Доклад: Електротехнічних пристроїв

Вирішальним фактором при розрахунку та правильному ви-борі електротехнічного пристрою (електричного мотора, трансфор-матора і т.д.) є його нагрів.

Найбільш уразливою з точки зору нагріву є ізоляція обмо-ток електричних машин. Вказані робочі температури для кожного класу ізоляції встановлені, виходячи із терміну роботи електро-двигунів 15-20 років при номінальному навантаженні. При збіль-шенні температури на 25% номінальний термін роботи скорочує-ться до 1,5 місяця, а при збільшенні температурного навантаження на 50% двигун виходить з ладу через 3 години. Навантажувальна здатність електричних машин визначається умовами нагріву, оскі-льки температура є головною причиною, що обмежує потужність машини при тривалих і короткочасних навантаженнях.

Процеси нагріву та охолодження у всіх типах електричних машин підпорядковані загальним законам, оскільки електричну машину можна в першому наближенні розглядати як однорідне тверде тіло. Незважаючи на складний характер розподілу тепла в електричній машині, заміна реальної машини однорідним тілом дає можливість встановити деякі загальні закономірності зміни темпе-ратури машини в процесі нагріву і охолодження.

Втрати енергії, що виникають у машині, виділяються у вигляді тепла, яке підвищує температуру обмоток і магнітопроводу. За проміжок часу dt в електричній машині виділяється теплова енергія dQ = ΔPdt, яка витрачається на підвищення температури на величину dQ і частково відводиться у навколишнє середовище. У будь-який момент часу в електричній машині має місце баланс теплової енергії, що виражається рівнянням:

(3.1)

– частина теплової енергії, що нагромаджується у машині і призводить до підвищення її температури; – частина теплової енергії, що розсіюється у навколишнє середовище; с – питома теплоємність машини (кількість тепла, що викликає підвищення температури 1 кг маси машини на 1 0С); m – маса машини, кг; kТВ – коефіцієнт тепловіддачі з поверхні (кількість тепла, що розсіюється з 1м2 поверхні охолодження машини протя-гом 1с при різниці температур в 1 0С), який визначає інтенсивність охолодження електричної машини; SОХ – поверхня охолодження машини; – перевищення температури машини над температу-рою навколишнього середовища.

При деякій температурі наступає усталений процес, при якому все виділене в машині тепло віддається навколишньому середовищу. В цьому випадку величина і рівняння балан-су матиме вигляд

(3.2)

Величину називають усталеним перевищенням темпера-тури

(3.3)

Рівняння теплового балансу з урахуванням (3.3) можна за-писати у вигляді

(3.4)

Розв'язком диференціального рівняння (3.4) за умови, що при t = 0 електрична машина вже мала деяке перевищення тем-ператури над навколишнім середовищем, буде

, (3.5)

де – стала часу нагріву.

Із (3.5) випливає, що величина в процесі нагрівання і охолодження змінюється за експоненційним законом. При нагріванні зростає (рис.3.1, а крива 1), асимптотично наближаючись до усталеного значення При охолодженні температура змен-шується (рис.3.1, а крива 2) до усталеної величини У початковій точці при t = 0 похідна Отже, сталу часу Т можна представити у вигляді відрізка АВ, що відсікає дотична, проведена до кривої нагріву в початку координат, на прямій, що від-повідає усталеному перевищенню температури

Якщо машину ввімкнути після відносно довгого перебуван-ня у вимкненому стані, то рівняння нагріву матиме вигляд:

(3.6)

Коли ж машина вимикається з мережі, то відбувається її охолодження до температури навколишнього середовища за експо-ненціальним законом:

(3.7)

де – температура нагрітої машини.

Рис.3.1. Криві нагріву та охолодження електричних машин.

Для електричних машин різних потужностей величина Т = = (0,3-2) години, для мікромашин Т = (3-10) хвилин.

У процесі роботи електричної машини відбуваються необо-ротні зміни ізоляції, які називають старінням ізоляції. У першу чергу змінюються механічні властивості ізоляції, вона стає крихк-ою і утворюються тріщини, що понижує її електричну міцність.

Головними причинами старіння ізоляції є температура. Висока температура викликає окислення складових частин ізоляції. Тому для забезпечення заданого терміну служби електричних мА-шин температура нагріву окремих її частин повинна бути обмеже-на. Експериментальні дослідження показали, що термін служби ізоляції в роках може визначатись за формулою:

(3.8)

де K і α – коефіцієнти, що залежать від класу ізоляції; – темпера-тура, 0С.

З цієї формули випливає, що із збільшенням температури різко скорочується термін служби ізоляції. Наприклад, для ізоляції класу А (α = 0,088, К = 71500) при температурі 950С термін служби ізоляції tіз= 16 років; при Т = 110 0С термін служби ізоляції скорочується до декількох днів. Для орієнтовних розрахунків прий-мають, що підвищення температури приблизно на 10 0С знижує термін служби ізоляції класу А у два рази.