СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СРЕДНЕЙ ТЕМПЕРАТУРЫ КОРОТКОЗАМКНУТОЙ ОБМОТКИ АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ
METHOD OF DETERMINING AVERAGE TEMPERATURE OF SHORT-CIRCUITED WINDING OF ASYNCHRONOUS MOTOR

Предлагаемое решение относится к области электромашиностроения, может быть использовано при испытании машин, а также в эксплуатации.
Отсутствие изоляции в короткозамкнутой обмотке асинхронного двигателя не уменьшает значимости ее температуры в надежности и долговечности асинхронного двигателя.
Короткозамкнутые обмотки имеют уровень температур в номинальных режимах того же порядка или несколько больше, чем статорные обмотки. В пусковых режимах из-за вытеснения тока в пазу ротора в нем выделяются мощности, соизмеримые или даже большие номинальной мощности двигателя, что и определяет величины моментов при пуске. В статоре из-за малого вытеснения тока в пазу нагревы обмотки много меньше нагревов короткозамкнутой обмотки.
При пуске из горячего состояния пусковые нагревы короткозамкнутой обмотки, наложенные на нагревы номинального режима, достигают значений, при которых наступает рекристаллизация твердотянутой меди и ее отжиг (больше 200°C). При этом частично ухудшаются упругопластичные характеристики меди - появляются явления «наклепа» вследствие запрещенных температурных деформаций.
Количество таких пусков и определяет срок службы короткозамкнутой обмотки до появления трещин и обрывов стержней, что и наблюдается повсеместно в эксплуатации. Поэтому значение температуры короткозамкнутого ротора является такой же важной задачей, как и статора.
Измерение температуры вращающегося короткозамкнутого ротора обычно производится заложенными температурными детекторами, показания которых снимаются через измерительный токосъемник или через различного рода телеметрические устройства - оптические, радио и др. В любом случае измеряется либо температура отдельных точечных элементов, либо средняя температура пояска, состоящая из чередующихся элементов короткозамкнутой обмотки и стальных зубцов.
Классический пример таких измерений излагается в статье Мединского Л.А. «Методика измерений пусковых процессов в клетке ротора асинхронного двигателя». Журнал Электротехника, 1965 г., №4, стр. 46-49.
Способов измерения средней температуры короткозамкнутого ротора по изменению сопротивления при постоянном токе, как это делается для статорных обмоток, не найдено.
o
хол
o
гор
o
Технический результат предлагаемого решения определения средней температуры короткозамкнутой обмотки ротора асинхронного двигателя достигается регистрацией затухающего напряжения статора, индуктируемого затухающим полем ротора, при отключении из состояния холостого хода холодной и горячей машины, определения постоянных времени затухания поля ротора в момент времени T и T, когда напряжение статора затухает до величины 0,368 начального напряжения U перед отключением и последующего определения средней температуры короткозамкнутой обмотки ротора по формуле:
<mrow><mfrac><mn>1</mn><mi>α</mi></mfrac><mo>=</mo><mn>235</mn></mrow>
где
- температурный коэффициент для меди при температуре 0÷150°C или
<mrow><mfrac><mn>1</mn><mi>α</mi></mfrac><mo>=</mo><mn>250</mn></mrow>
- для алюминия при температуре 0÷150°C,
хол
t - температура ротора при первом измерении в холодном состоянии,
охл
t - температура охлаждающей среды при измерении в горячем состоянии.
o
В соответствии с патентом на изобретение «Способ определения параметров и рабочих характеристик асинхронного двигателя без сопряжения с нагрузочным устройством», Шарипов A.M., №2391680, 2008 г., постоянная времени T затухания напряжения статора при отключении машины из состояния холостого хода:
<mrow><msub><mi>T</mi><mi>o</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>X</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>ω</mi><mi>o</mi></msub><msubsup><mi>R</mi><mn>2</mn><mo>'</mo></msubsup></mrow></mfrac></mrow>
,
или с небольшой погрешностью
<mrow><msub><mi>T</mi><mi>o</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>X</mi><mi>m</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>ω</mi><mi>o</mi></msub><msubsup><mi>R</mi><mn>2</mn><mo>'</mo></msubsup></mrow></mfrac></mrow>
<mrow><msub><mi>X</mi><mi>m</mi></msub><mo>=</mo><msub><mi>X</mi><mrow><mn>12</mn></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>x</mi><mn>1</mn></msub><mo>+</mo><msubsup><mi>x</mi><mn>2</mn><mo>'</mo></msubsup><mo>,</mo></mrow>
m
,
но X=2÷4 о.е.,
<mrow><msub><mi>x</mi><mn>1</mn></msub><mo>≈</mo><msubsup><mi>x</mi><mn>2</mn><mo>'</mo></msubsup><mo>≈</mo><mn>0,1</mn></mrow>
<mrow><msub><mi>X</mi><mi>б</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>U</mi><mi>н</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>I</mi><mi>н</mi></msub><msqrt><mn>3</mn></msqrt></mrow></mfrac></mrow>
a
о.е. (базовое сопротивление
)
, (2),
т.к. при холостом ходе
o
o
Cosφ≈0,05÷0,1, a Sinφ=0,998÷0,994≈1,
2
<mrow><msub><mi>X</mi><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><msub><mi>X</mi><mrow><mn>12</mn></mrow></msub><mo>+</mo><msubsup><mi>x</mi><mn>2</mn><mo>'</mo></msubsup></mrow>
где Х - реактивная сопротивления ротора,
,
12
Х - реактивное сопротивление взаимоиндукции,
1
<mrow><msubsup><mi>x</mi><mn>2</mn><mo>'</mo></msubsup></mrow>
x и
- реактивное сопротивление рассеяния статора и ротора, приведенное к статору,
m
X - реактивное сопротивление статора,
<mrow><msubsup><mi>R</mi><mn>2</mn><mo>'</mo></msubsup></mrow>
- активное сопротивление короткозамкнутого ротора, приведенное к статору - эквивалент сопротивлению при постоянном токе в опыте, поскольку затухающее поле ротора неподвижно относительно ротора и определяется затухающим распределенным по обмотке ротора постоянным током.
o
o
o
o
m
o
хол
o
o
o
o
о гор
Измерения при испытаниях производят в следующей последовательности. На холодной машине в режиме холостого хода с напряжением U измеряют мощность P, ток I, напряжение U для вычисления реактивного сопротивления X, отключают машину от источника питания и регистрируют затухание напряжения статора. По осциллограмме (см. рисунок 1) измеряют постоянную времени T холодной машины как отрезок времени от момента отключения до значения 0,368 U. Затем машину нагружают, доводят до установившегося теплового состояния, быстро переводят в режим холостого хода, измеряют величины P, I, U, отключают и регистрируют затухание напряжения статора. По осциллограмме (см. рисунок 2) измеряют постоянную времени Т и вычисляют температуру ротора по формуле (1).
o
o
m
m
Если по какой-либо причине изменились величины I, U, т.е. X, например, из-за уменьшения воздушного зазора при нагреве машины или изменения напряжения источника питания, в формулу (1) вводят поправку на изменение X.
m
m
где ΔX - разность значений X в двух опытах, определенных по (2).
o
Если после отключения двигатель выбегает, необходимо ввести поправку на величину T
оизм
где Т - измеренная постоянная времени, с;
о
Р - мощность, тормозящая машину в момент отключения. В случае холостого хода - это потери в стали и потери механические;
o
J - момент инерции вращающихся частей;
1
ω - синхронная угловая частота вращения
<mrow><msub><mi>ω</mi><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>π</mi><mo>⋅</mo><msub><mi>n</mi><mi>o</mi></msub></mrow><mrow><mn>30</mn></mrow></mfrac></mrow>
,
o
n - синхронная частота вращения, об/мин.
Экспериментальная проверка может быть выполнена только параллельным измерением известным методом, в данном случае по холодному и горячему сопротивлению обмотки ротора двигателя с контактными кольцами. Для эксперимента использовался электродвигатель АК-92-6, 75 кВт, 380 В, ротор 538 В, 88 А, 1000 синхр. об/мин. Двигатель работает в агрегате с синхронной машиной и машиной постоянного тока мощностью 65 кВт.
m
o
хол
о
гор
Для экспериментов к контактным кольцам подключен закорачивающий автомат, что имитирует короткозамкнутую обмотку ротора. При номинальном напряжении 380 B, ток холостого хода 58 A одинаков в холодном и горячем состоянии. Ни по выбегу, ни по величине "X" поправки не понадобилось. Осциллограммы опытов представлены на рисунках 1 и 2, из которых измерено T=0,47 с, Т=0,39 с.
В соответствии с (1)
Температура ротора, измеренная по сопротивлению при постоянном токе после быстрого торможения в течение 30 с, составила 67,5°C. Полученное несоответствие в 1,2°C (1,8%) находится в пределах точности эксперимента.