Измерение температуры асинхронных двигателей

При ремонте и эксплуатации двигателей измерение температуры обмотки и других частей двигателя, а также охлаждающего воздуха производят термометрами расширения, термопарами и терморезисторами. Для измерения температуры обмоток часто пользуются и косвенным методом — измерением их сопротивления при постоянном токе.
Термометры расширения применяют для измерения температуры доступных мест двигателя — поверхностей корпуса и подшипников, лобовых частей обмотки и др., а также для измерения температуры окружающей среды и окружающего воздуха, поступающего и выходящего из двигателя. Применяют как ртутные, так и спиртовые термометры. Вблизи сильных переменных магнитных полей следует применять только спиртовые термометры. Применение ртутных термометров в этих случаях противопоказано, так как в ртути наводятся вихревые токи, искажающие результаты замера.
Следует отдать предпочтение так называемым палочным толстостенным термометрам, имеющим цилиндрическую форму и сравнительно небольшие размеры по высоте и, что важно, по диаметру (6—7 мм). Это делает возможным установку этих термометров в труднодоступных местах. Не рекомендуется пользоваться хвостовыми термометрами, где ртуть или спирт помещаются в тонком длинном резервуаре на его конце. Эти термометры дают правильные показания только при полном погружении резервуара в среду, температура которой измеряется (масло, вода, воздух), а не при прикосновении к твердым предметам (корпус двигателя, лобовые части обмотки и др.).
Для лучшей передачи тепла от нагретого места к термометру резервуар термометра обертывают фольгой (очень тонким листовым алюминием или свинцом) таким образом, чтобы получился комок, который затем плотно прижимают к нагретому месту. Для теплоизоляции термометра поверх фольги накладывают слой ваты или войлока, но так, чтобы последний не попал между термометром и нагретой частью электродвигателя. При измерении температуры охлаждающего воздуха (охлаждающей среды) термометр следует поместить в закрытый металлический стаканчик, заполненный маслом и защищающий термометр от лучистой теплоты, испускаемой окружающими источниками тепла и самой испытываемой машиной, и от случайных потоков воздуха.
При измерении температуры наружной охлаждающей среды несколько термометров располагают в разных точках вокруг испытываемой машины на высоте, равной половине высоты машины, и на расстоянии 1—2 м от нее. За температуру охлаждающей среды принимают среднее арифметическое значение показаний этих термометров.
Термопары являются удобными и широко применяемыми датчиками (индикаторами) температуры. С их помощью можно измерять как температуру на поверхности нагретых тел, так и температуру труднодоступных мест двигателя в сердечниках стали и в пазовой части обмотки.
Термопару образуют две изолированные друг от друга проволоки из разных материалов; материалы выбирают в зависимости от значений измеряемой температуры. Для измерения температур в электрических машинах обычно применяют медно-константановые термопары, состоящие из медной и константановой проволок диаметром около 0,5 мм. Одна пара концов термопары спаяна между собой. Места спая обычно помещают в ту точку, где желают измерить температуру («горячий» спай), а другую пару концов подключают либо непосредственно к зажимам чувствительного милливольтметра с большим внутренним сопротивлением, либо к переходной сборке зажимов, от которой отходят медные проводники к измерительному прибору. В том месте, где ненагреваемый конец константановой проволоки соединяется с медным проводником (на клемме измерительного прибора или на переходной клемме), образуется так называемый «холодный» спай термопары.
На поверхности контакта двух металлов (константана и меди) возникает э. д. е., пропорциональная температуре в месте контакта, причем на константане образуется минус (—), а на меди плюс ( + ). Само собой понятно, что э. д. с. возникает как на «горячем», так и на «холодном» спае термопары, однако поскольку температуры этих спаев разные, то и значения э. д. с. различны, а так как в контуре, образованном термопарой и измерительным прибором, эти э. д. с. направлены навстречу друг другу, то милливольтметр всегда измеряет разность э. д. с. «горячего» и «холодного» спаев, которая соответствует разности температур.
Если «горячий» спай медно-константановой термопары нагреть до 100°С, а «холодный» поместить в среду, температура которой 0°С, то результирующая э. д. с. составит 4,16 мВ. При уменьшении разности температур э. д. с. будет снижаться пропорционально этой разности. Из этого следует, что э. д. с. медно-константановой термопары составляет 0,0416 мВ на ГС разности температур «горячего» и «холодного» спаев. В соответствии с этим можно отградуировать и шкалу милливольтметра непосредственно в градусах Цельсия.
Так как термопара фиксирует только разность температур между «горячим» и «холодным» спаями, то для определения абсолютной температуры «горячего» спая следует к показаниям термопары по милливольтметру (выраженным в градусах) прибавить температуру «холодного» спая, обычно замеряемую термометром.
Термопары изготовляют обычно своими силами: проволоки скручивают между собой на длине 6—8 мм и после их тщательной зачистки спаивают чистым оловом (без кислоты) или сваривают.

Рис. 1. Сварка концов термопары.
а — процесс сварки; б — головка термопары; I — плоскогубцы с изолированными ручками; 2 — провода термопары; 3 — скрутка; 4 — угольный электрод.
При сварке (рис. 1,а) скрученные и зачищенные концы захватывают плоскогубцами с изолированными ручками. Напряжение от трансформатора 12 В подводят к губке плоскогубцев и к угольному электроду. При прикосновении электрода к скрутке концы проволок оплавляются, образуя шариковую головку, как это указано на рис. 1,6. При надобности эту головку в горячем виде проковывают легкими ударами молотка, при этом образуется плоская лопатообразная головка термопары. Та-
кие термопары применяют для измерения температуры сердечников стали, для чего листы сердечника раздвигают ножом и в образовавшуюся щель плотно вставляют головку термопары. Место закладки термопары должно быть надежно защищено от конвекционных потоков воздуха.
Для измерения температуры в пазовой части обмотки термопары закладывают при двухслойной обмотке между  верхними и нижними сторонами катушек, а при однослойной обмотке — между клином и катушкой. В первом случае при укладке обмоток термопару помещают в межслойную пазовую прокладку, во втором случае — в желобок, вырезанный во внутренней стороне пазового клина.
Часто в двигатель закладывают несколько термопар для измерения температуры различных частей двигателя, которые поочередно подключают к одному милливольтметру с помощью переключателя или штепсельной вилки (рис. 2). Конструкция переключателя должна обеспечивать отсутствие контакта между термопарами при переходе от одной термопары к другой; в противном случае стрелка милливольтметра будет испытывать сильные толчки.

1 В соответствии с ГОСТ 11828-75 для электрических машин мощностью до 10 кВт (кВ-А) устанавливают один термометр или температурный индикатор, для машин мощностью от 10 до 100 кВт (кВ-А) включительно — не менее двух, для машин от 100 до 1000 кВт (кВ А)— не менее трех и для машин мощностью свыше 1000 кВт (кВ-А)— не менее четырех.

Рис. 2. Измерение температуры термопарами.
а — по схеме с переключателем; б — по схеме со штепсельной вилкой.
Порядок градуировки милливольтметра с термопарами имеет существенное значение для точности измерения. Необходимо помнить, что отклонение стрелки милливольтметра зависит от внутреннего сопротивления и падения напряжения в контуре термопары. Когда милливольтметр подсоединяют только к одной термопаре, его градуировка не вызывает затруднений и производится, как указано ниже. Если к милливольтметру подсоединяют через переключатель несколько термопар, которые часто имеют разные внутренние сопротивления, градуировка усложняется. В этом случае приходится либо градуировать милливольтметр с каждой термопарой в отдельности и строить для каждой термопары свою градуировочную кривую, либо уравнивать внутренние сопротивления термопар, чтобы получить единую градуировку.
Для равенства сопротивления всех термопар, подключаемых к одному милливольтметру, необходимо изготовить их из одной партии проволоки с равной длиной концов. Помимо этого, термопары должны быть выверены между собой. Для взаимной выверки все «горячие» спаи термопар погружают в закрытый сосуд с нагретым до 70—80°С трансформаторным маслом и быстрым переводом ручки переключателя определяют, какая из термопар дает максимальные показания на милливольтметре; эту термопару принимают за контрольную. Вслед за тем концы термопар, показания от которых меньше, укорачивают таким образом, чтобы показания от них на милливольтметре сравнялись с показанием контрольной термопары.
Для градуировки термопар с милливольтметром их «горячие» спаи погружают в сосуд с маслом, нагретым до 100°С. Для измерения температуры масла в сосуд погружают также термометр. «Холодные» спаи термопар погружают в сосуд с тающим льдом. При медленном охлаждении масла через каждые 5—10°С записывают показания милливольтметра до тех пор, пока температура масла в сосуде не сравняется с температурой охлаждающего воздуха. На основании записей температуры масла и показаний милливольтметра строят градуировочную кривую.
Для обеспечения точности измерения необходимо выбирать милливольтметр с большим внутренним сопротивлением. Желательно, чтобы внутреннее сопротивление милливольтметра не менее чем в 100 раз превышало сопротивление контура термопары, включая соединительные провода. Кроме того, необходимо обеспечить хорошие контакты во всем контуре, так как при плохих контактах показания милливольтметра снижаются.
Когда при измерении стремятся определить не абсолютную температуру в тех местах, где заложены «горячие» спаи термопар, а превышение их температуры над температурой охлаждающего воздуха, целесообразно поместить «холодные» спаи термопар в зоне или камере охлаждающего воздуха. В этом случае показания милливольтметра непосредственно определяют искомое превышение температуры и поправку на температуру «холодного» спая не вносят. Иногда применяют искусственные схемы для непосредственного определения абсолютных температур без необходимости внесения поправок на температуру «холодного» спая.
Одна из таких схем представлена на рис. 3; медные провода всех термопар обозначены жирными линиями, а константановые — более тонкими. В схему включена дополнительная (контрольная) термопара, спай которой помещен в сосуд с тающим льдом. По приведенной схеме проверяют также термопары при сомнениях в правильности их показаний. Для этого в сосуд наливают масло и помещают в него термометр. При медленном нагревании масла показание милливольтметра будет равно нулю, когда термометр покажет температуру, совпадающую с температурой «горячего» спая проверяемой термопары, заложенной в двигатель.

Рис. 3. Схема измерения температуры с контрольной термопарой.

Терморезисторы.

Способ измерения температуры с помощью терморезисторов основан на общеизвестном свойстве металлов — увеличении их сопротивления при постоянном токе при повышении температуры. Способ удобен тем, что позволяет определить непосредственно абсолютную температуру нагретого места.
Терморезисторы представляют собой тонкую медную проволоку, намотанную на полоске или цилиндрическом основании. Сопротивление проволоки при постоянном токе при температуре 0°С обычно подбирают равным 53 Ом. Значения сопротивления этой проволоки при других температурах приведены в табл. 1.
Сопротивление измеряют либо мостом постоянного тока, либо к сопротивлению подключают постоянное или выпрямленное напряжение и специальным точным прибором магнитоэлектрической системы — логометром (ЛПБ-46) измеряют ток. Шкала логометра градуируется непосредственно в градусах Цельсия. Напряжение питания составляет 4 В. В отличие от схемы с термопарами плохие контакты в контуре терморезисторов увеличивают показания логометра.
Терморезисторы закладывают в различных частях двигателя и поочередно подключают к логометру переключателем. Этот переключатель отличается от применяемого при измерении термопарами тем, что в нем при переходе с одного контакта на другой происходит разрыв цепи питания. В противном случае в момент замыкания и размыкания контактов переключателя имели бы место броски тока, вредно влияющие на подвижную систему логометра.
Таблица 1

Для правильной работы установки теплоконтроля необходимо, чтобы не только сопротивления термоиндикаторов были одинаковы, но и совпадали между собой сопротивления соединительных проводов между логометром и термоиндикатором (терморезистором). Для этого в схеме установки предусматривают катушки с эталонным и подгоночным сопротивлениями.
Обычно логометры рассчитаны на то, что сопротивление соединительных проводов равно 5 Ом; к этому значению и подгоняют сопротивление соединительных проводов.
По конструкции терморезисторы могут быть плоские, предназначаемые для закладки в пазы, и цилиндрические — для измерения температуры жидкости, газов, а также для установки во вкладыши подшипников. Терморезисторы первого вида наматывают на текстолитовую
пластинку и защищают оболочкой из бакелизированной бумаги и микашелка. Терморезисторы второго вида наматывают на медный или текстолитовый стержень и закладывают в герметический металлический футляр.
На рис. 4 приведена заводская схема установки терморезисторов для крупного двигателя.
Определение температуры обмоток по их сопротивлению постоянному току основано на упомянутом выше свойстве металлов изменять свое сопротивление в зависимости от температуры.

Рис. 4. Схема включения логометра и расположение термометров сопротивления.
1 — измерение температуры стали; 2 — измерение температуры обмотки; 3 — доска зажимов термометров сопротивления; 4 — панель с эталонной и подгоночными катушками: 5 — эталонная катушка; 6 — подгоночные катушки; 7 — логометр; 8 — переключатель; 9 — к источнику постоянного тока.
Преобразуя приведенную ранее формулу, определяющую эту зависимость, можно записать:

Формула относится к обмоткам, изготовленным из меди. Для алюминиевых обмоток число 235 в формуле следует заменить на 245. Под охлаждающей средой для двигателя подразумевается продуваемый через него или окружающий его воздух.
Следует учитывать, что от момента отключения двигателя до начала замеров сопротивления его обмотки проходит некоторое время, в течение которого обмотка успевает несколько остыть. Поэтому для правильного определения температуры обмоток в момент отключения, т. е. в рабочем состоянии двигателя, поступают следующим образом.
После отключения машины по возможности через равные (точно измеряемые по секундомеру) промежутки времени производят несколько (но не меньше трех) измерений сопротивления. Промежуток времени между измерениями не должен превышать времени, прошедшего от момента выключения машины до момента проведения первого измерения сопротивления.
Первое измерение сопротивления обмотки производят не позднее чем через 1 мин от момента отключения для машины мощностью до 10 кВт, через 1,5 мин — для машин мощностью 10—100 кВт и через 2 мин — для машин мощностью выше 100 кВт.
Если первое измерение сопротивления выполнено не более чем через 15—20 с от момента выключения, то за сопротивление принимают наибольшее из первых трех измеренных. Если первое измерение произведено позднее чем через 20 с после отключения машины, то вносят поправку на остывание. Для этого производят шесть — восемь измерений сопротивления и строят график изменения сопротивления обмотки при остывании (рис. 6).

Рис. 6. График изменения сопротивления обмотки при остывании.
По оси абсцисс откладывают (точно в масштабе) время, прошедшее от момента выключения машины до первого измерения, и промежутки между измерениями (с), а по оси ординат — соответствующие измеренные сопротивления и получают кривую зависимости (изображена сплошной линией). После этого продолжают кривую влево, сохраняя характер ее изменения, до пересечения с осью ординат (изображена пунктирной линией). Отрезок на оси ординат от начала координат до точки пересечения с пунктирной кривой с достаточной точностью определит искомое сопротивление обмотки двигателя.
Следует учитывать, что при определении температуры обмоток по способу замера их сопротивления определяется средняя температура обмоток. В действительности же при работе двигателя отдельные зоны обмоток, как правило, имеют разную температуру; максимальная температура обмоток, определяющая сохранность изоляции, всегда несколько превышает среднее значение.