РАЗДЕЛ 2
ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИКИ ТЕПЛОВОГО СОСТОЯНИЯ В ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОМ РЕЖИМЕ РАБОТЫ
ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ
Цель и методика анализа тепловых переходных процессов в продолжительном режиме
работы
Характеристики нестационарных тепловых процессов в элементах конструкции
электрических машин могут быть получены из их переходных функций [67, 162, 271,
272]. В качестве последних могут быть использованы кривые нагрева в
относительных единицах и охлаждения . Переходные функции узлов электрических
машин являются важнейшими характеристиками динамики тепловых процессов.
Используя интеграл Дюамеля с их помощью можно получить выражения, описывающие
закон изменения температуры q(t) в рассматриваемом узле электрической машины
при различных режимах работы. Выражения кривых нагрева qнг(t) и охлаждения
qох(t) могут быть получены путем решения системы дифференциальных уравнений
теплового состояния (1.27) при постоянных потерях, которые имеют место в
продолжительном режиме S1.
Продолжительный режим работы характеризуется постоянной длительной нагрузкой и
неизменными условиями охлаждения. В конечном итоге следствием таких условий
является установившееся тепловое состояние машины, когда температура и тепловые
потоки в различных узлах машины неизменны, а суммарные потери, выделяющиеся в
активных частях, равны количеству тепла, отводимого в окружающую среду.
Установившемуся состоянию предшествует переходный процесс. При нарастании
температуры часть энергии, выделяющаяся в активных частях, аккумулируется в
машине. Интенсивность процесса накопления тепловой энергии различными частями
машины характеризуется кривыми нагрева, с помощью которых можно судить о
динамике тепловых процессов. Факторы, влияющие на количественные и качественные
характеристики тепловых переходных процессов можно разделить на внешние и
внутренние. К внешним факторам следует отнести величины нагрузок и напряжения
обмоток, определяющие мощность источников тепла, а также режим охлаждения.
Внутренние факторы зависят от теплоемкости и теплопроводности материалов
элементов конструкции, их геометрических размеров и т.п. [19, 63, 65, 105,
203].
Отличительными особенностями кривых нагрева в продолжительном режиме S1
являются: нулевые начальные условия qнг i (0) = 0, постоянные величины потерь в
элементах конструкции машин и режим работы системы охлаждения. Кривые
охлаждения характеризуются: начальными значениями температур, равными
установившимся в режиме нагрева qох i (0) = qуст i, отсутствием потерь, а для
машин с самовентиляцией, естественными условиями охлаждения.
Основными характеристиками кривых переходных процессов в режиме S1 можно
считать: установившиеся значения температур qуст i, длительность переходных
процессов tпп и скорость изменения температур на различных этапах переходных
процессов, из которых необходимо выделить при t = 0.
Кривые нагрева и охлаждения можно получить расчетным и экспериментальным путем.
Из многообразия аналитических методов расчета, как было показано ранее,
предпочтение отдается методам, основанным на использовании эквивалентных
тепловых схем (ЭТС) замещения. Применение ЭТС сопровождается решением ряда
задач: выбор схемы ЭТС и расчет ее активных и пассивных параметров, решение
системы дифференциальных уравнений и др. [19, 189, 202]. Использование ЭТС
позволяет применить для расчета динамики тепловых процессов хорошо
разработанные методы расчета переходных процессов в электрических цепях.
Наиболее применимым является метод переменных состояний [146, 162]. В качестве
переменных состояний выбираются температуры отдельных узлов (тел) электрической
машины. Такими, как правило, являются: температуры пазовых и лобовых частей
обмоток, активного железа, станины, корпуса и др.
На рис. 2.1 в качестве примера приведена динамическая эквивалентная тепловая
схема замещения асинхронного двигателя (АД) с фазным ротором типа МТН,
состоящий из следующих восьми тел: 1 - пазовая часть обмотки статора, 2 -
пазовая часть обмотки ротора, 3 - сердечник статора, 4 - железо ротора, 5 -
лобовая часть обмотки статора, 6 - лобовая часть обмотки ротора, 7 - внутренний
воздух, 8 - станина. Динамика тепловых процессов в узлах электрической машины
при постоянных (усредненных) во времени потерях и теплоотдаче описывается
системой линейных дифференциальных уравнений (1.27).
Рис. 2.1. Эквивалентная тепловая схема замещения асинхронного двигателя с
фазным ротором типа МТН-316-6.
Решению уравнений состояния предшествуют предварительные расчеты по определению
пассивных параметров ЭТС (теплоемкостей и тепловых проводимостей) и активных
(мощность источников тепла), равных потерям в узлах электрической машины.
Кривые нагрева и охлаждения, полученные экспериментальным путем, позволяют
подтвердить достоверность выбранных методов расчета, справедливость выбранных
допущений при определении параметров ЭТС.
В сложных ситуациях, связанных с изменением теплового состояния,
экспериментальные методы являются единственно достоверными. Однако получение
экспериментальных кривых имеет известные ограничения для труднодоступных и
вращающихся частей электрической машины. Экспериментальные методы могут
эффективно дополнять аналитические, например, при определении потерь в машине.
2.2. Тепловое состояние электрических машин в установившемся режиме
Расчет температур узлов электрической машины в установившемся режиме
осуществляется путем решения уравнения теплового состояния (1.27). В этом
случае имеет место условие и в схеме ЭТС (рис. 2.1) отсутствует теплоемкость, а
уравнение состояния принимает вид:
. (2.1)
Расс
- Киев+380960830922