Предварительные сведения
Процесс преобразования энергии в электрической машине всегда сопровождается потерями, которые превращаются в тепло. Следовательно, при работе машины происходит нагревание ее частей, т. е. повышение их температуры над температурой окружающей среды. Чрезмерное повышение температуры прежде всего отражается на изоляции машины, поскольку при этом она теряет свои изолирующие свойства. Под влиянием температуры могут изменяться и механические условия работы той или иной части машины. Так, например, коллектор может потерять свою правильную геометрическую форму, может измениться смазка подшипников и т. д.
Однако отсюда нельзя делать вывод, что нужно строить малонагревающиеся машины. Построить такую машину нетрудно, но при большой затрате материалов. В такой машине срок службы изоляции был бы велик, и машина работала бы надежно, но стоимость ее была бы высокой. Наоборот, чем больше допускается рабочая температура частей машины, тем она легче; но ее надежность и срок службы изоляции уменьшаются. Поэтому правильное решение вопроса достоит в том, чтобы построить машину с высокими электромагнитными нагрузками материалов и в то же время обеспечить достаточную надежность ее работы и необходимый срок службы.
Срок службы изоляции /из зависит от качества (класса) изолирующего материала и от температуры ft, при которой он долго работает. Для изолирующих материалов класса А зависимость ta3 = = / (Ф) определяется эмпирической формулой вида
где С — постоянная, устанавливаемая опытным путем; е — основание натуральных логарифмов.
Из этой формулы следует, что повышение температуры на каждые 8° С сокращает время износа изоляции tm вдвое. Если установить по данным практики предельную температуру $пр, при которой изолирующий материал надежно работает приемлемый с эксплуатационной точки зрения отрезок времени (обычно 16—20 лет), то по формуле (4) можно определить срок работы этого материала и при другой рабочей температуре. Так, например, хлопчатобумажная изоляция, пропитанная или погруженная в масло, может длительно работать в течение 16—20 лет, находясь при температуре Ь 90° С. Но уже при Ф = 150° С время доноса сокращается примерно до 1,5 месяца, а при Ф = 200° С — до нескольких часов.
Соответствующие температуры для изолирующих материалов из неорганических веществ: слюда, асбест, стекло и другие, которые сами по себе обладают высокой теплостойкостью, зависят главным образом от свойств лаков, применяемых для пропитки изоляции. Но электроизоляционные лаки обладали относительно низкой теплостойкостью, соответственно чему рабочая температура изолирующих материалов с пропиткой такими лаками не превышала 130° С.
В 1937 г. были предложены теплостойкие лаки, главным образом в связи с применением стеклянного волокна для изоляции электрических машин и сухих трансформаторов.
В настоящее время наибольшее значение имеют кремнийорганические соединения различных составов и свойств, известные под общим названием силиконов. Комбинация стекловолокнистых материалов с силиконами дала возможность создать новый класс теплостойкой изоляции, которая позволяет эксплуатировать машины при высокой рабочей температуре и, кроме того, обладает значительной влагостойкостью.
Произведенные исследования (в некоторых случаях температура испытуемых машин доходила до 400—500° С, причем машины интенсивно обливались водой) дают основание считать, что для изолирующих материалов этого класса может быть допущена длительная рабочая температура обмоток Фдр = 180° С. Такая высокая температура позволяет резко снизить габариты и массу машины.
Очевидно, что при прочих равных условиях нагревание машины будет тем сильнее, чем хуже охлаждается машина, и наоборот. Поэтому с вопросами срока службы машины неразрывно связаны вопросы ее охлаждения, в частности вопросы вентиляции. В последнее время эти вопросы приобрели весьма важное значение, так как при современном развитии электромашиностроения лучшее использование активных материалов машины может дать по электроэнергосистеме в целом значительный народнохозяйственный эффект.
Нагревание электрических машин
Полученные выводы могут быть отнесены к реальным электрическим машинам при условии, что в эти представления вводятся соответствующие поправки. При этом прежде всего нужно иметь в виду, что машина состоит из целого ряда частей, каждая из которых имеет свои характеристики, т. е. массу, поверхность, теплоемкость и коэффициент теплорассеяния, и в каждой из которых выделяется определенное количество тепла. Другими словами, общую теорию нагревания приходится применять не ко всей электрической машине в целом, а к каждой отдельной части ее. Так, при нагревании машины постоянного тока говорят о температуре следующих частей: обмотки якоря, обмоток главных полюсов, обмотки добавочных полюсов, компенсационной обмотки, если таковая имеется, коллектора и подшипников. При нагревании трансформатора имеют в виду температуру обмоток, сердечника и масла.
Основная причина расхождения между теоретической и опытной линиями нагревания состоит в том, что постоянная времени нагревания Т в действительности изменяется главным образом вследствие изменения коэффициента теплорассеяния Я. Однако опыт показывает, что влияние этой причины невелико и что, следовательно, линии на рис. 1 можно рассматривать как типичные.
Номинальные режимы работы электрических машин
Согласно ГОСТ 183—66, устанавливаются восемь номинальных режимов работы электрической машины в зависимости от характера работы, т. е. сочетания периодов различной нагрузки и длительности ее.
Продолжительным номинальным режимом работы называется режим работы. электрической машины при неизменной номинальной нагрузке, продолжающейся столько времени, что превышения температуры всех частей электрической машины при неизменной температуре охлаждающей среды достигают практически установившихся значений. Условное обозначение режима — Si.
Кратковременным номинальным режимом работы называется режим работы электрической машины, при котором периоды неизменной номинальной нагрузки чередуются с периодами отключения машины; при этом периоды нагрузки не настолько длительны, чтобы превышения температуры всех частей электрической машины при практически неизменной температуре охлаждающей среды могли достигнуть практически установившихся значений, а периоды остановки электрической машины настолько длительны, что все части ее приходят в практически холодное состояние. Условное обозначение режима — S2. Установлены номинальные кратковременные режимы с длительностью периода неизменной нагрузки 10, 30, 60 и 90 мин.
Повторно-кратковременным номинальным режимом работы называется режим работы электрической машины, при котором кратковременные периоды неизменной номинальной нагрузки (рабочие периоды) чередуются с периодами отключения машины (паузами), причем как рабочие периоды, так и паузы не настолько длительны, чтобы превышения температуры отдельных частей электрической машины при практически неизменной температуре охлаждающей среды могли достигнуть практически установившихся значений.
Повторно-кратковременный поминальный режим работы характеризуется относительной продолжительностью включения (ПВ), равной отношению продолжительности рабочего периода к продолжительности рабочего периода и паузы (цикла). Пусковые периоды практически не оказывают влияния на превышения температуры отдельных частей машины. Условное обозначение режима — S3. Установлены номинальные повторно-кратковременные режимы с продолжительностью включения (ПВ) 15, 25, 40 и 60%, продолжительность одного цикла, если нет других указаний, принимают равной 10 мин.
Повторно-кратковременным номинальным режимом работы- с частыми пусками называется режим работы электрической машины, при котором периоды пуска и кратковременной неизменной номинальной нагрузки чередуются с периодами отключения машины, причем как рабочие периоды, так и паузы не настолько длительны, чтобы превышения температуры отдельных частей электрической машины при практически неизменной температуре охлаждающей среды могли достигнуть практически установившихся значений. В этом режиме пусковые потери оказывают существенное влияние на превышения температуры отдельных частей машины.
Повторно-кратковременный режим с частыми пусками характеризуются относительной продолжительностью включения, числом пусков в час и коэффициентом инерции. Относительная продолжительность включения равна отношению продолжительности пуска и работы с неизменной номинальной нагрузкой к продолжительности цикла. Условное обозначение режима — 54.
Коэффициентом инерции называется отношение суммы приведенного к валу двигателя момента инерции приводимого механизма и момента инерции ротора к моменту инерции ротора. двигателя. Условное обозначение коэффициента инерции — FI. Установлены номинальные повторно-кратковременные режимы с частыми пусками с продолжительностью включения (ПВ) 15, 25, 40 и 60%, числом включений в час 30, 60, 120 и 240 при коэффициенте инерции (FI) 1,2; 2,5 и 4.
Повторно-кратковременным номинальным режимом работы с частыми пусками и электрическим торможением называется режим работы электрической машины, при котором периоды пуска, кратковременной неизменной номинальной нагрузки и электрического торможения чередуются с периодами отключения машины, причем как рабочие периоды, так и паузы не настолько длительны, чтобы превышения температуры отдельных частей электрической машины при практически неизменной температуре охлаждающей среды могли достигнуть практически установившихся значений.
Повторно-кратковременный номинальный режим с частыми пусками и электрическим торможением характеризуется относительной продолжительностью включения, числом пусков в час и коэффициентом инерции. Относительная продолжительность включения равна отношению продолжительности пуска, работы с неизменной номинальной нагрузкой и электрического торможения к продолжительности цикла. Условное обозначение режима — 35. Установлены номинальные повторно-кратковременные режимы с частыми пусками и электрическим торможением с продолжительностью включения (ПВ) 15, 25, 40 и 60%, числом включений в час 30, 60, 120 и 240 при коэффициенте инерции (FJ) 1,2; 1,6; 2,5 и 4.
Перемежающимся номинальным режимом работы называется режим работы электрической машины, при котором кратковременные периоды неизменной номинальной нагрузки (рабочие периоды) чередуются с периодами холостого хода (паузами), причем как рабочие периоды, так и паузы не настолько длительны, чтобы превышения температуры отдельных частей электрической машины при практически неизменной температуре охлаждающей среды могли достигнуть практически установившихся значений. Перемежающийся номинальный режим характеризуется относительной продолжительностью нагрузки (ПН), равной отношению продолжительности рабочего периода к продолжительности цикла. Условное обозначение режима — 56. Установлены номинальные перемежающиеся режимы работы с продолжительностью нагрузки (ПН) 15, 25, 40 и 60%, продолжительность одного цикла, если нет других указаний, принимают равной 10 мин.
Перемежающимся номинальным режимом работы с частыми реверсами называется режим работы электрической машины, при котором периоды реверса чередуются с периодами неизменной номинальной нагрузки, причем периоды неизменной номинальной нагрузки не настолько длительны, чтобы превышения температуры отдельных частей машины при практически неизменной температуре охлаждающей среды могли достигнуть установившихся значений.
В этом режиме потери при реверсировании оказывают существенное влияние на превышения температуры отдельных частей машины. Перемежающийся номинальный режим с частыми реверсами характеризуется числом реверсов в час и коэффициентом инерции. Условное обозначение режима — 57.
Установлены номинальные перемежающиеся режимы с частыми реверсами при электрическом торможении с числом реверсов в час 30, 60, 120 и 240 при коэффициенте инерции (FI) 1,2; 1,6; 2,5 и 4.
Перемежающимся номинальным режимом работы с двумя и более скоростями вращения называется режим работы электрической машины, при котором периоды работы при неизменной номинальной нагрузке на одной скорости вращения чередуются с периодами работы на другой скорости вращения при соответствующей этой скорости вращения неизменной номинальной нагрузке. Число ступеней скорости вращения может быть более двух, причем соответственно увеличивается число чередующихся периодов. Периоды неизменной нагрузки на каждой из скоростей вращения не настолько длительны, чтобы
превышения температуры отдельных частей электрической машины при практически неизменной температуре охлаждающей среды могли достигнуть практически установившихся значений. В этом режиме работы потери при переходе от одной скорости вращения к другой оказывают существенное влияние на превышения температуры отдельных частей машины.
Перемежающийся номинальный режим с двумя и более скоростями вращения характеризуется числом циклов в час, коэффициентом инерции и относительной продолжительностью нагрузки на отдельных ступенях скорости вращения, которая определяется отношением продолжительности пуска (или электрического торможения) и работы с неизменной номинальной нагрузкой к продолжительности цикла. Условное обозначение режима — 58.
Установлены номинальные перемежающиеся с двумя и более скоростями вращения режимы работы с числом циклов в час 30, 60, 120 и 240 при коэффициенте инерции (FI) 1,2; 1,6; 2,5 и 4. Продолжительность нагрузки (ПН) на каждой из скоростей вращения устанавливается по согласованию между потребителем и поставщиком.
Номинальные режимы 51, 52, 53 и 56 являются основными, режимы работы 54, 55, 57 и 58 — дополнительными (рекомендуемыми).
