Исследование нагрева асинхронных двигателей типа АО Текст научной статьи по специальности «Электротехника». Нагрев асинхронного двигателя


Нагрев асинхронных двигателей в повторно-кратковременных режимах работы Текст научной статьи по специальности «Электротехника»

ИЗВЕСТИЯ ■

ТОМСКОГО ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО ИНСТИТУТА им. С. Ш. КИРОВА

Том 301 .1975

НАГРЕВ АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ В ПОВТОРНО-КРАТКОВРЕМЕННЫХ РЕЖИМАХ РАБОТЫ

В. А. ЖАДАН, Ю. В. КОПЫЛОВ, Д. И. САННИКОВ

(Представлена научным семинаром кафедр электрических машин и общей электротехники)

Для разработки уточненной методики теплового расчета асинхронных двигателей в повторнонкрашовременнык режимах работы (ПКР) с частыми пусками необходимо провести жспарим ен т а л ып ы е ¡исследования нагрева этих двигателей при изменении относительной продолжительности включения ПВ, числа (включений в час Ь, статического момен-та на валу двигателя Мс и коэффициента инерции вращающихся масс К| в пределах, предусмотренных ГОСТом 183—66.

Экспериментальные исследования были проведены на двигателях серии 4А с высотой оси вращения 112 мм основного исполнения — 4А112М2, 4А112М4, 4А112М6 и на двигателях с повышенным скольжением, специально предназначенных для работы в режимах с частыми пусками —4АС112М4, 4АС112М6.

В процессе изготовления этик двигателей в них было ¡встроено по 76 термопар; из них в обмотке статора — 36, в станине — 30, ¡в каждом подшипниковом щите — по 5 термопар. В каждую секцию обмотки статора, температурное поле которой измерялось, закладывались 12 термопар: 6 термопар—<в ¡пазовую часть и 6 термопар—© лобовую часть (рис. 1). Секции с термопарами равномерно распределялись по окружности статора таким «бравом, чтобы они находились во всех трех фазах. В станине термопары расположены равномерно по окружности и длине станины.

■Измерение терм-овдс производилось с (помощью полуавтомаютеско-го потенциометра Р-2/1 и самопишущего потенциометра Н-39. Нагрузка двухполюсных двигателей осуществлялась с помощью такой же асинхронной ¡машины, работающей в режиме генератора с самовозбуждением, а других двигателей — с помощью механического тормоза [2[. Тепловые испытания двигателей в ПКР с частыми пусками проводились при их питании от мощной сети с иерегулиру емьим напряжением при номинальной нагрузке на валу и неизменном для каждого типоразмера двигателя коэффициента инерции 1врахцак>щи1хся масс. Поскольку напряжение сети может изменяться за время работы двигателя, то оно непрерывно регистрировалось самопишущим вольтметром тина Н-376 и в. дальнейшем производился пересчет потерь при пуске и во время работы на действительное напряжение.

Общая картина распределения температуры обмотки статора для всех испытанных двигателей в ПКР с частыми пусками одинакова и мало отличается от распределения температур в длительном режиме работы [3, 4[.

#

1ккжольку разброс температуры ,по окружности статора в любом поперечном сечении невелик, как правило, не превышает 5% [3] и величина "этого разброса определяется главным образом технологически---ми отклонениями, то основное внимание следует уделить анализу распределения температур по длине обмотки. Для прймера на рис. 1 и 2 показано распределение температуры ло длине обмотки статора двигателя 4А-112-М-4 4 при различной относительной продолжительности включения и различном числе включений в час. Анализ этих зависимостей показывает, что, как и в длительном режиме работы, лобовые части обмотки статора нагреты сильнее пазовой части, вследствие лучших условий ее охлаждения; лобовые части обмотки со стороны привода нагреты больше лобовых частей со стороны вентилятора, ввиду несимметрии условий охлаждения корпуса.

Неравномерность распределения температуры по длине обмотки' статора можно оценивать, например коэффициентом, равным отношению температуры наиболее нагретой точки в лобовых ..частях со стороны привода к температуре наименее нагретой точки® пазовой части обмотки статора.

Неравномерность нагрева при различной продолжительности включения изменяется под действием двух противоположных факторов: во-первых, при уменьшении продолжительности включения ухудшаются условия охлаждения корпуса и, следовательно, обмотии статора в целом,

/ 2 3 4- 5 $ 7

г | и-1-и ; I

Рис. 1. Зависимость перегрева обмотки статора по длине для двигателя 4А-112М-4 при Ь=уаг, ПВ = сопб1 '

7£Г

■что приводит к уменьшению неравно-мерност и ее напрева, вочвторых, ухудшаются условия таплоотвода от лобовых частей к ¡внутреннему воздуху, что приводит к увеличению 'неравном ери ости. В двигателе 4А-Ы2М-4 (рис. 1) коэффициент неравномерности нагрева обмотки изменяется от 1,18 при ПВл15% до 1,23 при П|В-вО%. Таким образом, при увеличении ПВ неравномерность нагрева обмотки статора несколько увеличивается благодаря более сильному' влиянию ухудшения условий охлаждений лобовых частей.

Изменение числа включений двигателя в час ¡не влияет на перекос температуры ,по длше обмотки статора (¡рис. 2). Кривая распределения аерепрева абмотии статора по длине с увеличением числа включений в час смещается иверж ©следствие увеличения потерь почти параллельно самой себе.

В, град -..........- Г'

720

V ^---X-- 120

30 У

-1

/ 2 3 4 £ ? 7

(I—И \ —±) ^—м т М—Г

Рис. 2. Зависимость перегрева обмотки статора по длине для двигателя 4А-112М-4 при ПВ-^аг, И^сог^

¡Поскольку при изменении ПВ и И в широком диапазоне неравномерность йатрева изменяется незначительно, то оценку теплового состояния двигателя можно проводить в первом приближении и для продолжительного режима работы по среднему перегреву обмотки статора. Притом же ¡и размах колебаний температуры-¡во времени /в режиме частых /пусков (Ь^ЗО) ¡не превосходит 4° С [2[. В связи с этим -в таблице приведены значения перегрева обмотки статора 0М, усредненные ;во времени и по длине обмотки, и значения ¡перегрева корпуса вк, усредненные /во времени и по площади поверхности корпуса. Здесь же приведены суммарные греющие потери при номинальном режиме без учета потерь при пуске. При отклонении греющих потерь в отдельных режимах ог номинальных производится пересчет средних перегревов обмотки статора к корпуса пропорционально изменению греющих потерь.

Приведены также средние значения энергии Аш выделяемой за один

*—I—

Т т t

Таблица

Результаты тепловых испытаний двигателей серии 4А в режимах частых пусков

• ПВ % 15 40 60

Тип двигателя 2Р, вт Ап, дж Ь, вкл/час 30 120 240 30 120 240 30 120 240 100

4А-112М-2 1300 4700 ©м, град ©„, град 40.5 23.6 48,4 26,0 69,0 36,8 60,2 28,4 68,0 31,4 85,0 38,5 75,0 32,0 84.4 34.5 93,9 37,4 86,4 31,3

4А-112М-4 1200 3350 0м, гра>л ©к, град 33,8 22,6 50,5 32,5 68,0 42,3 53,6 31,8 78,0 46,6 79,1 46,8 63,3 34,7 77,1 41,8 93,0 50,0 79.7 35.8

4А-112М-6 1500 1530 6М,град ©к, град 27.8 20.9 32,4 26,4 38,2 29,7 45,6 82,1 47,2 33,5 51,6 39,0 67.0 40.1 60,9 41,9 63,5 43,8 71,0 40,9

4АС-112М-2 1500 1995 вы,град ©к, град 38,6 24,1 47,7 30,5 51,5 32,3 52,7 30,9 62,6 35,3 68,5 37,4 68,7 36,0 70,0 35,5 82,0 42,2 83,7 36,5

4АС-112М-4 1500 1671 0М, град ©л, град 38,6 23,9 40,6 24,9 — 54,4 35,8 63,1 36,5 65,4 37,7 73,8 38,5 77,8 41,6 79.0 42.1 94,0 43,9

пуск в обмотках статора и ¡ротора, при постоянном коэффициенте инерции вращающихся масс и постоянном моменте сопротивления.

В качестве примера на рис. 3 показано, как изменяются средние перегревы обмотки статора и корпуса при различных Ь и ПВ для двигателей 4А112М4 и 4А112М6.

Рис. 3. Влияние числа включений на перегрев обмотки

статора 9 и корпуса х при различных ПВ:---для

двигателя 4А-112М-4; -_!_для двигателя 4А-112М-6

)И увеличении числа включении наюлюдается дополнительное повышение среднего перегрева обмотки статора и корпуса, которое растет прямо пропорционально Ь. Наклон характеристик вм, вк=4(Ь) определяется, ¡в первую очередь, величиной .потерь энергии за один пуск. Та* ким образом, имеется возможность определить на основании тепловых испытаний энергию пусковых потерь по формуле

3600 А в ПВ

Аг

У,Р

Ъ в0 100

(1)

где 0О

перегрев обмотки статора или корпуса при Ь = 0;

де=вц — во

Вь — перегрев обмотки статора или корпуса при данном числе включений Ь.

Например, проделав расчеты энергии, выделяемой в обмотках статора и ротора за один пуск, по осциллограммам тока и по формуле (1) получим следующие результаты:

двигатель 4А-\М2М-4:

по осциллограммам тока — Ап=3350 дж, по формуле (1) — Ап ~ 4800—6900 дж; двигатель 4АЛ12М-6:

по осциллограммам тока — Ап=1530 дж, по формуле (1) — Ап='1б70—1740 дж.

Отсюда можно сделать вывод, что расчет энерши за один пуок по осциллограммам тока дает заниженный результат.

(Перегрев обмотвд статора и корпуса с увеличением ПВ возрастает, но зависимость его от ПВ' .нелинейна, так как с увеличением ПВ одновременно с увеличением средних за цикл ¡потерь увеличиваются условия охлаждения двигателей.

Выводы

11. Характер распределения перегрева обмотки статора по длине при изменении числа ¡включений и относительной продолжительности включений меняется с л або.

2. В режиме частых пусков зависимость перегрева обмотки статора и корпуса от числа включений в час — линейная, а от относительной продолжительности включения — нелинейная.

3. Асинхронные двигатели с повышенным скольжением находятся в лучших условиях .по нагреву в режимах с частыми пусками, чем двигатели основного исполнения.

ЛИТЕРАТУРА

1. Б. Т. Артгохов. Асинхронные двигатели при периодической нагрузке. Киёв, изд-во «Технша», 1972.

2. В. А. Ж а д а н, Ю. В. К о и ы л о в, Д. И. Санников. Экспериментальное исследование асинхронных двигателей в повторнснкратковременных режимах работы с частыми пусками. Известия ТПИ, т. 284, Томск, изд-во ТГУ, 1974.

З/В: А. Жадан, Д. И, Санников, Р. Я. Кляйя. Исследование температурных полей закрытых обдуваемых электродвигателей. Известия ТПИ. т. 172, Томск, изд-во ТГУ, 1967.

4. В. А. Жадан, Ю. В, Копылов, Д. И. Санников. Исследование нагрева асинхронных двигателей типа АО. Известия ТПИ, т. 212, Томск, изд-во ТГУ, 1972.

cyberleninka.ru

Способ испытания на нагрев асинхронного двигателя

 

СПОСОБ ИСПЫТАНИЯ НА НАГРЕВ АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ, основанный на методе двух частот, заключающий .ся в подключении асинхронного двигателя , работающего на холостом ходу, к двум многофазным последовательно соединенным источникам питания номинальной и пониженной частот , при этом измеряют перегрев, - напряжение и ток обмотки статора и ..с ммарные потери, регулируя амплиту .ду напряжения основного источника питания, устанавливают номинальное напряжение на двигателе, а регулируя амплитуду и частоту напряжения вспомогательного источника питания, устанавливают номинальное значение тока в обмотке статора, отличающ и и с я тем, что, с целью повышения точности изменения путем экспериментального определения поправки на греющие потери в меди ротора проводят дополнительное испытание при большей разности частот напряжений основного и вспомогательного источников питания, при этом, регулируя напряжение вспомогательного источника питания, стабилизируют нормальное (Л С значение тока обмотки статора двигателя , замеряют перегрев обмотки статора и суммарные потери при дополнительном испытании, а поправку к величине перегрева от греющих потерь ротора вычисляют как частное от деления разности превышения температур и разности суммарных потерь при основном и дополнительном испыСД ОО СО О таниях, умноженное на расчетное увев меди при основном личекие потерь испытании. -sj

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН (l9) (11) 7 А

4(5() (Ol R 31/34

Г

1

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCHOMV CBHQETEJlbCTB Y

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И OTHPblTMA (21) 3671 778/24-07 (22) 06. 12. 83 (46) 30. 04, 85. Бюл. 9 16 (72) 10. В. Гаинцев (71) Всесоюзный научно-исследовательский проектно-конструкторский и технологический институт электромашиностроения (53)621.313(088.8) (56) 1. Жерве Г. К. Промышленные испытания электрических машин. Л., "Энергия", 1968, с. 507-510.

2. Эквивалентное нагружение асинхронной машины при испытании на нагрев, Экспресс-информация

"Электрические машийы и аппараты".

Реф. 121, 1976, 1(25, с. 1-6. (54)(57) СПОСОБ ИСПЫТАНИЯ НА НАГРЕВ

АСИНКРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ, основанный на методе двух частот, заключакщий.ся в подключении асинхронного дви.гателя, работающего на холостом ходу, к двум многофазным последовательно соединенным источникам питания номинальной и пониженной частот, прн этом измеряют перегрев, напряжение и ток обмотки статора и ..суммарные потери, регулируя амплитуду напряжения основного источника питания, устанавливают номинальное напряжение на двигателе, а регулируя амплитуду и частоту напряжения вспомогательного источника питания, устанавливают номинальное значение тока в обмотке статора, о т л и ч а ю— шийся тем, что, с целью повышения точности изменения путем экспериментального определения поправки на греющие потери в меди ротора, проводят дополнительное испытание при большей разности частот напряжений основного и вспомогательного источников питания, при этом, регулируя напряжение вспомогательного источника питания, стабилизируют нормальное значение тока обмотки статора двигателя, замеряют перегрев обмотки статора и суммарные потери при дополнительном испытании, а поправку к величине перегрева от греющих потерь ротора вычисляют как частное от деления разности превышения температур и разности суммарных потерь при основном и дополнительном испытаниях, умноженное на расчетное увеличение потерь в меди при основном испытании.

1153307

С а с 1 ав H -" ель В .. и к ан О р о H

Редактор Н. Воловик Техгед П,МИ1;еп1 Корректор Л. Пилипенко

Заказ 2502/39 Тираж 748 Подписное

ВН1П11ТИ Государственного комитета СССР па делам изаоре гений и Открытий

113035, Москва, Ж-35,, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ПЛ1 "Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4 потери при дополнительном испытании, а поправку к величине перегрева от греющих потерь ротора въж исляют как частное ат деления разности превъппения температур и разности суммарных потерь при основном и дополнительном испытаниях, умноженное на расчетное увеличение потерь в меди при основном испытании. Величина увеличения разности частот путем уменьшения меньшей частоты выбирается таким образом, чтобы измеренная сумма потерь в дополнительном режим". была заметно большей (не менее чем на

57). Это увеличение разности частот различно. 11а крупных машинах ано может составлять несколько Гц, на машинах меньшей мощности — несколько десятков Гц.

ПоскОльку oба режима при разности частот 5-10 Гц и большей разности частот проводятся при одинаковом токе статора, при одинаковом напряжении статора и при одинаковой скорОсти, та мОжна считать, чтО потери в меди статора. потери в стали, механические потери и дооавачные потери одинаковы в двух режимах, Потери в меди ротора в этих двух режимах различны вследствие различнаго эффекта. вытеснения тока при частоте

5-10 Гц и большей частоте. Таким образом, увеличение суммы потерь в режиме с разностью частаr большей

5-!О Гц обусловлено ув;-::1ичением готерь в меди ротор" за счет эффекта вытеснения тока в роторе.

Разделив увеличение превышений темпер"-тур в двух режимах иа увеггичение суммы потерь, пОл«"чим коэффициент греющих потерь в меди ротора, Поправка к методу цвух частот ахадится путем умножения -коэффициента

ГрЕЮщИХ ПОТЕрь Íà paÑ×ÅòHOe уВЕ.-;;.",ЧЕние потерь B меди ротора и н частоте

5-10 1Ц ° Эта поправка вычитается 1- з измеренного значения превьнпения температуры в режиме двух частот при номинальном токе статора при разности частот 5-10 Гц.

5 Практические испытания проводились на двигателе 4А132М4. В обычном тепловом испытании в режиме двух частот при разности частот 5 Гц была измере.на сумма потерь 1463 Вт и превьппение о

1п температуры обмотки статора 72, 4 С. ., Дополнительный тепловой режим проводился при увеличении потерь примерно на 25R. Для этого потребовалась мень1 шая частота 45 Гц при обратном следовании фаз. Таким образом, допол нительный режим проводился при разности частот 95 Гц. При этом измерено

1845 Вт и 84,8 С. Коэффициент греющих потерь в меди ротора равен

О, 0325 С/Вт. Испытания при разности частот 10 и 95 Гц дали практически те же результаты, поскольку и при астоте 5 и 10 Гц вытеснение тока в po÷аре в данном случае отсутствует.

21 Поправка равна произведению найденного кvзфйHциента ;"реющих потерь на асчетнае увел ;анне потерь в меди ротора чрн частаi е - — 10 Гц.

30 Для практической реализации предполагаемого изобретения не требуется. дополнительно никаких технических средств по сравнению с теми„ которые используются при проведении обычного теплавага испытания в режиме двух частот.

Технико-экономическая эффективность пр="дложеннога способа заключа40 етс.-: в позыше.:ии тсчности измерений

У что паз=.:аля.т более точно определить превъп-ение температуры обмотки статора крупных машин и отказаться от необоснованной забраковки электрическ;:;.:-:; : .H:=. и проведения ненужных довадачных работ.

   

www.findpatent.ru

Нагрев и режимы работы электродвигателей

Нагрев 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 пропорционаленнагрузке 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 + RДля 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.

В. И. Рябов  ”Электрическое оборудование”

elektrica.info

Исследование нагрева асинхронных двигателей типа АО Текст научной статьи по специальности «Электротехника»

ИЗВЕСТИЯ

ТОМСКОГО ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО ИНСТИТУТА имени С. М. КИРОВА_

Том 212 197Г

ИССЛЕДОВАНИЕ НАГРЕВА АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

ТИПА АО

В. А. Жадан, Ю. В. Копылов, Д. И. Санников

(Представлена научным семинарам кафедр электрических машин

и общей электротехники)

Исследование нагрева закрытых обдуваемых асинхронных двигателей проводилось на двигателях ныне выпускаемой серии А02 и на опытных образцах двигателей серий В и А04, имеющих высоту центров 132 мм, в номинальном режиме при установившемся нагреве.

Температурное поле испытуемых двигателей определялось с помощью медно-константановых термопар, заложенных в различные части двигателей. В обмотку статора закладывалось 40—60 термопар; в ротор — 10—20 термопар; в двигатель А02-42-4 было заложено 12 термопар, позволяющих измерить перепад температуры в пазовой изоляции; перегрев поверхности спинки статора определялся в средней части его 12 термопарами, расположенными равномерно по окружности. Перегрев станины и подшипниковых щитов измерялся по 64 термопарам. Показания термопар ротора измерялись при вращающемся двигателе через токосъемное устройство. Места закладки термопар и температурные поля соответствующих двигателей приведены на рис. 1—3. Здесь приведены усредненные по окружности перегревы ротора, станины и подшипниковых щитов; перегревы обмотки статора усреднены по окружности статора и по высоте паза.

Объяснение характера кривых и расчет параметров, характеризующих разброс температуры между отдельными термопарами, заложенными в обмотку статора и станину, приведены в [2].

Наиболее нагретой частью двигателя является ротор. Температура по длине и окружности ротора меняется мало. В среднем ротор 4-полюс-ных машин нагрет больше статора на 25—30°С. Перепад в изоляции паза меняется по длине от 5 до 8°С, однако термопары, измеряющие температуру наружной поверхности изоляции, установлены так, что головки их могут вдавливаться в изоляцию. Поэтому перепад в пазовой изоляции в действительности в 1,15—1,25 раза больше.

В [2] отмечалось, что головки лобовых частей представляют собой монолитную конструкцию, которая имеет затрудненные условия охлаж-. дения. Установка дистанционных прокладок между секциями позволяет воздуху свободно проходить в образованных при этом каналах и улуч^-шает теплоотдачу лобовых частей. Так, в двигателе А02-42-4 их средний перегрев уменьшается в результате на 2,8° С, или 4,4%; перегрев пазовой части обмотки статора уменьшается только на 0,8°С, или 1,4%.

Это показывает, что улучшение теплоотдачи от лобовых частей несколько уменьшает температуру обмотки в целом.

Если, наоборот, увеличить тепловое сопротивление от лобовых ча-

Рис. 1. Температурное поле двигателей А02-42-4 и А02-42-2

стей к внутреннему воздуху, например, путем покрытия асбестом, то их средняя температура увеличивается на 4°С, а пазовой части — на 3,6ЭС. При этом перепад температур от лобовых частей к пазовой части увеличивается с 5,2 до 5,6°С. Следовательно, тепловой поток из лобовых частей в пазовую возрастает незначительно. Таким образом, ухудшение отвода тепла от лобовых частей к внутреннему воздуху не играет существенной роли. Повышение температуры обмотки статора в данном опыте объясняется следующей причиной: дополнительная изоляция на лобовых частях затруднила циркуляцию воздуха и ухудшила теплоотдачу от ротора, температура его поднялась на 8°С, и увеличилась доля тепла, передаваемая от ротора к статору через зазор, что вызвало дополнительный нагрев пазовой части обмотки.

Циркуляция воздуха внутри двигателя обеспечивается крыльчаткой, отлитой заодно с короткозамыкающим кольцом ротора. Известно, что интенсивность перемешивания воздуха зависит от размеров и количества крылышек. Поскольку испытания проводились на серийном двигателе А02-42-4, то в данном случае можно было изменять ширину кры-

лышек только в сторону уменьшения от начального значения 46 мм; высота и число крылышек не менялись. При уменьшении ширины крыльчатки в 2 раза средний перегрев обмотки статора увеличился на 3,8%, перегрев ротора увеличился на 5,9%; при полностью сточенной крыльчатке средний перегрев обмотки статора увеличился на 11,6%, перегрев ротора — на 15%. Повышение перегрева ротора при этом происходит вследствие уменьшения поверхности охлаждения крыльчатки, а статора — за счет увеличения теплового потока от ротора через зазор и ухудшения обдува лобовых частей. Хотя при уменьшении ширины крыльчатки уменьшаются внутренние вентиляционные потери, влияние их на тепловое состояние двигателя незначительно по сравнению с другими видами потерь. Обнаружить оптимальную ширину крылышек, как это показано в [1], не удалось; по-видимому она больше, чем в существующей конструкции двигателя.

Конструкция внутреннего вентилятора, образованного крыльчаткой, такова, что доля воздушных потоков, циркулирующих по путям утечки и не участвующих в охлаждении лобовых частей обмотки статора, значительна. Кроме того, между статором и станиной имеются места, где практически отсутствует перемешивание воздуха. Поэтому для упорядочения движения воздуха внутри машины было предложено установить диск на пути утечек, то есть сделать вентилятор двухдисковым и тем самым направить воздух в решетку, создаваемую лобовыми частями при выходе из паза. В результате перегрев лобовых частей обмотки статора понизился на 1,5° С, а средний перегрев обмотки статора — на 0,6° С, или на 1%.

Весьма важным тепловым параметром для закрытых двигателей является проводимость между спинкой пакета статора и станиной, которая в сильной степени зависит от состояния контактируемых поверхностей, контактного давления и т. п. Исследования на различных машинах показывают, что перепад температур в зазоре между пакетом и станиной может колебаться от 3 до 7°С.

В серии А02 пакет статора по наружному диаметру не обрабатывается, и средний перепад между пакетом и станиной составляет 5,7°С. Чтобы определить, как влияет класс обработки на перепад температуры, были изготовлены и испытаны 6 двигателей, у которых пакет статора обрабатывался по классу V 6. Перепад температуры составил 5,4°С, то есть остался практически неизменным. По-видимому, более жесткие требования к обработке посадочных поверхностей пакета статора и станины не обеспечат существенного уменьшения перепада температур между ними.

Характер температурного поля ;(рис. 2) опытного образца двигателя В — 132 М-4 такой же, как у двигателя серии А02. В целом температура обмотки статора и станины выше, чем в двигателях серии А02.

Температурное поле первых опытных образцов двигателей серии А04 приведено на рис. 3.

Наиболее нагретые точки статорной обмотки находятся в лобовых частях со стороны, противоположной вентилятору. Повышение температуры нагретой точки над средней температурой обмотки складывается из двух составляющих:

Д9М = дЬМ1 + (Э0М2, (И

где <30м1—превышение полусуммы температур концов лобовых частей над средней температурой обмотки, вызванное притоком тепла от лобовых частей к пазовой части.

<30м2 — перекос температурного поля обмотки вследствие несимметрии охлаждения корпуса, то есть полуразность температур лобовых частей.

Рис. 2. Температурное поле двигателя Б — 132М-4

Первая составляющая может быть рассчитана при условии симметричного охлаждения статора на основании допущения о параболическом характере распределения температуры по длине лобовой части. Опуская математические выкладки, в конечном виде имеем

Здесь РМ1 — потери в меди обмотки статора,

кл — составляет 0,75 для двухполюсных машин и 0,95 для остальных,

Бм — суммарное сечение меди; Хси—теплопроводность меди;

/л и I — длины лобовой и активной части обмотки статора.

Вторая составляющая определяется через перекос температурного поля станины с учетом теплового сопротивления между обмоткой и станиной и выравнивающего действия аксиальной теплопроводности обмотки.

Коэффициент перекоса теплоотдачи корпуса [3] рекомендуется вычислять по формуле, учитывающей длину станины

/л2(*л + 3/) (/л + I)2

80

60

ио

20

! в % Л

.........

вР

I

ест

а,

п д о А О □ -404- 132 М-Ь а - Д04- /32 ГИ 6

Рис. 3. Температурное поле двигателей А04-132М-4 и

А04-132М-6

где Ьст и Бет — длина и наружный диаметр станины.

Перекос температурного поля станины, равный полуразности температур по ее краям, вычисляется по упрощенной формуле [3]

0,4 к

А-и

1 +

10

(4)

Ист Ос

где Нет — аксиальное тепловое сопротивление станины, йа — тепловая проводимость от оболочки к воздуху. Составляющая перегрева горячей точки

<30

м 2

Дх

14

2> I ^ст

! +

12 И, Им

(5)

Здесь

— расчетное аксиальное тепловое сопротивление обмотки статора.

Кмс — тепловое сопротивление между обмоткой и станиной, состоящее из сопротивлений изоляции, зубца на-^—высоты, спинки статора и

о

зазора между пакетом статора и станиной.

Превышение температуры наиболее горячей точки над средней температурой обмотки для двигателя А02-42-4 по опыту (рис. 1) составляет 4,5°С, по расчету — 4,6°С; для А02-42-2 по опыту — 5,7°С, по расчету — 6, ГС.

Таким образом, превышение температуры наиболее горячей точки над средней температурой обмотки статора, которым характеризуется неравномерность нагрева обмотки статора по длине, имеет значительную величину (до 10%).

Предложенная методика расчета превышения температуры наиболее нагретой точки над средней температурой обмотки имеет достаточную точность.

ЛИТЕРАТУРА

1. Ф. Л. Заутнер, И. И. Фейгельман, М. М. Анджейко, В. И. Борисович. Оптимальная длина вентиляционных лопаток короткозамк-нутого ротора взрывонепроницаемых асинхронных двигателей. «Электротехника», 1965, № 7.

2. В. А. Жадан, Д. И. Санников, Р. Я. Кляйн. Исследование температурных полей закрытых обдуваемых электродвигателей. Известия ТПИ, т. 172, 1967.

3. В. А. Жадан, Д. И. Санников. Несимметрия нагрева корпуса электрических машин с внешним обдувом. Известия ТПИ, т. 172, 1967.

cyberleninka.ru

Моделирование нагрева асинхронного двигателя - страница 3

2.3.1 Определение теплоемкости меди

Теплоемкость меди равна:, (2.91)где mм – масса меди обмотки статора, кг;

см – удельная теплоемкость меди обмотки статора, Дж/(кг∙0С).

Масса меди обмотки статора:, (2.92)где m1 – число фаз обмотки статора;

lср1 – средняя длина витка обмотки статора, м;

w1 – число витков обмотки статора;

а – количество параллельных ветвей обмотки статора;

nэл – количество элементарных проводников в эффективном;

dпр – диаметр элементарного проводника, м;

γм – плотность меди обмотки, кг/м3.

Определение теплоемкости стали, (2.93)где mя – масса ярма статора, кг;

mз – масса зубцов статора, кг;

сст – удельная теплоемкость стали пакета статора, Дж/(кг∙0С).

Масса ярма статора:, (2.94)где γс – плотность стали пакета статора, кг/м3.

Масса зубцов статора:. (2.95)2.4.1 Потери в обмотке статора

При определении потерь в обмотке статора не учитываем увеличение активного сопротивления пазовой части обмотки статора за счет эффекта вытеснения тока.

Потери в лобовой и пазовой частях обмотки [4]:, (2.96), (2.97) где r1 – активное сопротивление фазы обмотки статора, Ом;

lл – длина лобовой части обмотки с одной стороны, м;

I1 – ток фазы обмотки статора, А.

Полные потери в меди обмотки статора:. (2.98)Активное сопротивление фазы обмотки статора:, (2.99)где ρм – удельное сопротивление меди обмотки статора при ожидаемой температуре, Ом∙м;

qэл=π(dэл/2)2 – площадь поперечного сечения элементарного проводника, м2.

Ток фазы обмотки статора:, (2.100)где Р2 – мощность на валу двигателя, Вт;

η – коэффициент полезного действия, о.е;

cosφ – коэффициент мощности;

U1 – фазное напряжение, В.2.4.2 Потери в обмотке ротора

Потери в коротозамкнутой обмотке ротора определяются по формуле [13]: , (2.101)где r2 – активное сопротивление фазы обмотки ротора, Ом;

I2 – ток ротора, А.

Активное сопротивление фазы обмотки ротора:, (2.102)где rст – активное сопротивление стержня клетки, Ом;

rкл – активное сопротивление короткозамыкающего кольца, Ом;

Активное сопротивление стержня клетки:, (2.103)где ρа – удельное сопротивление алюминия обмотки ротора при ожидаемой температуре, Ом∙м.

Активное сопротивление короткозамыкающего кольца:, (2.104)где Dкл,ср – средний диаметр короткозамыкающего кольца, м;

qкл – площадь поперечного сечения короткозамыкающего кольца, м2.

Коэффициент приведения тока кольца к току стержня:, (2.105) где p – количество пар полюсов.

Ток в обмотке ротора:, (2.106)где ki – коэффициент, учитывающий влияние тока намагничивания и сопротивления обмоток на отношение I1/I2;

νi – коэффициент приведения токов.

Коэффициент, учитывающий влияние тока намагничивания и сопротивления обмоток на отношение I1/I2:. (2.107)Коэффициент приведения токов:, (2.108)где kоб1 – обмоточный коэффициент обмотки статора;

kск – коэффициент скоса пазов ротора.2.4.3 Потери в стали пакета статора

При расчете электрических машин потери в стали, определяют через массу стали и удельные потери, которые в свою очередь определяются значением магнитной индукции в стали и частотой питающего напряжения [13,14,15]. Такой способ определения потерь неудобен из-за того, что необходимо знать значение магнитной индукции в сердечнике статора., (2.109) где РΣ – суммарная мощность потерь в двигателе, Вт;

Рмех – мощность механических потерь, Вт;

Рдоб – мощность добавочных потерь, Вт.

Суммарная мощность потерь в двигателе:. (2.110)Мощность механических потерь [13]:, (2.111)где Кт – коэффициент механических потерь.

Коэффициент механических потерь для двигателей с 2 р=2, (2.112)при 2 р≥4 Кт=1.

Мощность добавочных потерь:. (2.113)

3. Реализация тепловой модели асинхронного двигателя в программном пакете Matlab

3.1 Переход к операторной формеДля решения системы дифференциальных уравнений (1.20) на ЭВМ при помощи приложения Simulink, входящего в состав пакета MatLab, представим ее в операторной форме. Следует заметить, что недостатком приложения Simulink является отсутствие задания начальных условий в блоке передаточных функций. Поэтому при преобразовании (1.20) необходимо учесть начальные условия, то есть начальные температуры меди и стали.

В системе (1.20) присутствуют превышения температур меди и стали, которые равны:, (3.1). (3.2)Подставив (3.1) и (3.2) в (1.20) и раскрыв скобки получим: (3.3)Представим систему (7.3) в операторной форме, по правилам преобразования Лапласа:

 (3.4)где θм(0) – начальная температура меди, 0С;

θст(0) – начальная температура стали, 0С;

Сгруппируем неизвестные θм(р) и θст(р) в левых частях уравнений (3.4), а остальные члены в правых частях: (3.5)Представим систему (3.5) в матричной форме: (3.6)Решим систему (3.6) методом наложения относительно неизвестных θм(р) и θст(р). Решение имеет вид:, (3.7), (3.8) где

Подставив выражения (3.10), (3.11) и (3.12) в (3.7) получим:

Подставив выражения (3.13), (3.14) и (3.15) в (3.8) получим:Выражения (3.16) и (3.17) являются окончательным решением для температур меди и стали в операторной форме. Значение Δ в выражениях (3.16) и (3.17) не раскрывается для сокращения записи.3.2 Синтез структурной схемы тепловой модели асинхронного двигателяПо выражениям (3.16) и (3.17) строим структурную схему модели в приложении Simulink.

Структурная схема для определения температуры меди приведена на рисунке 3.1. Блоки «S1», «S2» и «S3» моделируют различные режимы нагрузки двигателя. Блок «Switch» служит для выбора одного из режимов «S1», «S2» или «S3». Он управляется источником постоянного воздействия «Rezhim». Блок «Poteri» представляет собой подсистему, рассчитывающую потери в двигателе в зависимости от нагрузки. Блоки «Tm(0)» и «Tst(0)» служат для задания начальных температур меди и стали. Блок «Tv» задает значение температуры окружающего воздуха. В блоки передаточных функций «Cu», «Fe», «Cu(0)», «Fe(0)» и «Air» входят коэффициенты выражения (3.16), отражающие вклад каждой задаваемой величины в нагрев обмотки. С выхода передаточных функций сигналы поступают на сумматор «Sum1». На выходе «Sum1» формируется значение температуры меди, которое поступает на виртуальный осциллограф «Scope», регистрирующий прибор «Display» и элемент сравнения «RELE». Блоки «Kriticheskaja temperatura» и «RELE» моделируют работу теплового реле. Блок «Kriticheskaja temperatura» задает предельное значение температуры обмотки статора. Значение температуры обмотки поступает на элемент сравнения и сравнивается с предельным значением, устанавливаемым ГОСТ 183–74 в соответствии с классом изоляции. Так, например, для изоляции класса В предельное значение температуры обмотки θм=1200 С, для изоляции класса F – θм=1400 С, для изоляции класса H – θм=1650 С. Если значение температуры обмотки больше предельного, то на выходе элемента сравнения появляется сигнал, который отображается на индикаторе.

Развернутая структурная схема блока «Poteri» представлена на рисунке 3.2. Она состоит из 20 блоков: «P2», «KPD», «cos(fi)», «Tok statora», «Poteri v medi», «Tok rotora», «Poteri v rotore», «Summarnye poteri», «Dobavochnye poteri», «Mehanicheskie poteri», «Ground», «Relational operator», «Product1», «Sum3», «Sum4», «Sum5», «Gain1», «Gain2», «Pm», «Pst».

Рисунок 3.1 – Структурная схема модели для определения температуры меди

Рисунок 3.2 – Развернутая схема подсистемы «Poteri»Поясним назначение каждого из блоков.

Блоки «KPD» и «cos(fi)» представляют собой блоки задания функций MatLab, в которых производится кубическая сплайн-интерполяция дискретных значений коэффициента полезного действия η и коэффициента мощности cosφ для определения их величин при произвольном значении нагрузки в интервале 0,25∙Р2 ÷ 1,25∙Р2. В тексте m-файла (см. Приложение А) задаются векторы значений η, cosφ и P2. Дискретные значения η и cosφ берутся из справочных материалов [17]. По этим значениям MatLab строит функцию, состоящую из отрезков кубических полиномов, так, что каждый отрезок проходит через три узловые точки. Результат интерполяции в узловых точках имеет непрерывные первую и вторую производные. Интерполяция реализуется функцией spline (P_2, cosf, P2), где P_2 – идентификатор вектора значений P2, cosf – идентификатор вектора значений коэффициента мощности, Р2 – текущее значение мощности для которого необходимо определить cosφ. На рисунке 3.3 приведен график, полученный сплайн-интерполяцией дискретных значений η, приведенных в таблице 3.1, для двигателя марки 4А132М2У3. Крестиками на графике обозначены узловые точки.Таблица 3.1 – Значения η и cosφ для двигателя марки 4А132М2У3

Р2/Р2ном 0,25 0,5 0,75 1 1,25
Р2, кВт 2,75 5,5 8,25 11 13,75
η, % 80 87 88 88 87
cosφ 0,65 0,82 0,87 0,9 0,9

Аналогично интерполируются значения коэффициента полезного действия. На рисунке 3.4 приведен график, полученный сплайн-интерполяцией дискретных значений cosφ, приведенных в таблице 3.1, для двигателя марки 4А132М2У3. Узловые точки обозначены крестиками.

Рисунок 3.3 – График зависимости η от нагрузки P2, полученный сплайн-интерполяцией

Блок «P2» (см. рисунок 3.2) обозначает вход подсистемы, блоки «Pm» и «Pst» – выходы.

Блоки «Poteri v medi» и «Poteri v rotore» представляют собой блоки задания алгебраических функций и служат для определения потерь в меди и роторе по выражениям (2.98)

и (2.101)

.Блок «Mehanicheskie poteri» представляет собой источник постоянного воздействия с величиной Pмех. Он предназначен для моделирования механических потерь в двигателе. Блоки «Ground», «Relational operator» и «Product1» служат для того, чтобы при отсутствии нагрузки Р2 механические потери Pмех были равны нулю. Величина нагрузки Р2 на элементе сравнения «Relational operator» сравнивается с нулевым значением. Если нагрузка равна нулю, то на выходе элемента сравнения сигнал отсутствует, если не равна нулю, то на выходе элемента сравнения появляется единица. Блок «Product1» перемножает мощность на валу с выходным значением элемента сравнения. При умножении Рмех на единицу на выходе блока «Product1» имеем величину механических потерь. При умножении Рмех на ноль на выходе блока «Product1» сигал равен нулю.

Блоки «Gain1» и «Gain2» имеют коэффициент усиления, равный A_rot и B_rot соответственно, и обеспечивают умножение значения потерь в роторе Pрот на коэффициенты, присутствующие в выражениях (2.18)

и (2.19)

.Коэффициенты усиления A_rot и B_rot рассчитываются в теле m-файла.

Подсистема «Tok statora» рассчитывает значение тока статора по выражению (2.100).Структурная схема подсистемы приведена на рисунке 3.5.

В блоке «Tok» (см. рисунок 3.5) значение мощности на валу P2 делится на фазное напряжение U1 и количество фаз статора m1 в соответствии с выражением (2.100). Блок «Product2» делит полученное промежуточное значение на коэффициент мощности cosφ и коэффициент полезного действия η. В итоге на выходе получаем значение тока статора I1.

Рисунок 3.5 – Структурная схема подсистемы «Tok statora»

Подсистема «Tok rotora» (см. рисунок 3.2) рассчитывает значение тока ротора по выражению (2.106).Структурная схема подсистемы приведена на рисунке 3.6.

Рисунок 3.6 – Структурная схема подсистемы «Tok rotora»Блок «Ki» (см. рисунок 3.6) представляет собой блок задания алгебраической функции, в котором рассчитывается коэффициент, учитывающий влияние тока намагничивания и сопротивления обмоток на отношение I1/I2, по выражению (2.107) .В блоке «Rot» задается величина коэффициента приведения токов νi, рассчитанного в теле m-файла по выражению (2.108).Блок «Product3» перемножает значения тока статора I1, коэффициента приведения токов νi и коэффициента ki, учитывающего влияние тока намагничивания и сопротивления обмоток на отношение I1/I2. В итоге на выходе имеем значение тока ротора I2.

Подсистема «Summarnye poteri» (см. рисунок 3.2) рассчитывает суммарные потери в двигателе по выражению (2.110).Структурная схема подсистемы приведена на рисунке 3.7.

Рисунок 3.7 – Структурная схема подсистемы «Summarnye poteri»Блок «Product4» делит значение мощности на валу двигателя P2 на коэффициент полезного действия η. На выходе «Product4» получается значение потребляемой из сети мощности P1, из которого в сумматоре «Sum6» вычитается величина мощности на валу двигателя Р2. В итоге на выходе подсистемы имеем значение суммарных потерь в двигателе РΣ.

Подсистема «Dobavochnye poteri» рассчитывает величину добавочных потерь в двигателе по выражению (2.113).Структурная схема подсистемы приведена на рисунке 3.8.

Рисунок 3.8 – Структурная схема подсистемы «Dobavochnye poteri»Усилительный элемент «Gain3» имеет коэффициент усиления равный 0,005. Значение с выхода усилительного элемента в блоке «Product5» делится на величину коэффициента полезного действия η. В итоге на выходе подсистемы имеем значение добавочных потерь в двигателе Рдоб.

Структурная схема для определения температуры стали приведена на рисунке 3.9. Практически все блоки идентичны блокам структурной схемы для определения температуры меди, отличие состоит в том, что в блоки передаточных функций «Cu», «Fe», «Cu(0)», «Fe(0)» и «Air» входят коэффициенты выражения (3.17).

Оценить точность полученной модели можно, сравнив результаты моделирования с данными, полученными опытным путем. Но проведение опытов является невозможным из-за отсутствия достаточной материально-технической базы, а так же из-за малого количества времени, отведенного на выполнение дипломного проекта. Приводимые в известной литературе кривые изменения температуры двигателя показывают лишь характер ее изменения и никакой точной информации не несут. Поэтому, единственным доступным в данной ситуации способом оценки достоверности результатов моделирования является сравнение их с результатами, полученными другими существующими методами тепловых расчетов. Так, например, при тепловом расчете асинхронного двигателя хакрытого исполнения мощностью Р2=7,5 кВт с синхронной скоростью n1=1500 об/мин в установившемся режиме по методике приведенной в [13] превышение температуры обмотки равно Δθм=75,30С. При расчете с помощью приведенной выше модели для того же двигателя получено значение Δθм=73,50С. Таким образом разница полученных значений превышения температуры обмотки статора составляет 1,80С, то есть 2,4%, что вполне удовлетворительно.    продолжение

www.coolreferat.com