправить письмо по электронной почте

Обращайтесь

У Вас есть вопрос , не нашли нужное оборудование, что-то ещё

воспользуйтесь специальной формой Напишите нам

или по электронной почте mail@arosna.com

Работаем с юридическими и физическими лицами

Для получения оформленного коммерческого предложения по форме для организаций или оформления счета на юридической лицо, воспользуйтесь любым из вариантов

укажите реквизиты в комментарии при оформлении через корзину
укажите реквизиты в тексте при использовании форм заказа или покупки в один клик
направьте запрос по электронной почте
воспользуйтесть формой для юридичесикх лиц и ИП

Оформление бухгалтерских документов по НК РФ с НДС

Перегрузки по току. Температура обмоток электродвигателя.

Влияние токовых перегрузок

на работу и срок службы электродвигателей

Анализ повреждений асинхронных двигателей показывает, что основной причиной их выхода из строя является разрушение изоляции из-за перегрева.

Температура нагрева обмоток электродвигателя зависит от теплотехнических характеристик двигателя и параметров окружающей среды. Часть выделяемого в двигателе тепла идет на нагрев обмоток, а остальное отдается в окружающую среду. На процесс нагрева влияют такие физические параметры, как теплоемкость и теплоотдача.

В зависимости от теплового состояния электродвигателя и окружающего воздуха степень их влияния может быть различной. Если разность температур двигателя и окружающей среды невелика, а выделяемая энергия значительна, то ее основная часть поглощается обмоткой, сталью статора и ротора, корпусом двигателя и другими его частями. Происходит интенсивный рост температуры изоляции.

По мере нагрева все больше проявляется влияние теплоотдачи. Процесс устанавливается после достижения равновесия между выделяемым теплом и теплом, отдаваемым в окружающую среду.

Повышение тока сверх допустимого значения не сразу приводит к аварийному состоянию. Требуется некоторое время, прежде чем статор и ротор нагреются до предельной температуры. Поэтому нет необходимости в том, чтобы защита реагировала на каждое превышение тока. Она должна отключать машину только в тех случаях, когда возникает опасность быстрого износа изоляции.

С точки зрения нагрева изоляции большое значение имеют величина и длительность протекания токов, превышающих номинальное значение. Эти параметры зависят, прежде всего, от характера технологического процесса.

Перегрузки электродвигателя технологического происхождения

Рассмотрим перегрузки электродвигателей, вызванные периодическим увеличением вращающего момента на валу рабочей машины. В таких станках и установках мощность электродвигателя все время изменяется. Трудно заметить сколько-нибудь длительный промежуток времени, в течение которого ток оставался бы неизменным по величине. На валу двигателя периодически возникают кратковременные большие моменты сопротивления, создающие броски тока.

В других машинах могут возникать сравнительно небольшие, но длительные перегрузки. Обмотки электродвигателя постепенно нагреваются до температуры, близкой к предельно допустимому значению. Обычно электродвигатель имеет некоторый запас по нагреву, и небольшие превышения тока, несмотря на продолжительность действия, не могут создать опасной ситуации. В этом случае отключение не обязательно.

Аварийные перегрузки электродвигателя

Кроме перегрузок технологического происхождения, могут быть аварийные перегрузки, возникающие по другим причинам (авария в питающей линии, заклинивание рабочих органов, снижение напряжения и др). Они создают своеобразные режимы работы асинхронного двигателя и выдвигают свои требования к средствам защиты.

Перегрузки при длительном режиме работы с постоянной нагрузкой

Обычно электродвигатели выбирают с некоторым запасом по мощности. Кроме того, большую часть времени машины работают с недогрузкой. В результате ток двигателя часто значительно ниже номинального значения. Перегрузки возникают, как правило, при нарушениях технологии, поломках, заедании и заклинивании в рабочей машине.

Внимание. Защита должна отключать электродвигатель при возникновении перегрузок, вызывающих опасный перегрев обмоток.

С точки зрения влияния длительных превышений тока на изоляцию следует различать:

– сравнительно небольшие перегрузки (до 50%);

– большие перегрузки (более 50%).

Действие первых проявляется не сразу, а постепенно, в то время как последствия вторых проявляются через короткое время. Если превышение температуры над допустимым значением невелико, то старение изоляции происходит медленно. Небольшие изменения в структуре изолирующего материала накапливаются постепенно. С ростом температуры процесс старения экспоненциально ускоряется.

Примечание.Из закона Аррениуса следует, что перегрев сверх допустимого на каждые 8–10 °С сокращает срок службы изоляции обмоток электродвигателя в два раза. Таким образом, перегрев на 40 °С сокращает срок службы изоляции в 32 раза!

При больших перегрузках (более 50%) изоляция быстро разрушается под действием высокой температуры.

Зависимость допустимой длительности перегрузки от ее величины называется перегру-

зочной характеристикой электродвигателя. Теплофизические свойства электродвигателей разных типов имеют некоторые отличия, также отличаются и их характеристики. На рис. 21 сплошной линией показана одна из таких характеристик.

Рис. 21. Перегрузочная характеристика электродвигателя (сплошная линия) и желаемая характеристика защиты (пунктирная линия)

Из приведенной характеристики можно сформулировать одно из основных требований к защите от перегрузок, действующей в зависимости от тока. Она должна срабатывать в зависимости от величины перегрузки. Это дает возможность исключить ложные срабатывания при неопасных бросках тока, возникающих, например, при пуске двигателя. Защита должна срабатывать только при попадании в область недопустимых значений тока и длительности его протекания. Ее желаемая характеристика, показанная на рис. 21 пунктирной линией, должна всегда располагаться под перегрузочной характеристикой двигателя.

Перегрузки при переменном длительном режиме работы

Некоторые рабочие органы и механизмы создают нагрузку, изменяющуюся в больших пределах, как, например, в машинах для дробления, измельчения. Здесь периодические перегрузки сопровождаются недогрузками вплоть до работы на холостом ходу.

Каждое увеличение тока, взятое в отдельности, не приводит к опасному росту температуры. Однако если их много и они повторяются достаточно часто, действие повышенной температуры на изоляцию быстро накапливается.

Примечание. Повторно-кратковременный режим работы можно отнести к наиболеенеблагоприятному сточки зрения действия защиты. Периодическое включение в работу предполагает возможность кратковременной перегрузки двигателя. Величина перегрузки должна быть ограничена по условию нагрева обмоток не выше допустимого значения.

Защита, «следящая» за состоянием нагрева обмотки, должна получать соответствующий сигнал. Так как в переходных режимах ток и температура могут не соответствовать друг другу, то защита, действие которой основано на измерении тока, не может выполнять свою роль должным образом.

Контроль температуры нагрева электрических двигателей

Допустимый нагрев электрических двигателей зависит от класса изоляции обмоток. Переход на более высокий класс изоляции электродвигателя может быть осуществлен только при капитальном ремонте.

Внимание. Необходимо знать, что с повышением температуры обмоток электродвигателей сверх допустимых значений, резко сокращается срок службы изоляции.

Температурой окружающего воздуха, при которой электродвигатель может работать с номинальной мощностью, считается 40 °С. При повышении температуры окружающего воздуха выше 40 °С нагрузка на электродвигатель должна быть снижена настолько, чтобы температура отдельных его частей не превышала допустимых значений. Предельные допустимые превышения температуры активных частей электродвигателей и при температуре окружающей среды 40 °С не должна превышать:

– 65 °С — для изоляции класса А;

– 80 °С — для изоляции класса Е;

– 90 °С — для изоляции класс В;

– 110 °С — для изоляции класса Г;

– 135 °С — для изоляции класса Н.

У асинхронных двигателей с уменьшением напряжения питающей сети уменьшается мощность на валу двигателя. Кроме того снижение напряжения ниже 95% от номинального приводит к значительному росту тока двигателя и нагреву обмоток.

Рост напряжения выше 110% от номинального также ведет к росту тока в обмотках двигателя, и увеличивается нагрев статора за счет вихревых токов.

Внимание. Независимо от снижения температуры окружающего воздуха увеличивать токовые нагрузки более чем на 10% от номинального не допускается.

Способы контроля нагрева электрооборудования в процессе эксплуатации

Методы контроля нагрева электрооборудования

Для контроля нагрева электрооборудования применяют метод:

контроль нагрева электрооборудования по методу термометра

Метод термометра применяют для измерения температуры доступных поверхностей. Используют ртутные (избегать, токсично!), спиртовые и толуоловые стеклянные термометры, погружаемые в специальные гильзы, герметически встроенные в крышки и кожухи оборудования.

Ртутные термометры обладают более высокой точностью, но применять их в условиях действия электромагнитных полей не рекомендуется ввиду высокой погрешности, вносимой дополнительным нагревом ртути вихревыми токами.

При необходимости передачи измерительного сигнала на расстояние нескольких метров (например, от теплообменника в крышке трансформатора до уровня 2–3 м от земли) используют термометры манометрического типа, например, термосигнализаторы ТСМ-10.

Термосигнализатор ТСМ-10 состоит из термобаллона и полой трубки, соединяющей баллон с пружиной показывающей части прибора. Термосигнализатор заполнен жидким метилом и его парами. При изменении температуры изменяется давление паров хлористого метила, который передается стрелке прибора. Достоинство манометрических приборов заключается в их вибрационной устойчивости.

Контроль нагрева электрооборудования термометром с указателем манометрического типа

Метод сопротивления основан на учете изменения величины сопротивления металлического проводника от его температуры. Для мощных трансформаторов и синхронных компенсаторов применяют термометры с указателем манометрического типа. Схема включения дистанционного электротермометра показаны на рис. 22.

Рис. 22. Дистанционный электротермометр манометрического типа

В дистанционном электротермометре стрелки указателя имеют два контакта для сигнализации температуры, заданной установкой. При замыкании контактов срабатывает соответствующее реле в схеме сигнализации.

Для измерения температуры в отдельных точках синхронных компенсаторов (в пазах для измерения стали, между стержнями обмоток для измерения температуры обмоток и других точках) устанавливаются терморезисторы. Сопротивление резисторов зависит от температуры в точках измерения.

Терморезисторы изготовляют из платиновой или медной проволоки, их сопротивления калиброваны.

Схема измерения температур с помощью терморезистора показана на рис. 23.

Рис. 23. Схема измерения температур с помощью терморезистора

Такой терморезистор R4 включается в плечо резистивного моста. В одну из диагоналей моста включается источник питания, в другую — измерительный прибор. Резисторы R1—R4 в плечах моста подбираются таким образом, что при номинальной температуре мост находится в равновесии, и ток в цепи прибора отсутствует.

При отклонении температуры в любую сторону от номинальной изменяется сопротивление терморезистора R4, нарушается баланс моста и стрелка прибора отклоняется, показывая температуру измеряемой точки. Перед измерением стрелка прибора должна находиться в нулевом положении.

Контроль нагрева электрооборудования с помощью термометров сопротивления

Средством дистанционного измерения температуры обмотки и стали статора генераторов, синхронных компенсаторов, температуры охлаждающего воздуха, водорода являются термометры сопротивления, в которых также использована зависимость величины сопротивления проводника от температуры.

Конструкции термометров сопротивления разнообразны. В большинстве случаев — это бифилярно намотанная на плоский изоляционный каркас тонкая медная проволока, имеющая входное сопротивление 53 Ом при температуре 0 °С. В качестве измерительной части, работающей в совокупности с термометрами сопротивления, применяют автоматические электронные мосты и логомеры, снабженные температурной шкалой.

Установку термометров сопротивления в статор машины выполняют при ее изготовлении на заводе. Медные термометры сопротивления укладывают между стержнями обмотки и на дно паза.

Контроль нагрева электрооборудования по методу термопары

Метод термопары основан на использовании термоэлектрического эффекта, т. е. температурной зависимости ЭДС, возникающей на концах электрической цепи из разнородных проводников при условии разности температур точки их спая и свободных концов этих проводников. Наиболее часто для измерений используют медь-константановые, хромель-копелевые, платино-родиевые термопары.

Если измеряемая температура не превышает 100–120 °С, то между термоЭДС и разностью температур нагретых и холодных концов термопары существует прямопропорциональная зависимость.

Откалиброванные термопары присоединяют к измерительным приборам компенсационного типа, потенциометрам постоянного тока и автоматическим потенциометрам, которые предварительно градуируют. С помощью термопар измеряют температуры конструктивных элементов турбогенераторов, охлаждающего газа, активных частей, например, активной стали статора.

Контроль нагрева электрооборудования по методу инфракрасного излучения

Метод инфракрасного излучения положен в основу приборов, измеряющих температуру по интенсивности или спектру инфракрасного излучения, испускаемого нагретыми поверхностями.

В энергетике получили применение как тепловизоры (термовизоры), так и радиационные пирометры. Тепловизоры обеспечивают возможность получения картины теплового поля исследуемого объекта и его температурного анализа. С помощью радиационного пирометра определяется только температура объекта контроля.

Очень часто тепловизор используется совместно с пирометром. Сначала с помощью тепловизора выявляют объекты с повышенным нагревом, а затем, используя пирометр, определяют его температуру. Поэтому точность измерения температуры определяется, прежде всего, параметрами применяемого пирометра.

Определение температуры обмоток электродвигателей переменного тока

по их сопротивлению

Метод сопротивления — определение температуры обмоток по их сопротивлению постоянному току часто используется для измерения температуры обмоток. Метод основан на свойстве металлов изменять электрическое сопротивление в зависимости от температуры.

Для определения превышения температуры осуществляют измерения сопротивления обмотки в холодном и нагретом состояниях и производят вычисления. Следует учитывать, что с момента отключения двигателя до начала замеров проходит некоторое время, в течение которого обмотка успевает остыть. Поэтому для правильного определения температуры обмоток в момент отключения, т. е. в рабочем состоянии двигателя, после отключения машины по возможности через равные промежутки времени (по секундомеру) производят несколько измерений. Эти промежутки не должны превышать времени от момента выключения до первого замера. Затем производят экстраполяцию измерений, построив график R = f(t).

Методом амперметра-вольтметра измеряют сопротивление обмотки. Первое измерение от момента отключения двигателя производят не позднее чем через:

– 1 мин для машин мощностью до 10 кВт;

– 1,5 мин — для машин мощностью 10–100 кВт;

– 2 мин — для машин мощностью выше 100 кВт.

Если первое измерение сопротивления произведено не более чем через 15–20 с момента выключения, то за сопротивление принимают наибольшее из первых трех измерений. Если первое измерение произведено более чем через 20 с после отключения машины, то устанавливают поправку на остывание.

Для этого производят 6–8 измерений сопротивления и строят график изменения сопротивления при остывании:

l по оси ординат откладывают соответствующие измеренные сопротивления;

l по оси абсцисс — время (точно в масштабе), прошедшее от момента выключения электродвигателя до первого измерения, промежутки между измерениями и получают кривую, изображенную на графике сплошной линией.

После этого продолжают эту кривую влево, сохраняя характер ее изменения, до пересечения с осью. Отрезок на оси ординат от начала координат до пересечения с пунктирной линией с достаточной точностью определяет искомое сопротивление обмотки двигателя в горячем состоянии.

Основная номенклатура двигателей, установленных на промышленных предприятиях, включает в себя изоляционные материалы классов А и В. Например, если для пазовой изоляции применен материал на основе слюды класса В, а для обмотки провод ПБД с хлопчатобумажной изоляцией класса А, то двигатель по классу нагревостойкости относится к классу А. Если температура охлаждающей среды ниже 40 °С, то для всех классов изоляции допускаемые превышения температуры могут быть увеличены на столько градусов, на сколько температура охлаждающей среды ниже 40 °С, но не более чем на 10 °С. Если температура охлаждающей среды 40–45 °С, то предельно допустимые превышения температуры, снижаются для всех классов изоляционных материалов на 5 °С, а при температурах охлаждающей среды 45–50 °С — на 10 °С. За температуру охлаждающей среды обычно принимают температуру окружающего воздуха.

Для закрытых машин на напряжение не более 1 500 В предельно допустимые превышения температуры обмоток статоров электродвигателей мощностью менее 5000 кВт или с длиной сердечника менее 1 м, а также

стержневых обмоток роторов при измерении температур методом сопротивления допускается повышать на 5 °С. При измерении температуры обмоток по способу замера их сопротивления определяется средняя температура обмоток. В действительности при работе двигателя отдельные зоны обмоток, как правило, имеют разную температуру. Поэтому максимальная температура обмоток, определяющая долговечность изоляции, всегда немного превышает среднее значение.

Рейтинг

( Пока оценок нет )

Добавить комментарий

Имя *

Email *

Сайт

Комментарий