Методы расчета теплового состояния асинхронных двигателей при изменении напряжения сети

Наиболее радикальным средством повышения отказоустойчивости ВС является введение избыточности (структурной, функциональной, информационной, временной) с учетом анализа типа, числа, особенностей проявления неисправностей в ВС и связанных с введением избыточности затрат. Заказчик должен ясно представлять, какие именно процессы и данные в ходе решения прикладных задач необходимо держать под контролем, что и должно быть учтено при проектировании отказоустойчивых ВС в виде спецификаций к проекту.

К практическим результатам разработанной технологии можно отнести следующее:

• при определенных, относительно небольших, затратах можно обеспечить самотестируемость аппаратной части ВС при достаточно широком охвате множества неисправностей (это не относится к программному обеспечению, для которого требование отказоустойчивости оказывается пока практически невыполнимым);

• на примере эксплуатации отказоустойчивых ВС на железнодорожном транспорте дается положительный ответ на вопрос о том, действительно ли соблюдение правил и принципов обеспечения отказоустойчивости приводит к повышению общей надежности системы.

УДК 621.313.13

М. М. Фёдоров, Е. Р. Алексеев

МЕТОДЫ РАСЧЕТА ТЕПЛОВОГО СОСТОЯНИЯ АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ПРИ ИЗМЕНЕНИИ НАПРЯЖЕНИЯ СЕТИ

Тепловое состояние изоляции обмоток асинхронного двигателя(АД) является важнейшим фактором, определяющим его надёжную эксплуатацию. Источниками тепла в АД являются потери в его узлах. Колебание напряжения в значительной степени влияет на их величину [2]. Так, при понижении имеет место значительное повышение потерь в роторе, а следовательно и температуры в обмотке ротора, что важно для двигателей с фазным ротором. В предлагаемой работе рассмотрены результаты исследований теплового состояния в АД с фазным ротором и короткозамкнутого АД при колебаниях напряжения сеїи. При анализе теплового состояния использованы результаты аналитических и экспериментальных исследований. Расчёты теплового состояния осуществлялись с помощью эквивалентных тепловых схем замещения (ЭТС) электрических машин [1]. В двигателе с фазным ротором МТН111-6 были выделены следующие восемь узлов машины: 1 - пазовая часть обмотки статора; 2 - пазовая часть обмотки ротора; 3 - пакет статора; 4 - пакет ротора; 5 - лобовая часть обмотки статора; 6 - лобовая часть обмотки ротора; 7 - внутренний воздух; 8 - корпус. В короткозамкнутом АД АИУМ225М4 выделены следующие узлы: 1 - пазовая часть обмотки статора; 2 -лобовая часть обмотки статора; 3 - ротор; 4 - зубцы железа статора; 5 - корпус

статора над пакетом; 6 - корпус статора над лобовыми частями; 7 - внутренний воздух.

Система дифференциальных уравнений в матричном виде, полученная с помощью ЭТС, описывающих тепловые процессы при нагреве в узлах АД, имеет вид

С—+ Л0 = Р.

¿и

Здесь 0=(01, ....Эв)1 - вектор-столбец превышения температур соответствующих узлов над температурой окружающей среды 00; Л=(^) - матрица теплопроводностей ЭТС АД; С=(С|, ...,С8)Т - вектор-столбец теплоёмкостей узлов двигателей; Р=(Рь  • • ,Ря)Т - вектор потерь мощностей в узлах АД.

Расчёт температур в установившемся состоянии также осуществляется с

(16;

помощью (1). При этом принимается во внимание, что —^0. При неподвижен

ном роторе, в режиме охлаждения АД изменяются величины элементов матрицы теплопроводностей Л, а элементы вектора потерь равны 0 (Р=0).

Пассивные параметры модели (теплоёмкости С, и теплопроводности ) неизменны для всех двигателей одного типоразмера. Кроме того, теплопроводности зависят от режима охлаждения. В общем случае разделяют на переменные Рпер (в обмотках статора и ротора), постоянные Рпост и добавочные Рдоб • Их

величины определяются значениями нагрузки, напряжения сети и др. Эти потери могут рассчитываться аналитически [2] или по результатам экспериментальных исследований.

Результаты экспериментальных исследований позволяют ввести коррективы в расчёт пассивных параметров ЭТС, а также распределений потерь в узлах АД, что даёт возможность повысить точность расчётов.

В табл. 1,2 приведены расчётные значения установившихся температур в узлах АД МТН 111-6, АИУМ225М4 при различных коэффициентах нагрузки Р й напряжениях ин> 0.8ин.

Таблица 1

№ узла Установившиеся температуры 0«* узлов АДМТН111-6

(5=1.4 (5=1.2 Р=1 3=0.9 0=0.8 Р=0.6 Р=0.4

0.8ин ин 0.8ин Цц 0.8ин и„ 0.81)„ ин 0.8ин ин ш;н ин Ь.81!н

1 149 234 122 162 98 112 87 96 83 82 70 57 61 41

2 182 302 142 204 102 136 92 115 85 96 67 62 54 41

3 117 182 96 127 77 88 69 76 65 65 56 46 49 33

4 172 289 135 196 99 130 89 111 82 92 66 60 53 40

5 177 285 143 196 114 134 101 115 95 97 80 66 68 46

6 182 293 142 198 102 132 92 112 86 93 68 61 55 40

7 162 280 128 190 96 127 86 108 81 90 66 59 54 40

8 85 136 169 94 55 64 49 55 47 47 39 33 34 23

Из табл. 1 следует, что при номинальном напряжении и р = 1 наибольшие температуры в АД с фазным ротором имеют место в лобовой части обмотки ста-

тора. При возрастании нагрузки степень увеличения температуры в узлах ротора больше чем статора. Снижение напряжения приводит к повышению температур при всех значениях коэффициентов нагрузки. Минимальные температуры в узлах АД имеют место при (0.9-1)ин. А из табл. 2 следует, что наибольшие тепловые нагрузки в короткозамкнутом АД испытывает ротор. Степень роста температур в роторе при возрастании нагрузки и уменьшении входного напряжения также чуть выше.

При номинальном входном напряжении и номинальной нагрузке температура лобовой части обмотки статора АД МТН111-6 составляет 114°С, при снижении входного напряжения на 10% температура увеличивается на 3% и составляет 118°С, при уменьшении входного напряжения до 0.8ин температура увеличивается на 18% и составляет 134°С.

Температура лобовой части обмотки статора при номинальном входном напряжении и номинальной нагрузке АД АИУМ225М4 составляет 110°С, при снижении входного напряжения степень роста температуры в этом узле выше, чем в двигателе с фазным ротором. При снижении напряжения на 20% температура увеличивается на 55% и составляет 183°С.

Таблица 2

№ уз- ла Установившиеся температуры 0УСТ узлов АДАИУМ225М4

(3 = 1-5 Р = 1.3 Р = 1.1 II СО. Р = 0.8 р = 0.6 Р = 0.2

ин 0.8ин ин 0.8ин ин 0.8ин и„ 0.8ин ин 0.8ин ин 0.81!н ин 0.8ин

1 204 523 151 275 110 176 94 139 66 88 48 54 24 17

2 245 639 180 334 129 213 110 167 76 105 53 62 23 18

3 268 715 195 370 139 234 118 183 80 114 54 66 22 17

4 175 444 130 233 95 150 82 119 59 76 43 47 23 16

5 ИЗ 286 83 150 61 97 53 77 38 49 28 30 15 10

6 29 76 21 40 15 25 13 20 9 13 6 8 3 2

7 219 575 160 299 115 191 97 150 67 94 46 55 20 15

Температура пазовой части обмотки ротора в двигателе МТН111-6 при номинальном входном напряжении равна 107°С. При и=0.9ин температура увеличивается на 6.5% и составляет 117°С, при уменьшении входного напряжения до 0.8ин температура пазовой части обмотки ротора увеличивается на 25% и составляет 136°С, что уже выше температуры лобовой части обмотки статора при соответствующем входном напряжении. Анализируя значения установившихся температур для двигателя с фазным ротором, можно сделать следующий вывод: понижение входного напряжения на 10% приводит к незначительному росту (в пределах 3-9%) температур в узлах. Однако дальнейшее уменьшение входного напряжения приводит к большему увеличению температур (особенно температур в роторе и температуры внутреннего воздуха) на 23-28%, что приводит к перераспределению поля температур АД. Так, при номинальном режиме наиболее нагретой частью АД является лобовая часть обмотки статора. При понижении входного напряжения на 20% наиболее нагретой частью двигателя становится пазовая часть

обмотки ротора. Температура статора при этом в среднем возрастает на 14%, а температура ротора - на 25-26%.

Температура пазовой части обмотки статора в двигателе АИУМ225М4 при номинальном входном напряжении равна 94°С. При снижении напряжения на 20% температура возрастает на 48% и составляет 139°С. Анализируя значения установившихся температур короткозамкнутого двигателя, можно сделать следующий вывод: при понижении входного напряжения на 20% температуры в статоре и роторе увеличиваются значительно (при номинальной нагрузке в среднем более чем на 50%, при р = 1.3 - на 85 - 90%). Температура в узлах короткозамкнутого двигателя растёт быстрее, чем в узлах двигателя с фазным ротором.

По результатам расчётов были построены зависимости 0;(р) при различных входных напряжениях. Эти зависимости (в относительных единицах) с высокой степенью точности могут быть аппроксимированы с помощью полинома четвёртой степени 0; = ао + а}Р + а2Р2 + а3р3 + а4р4. Получив коэффициенты аппроксимирующих зависимостей 0;(р), определим, как должна изменяться нагрузка при изменении напряжения, чтобы температура соответствующего узла оставалась неизменной. Наиболее характерными узлами АД МТН111-6 являются пазовая часть обмотки ротора и лобовая часть обмотки статора. В табл. 3 приведены значения необходимых коэффициентов нагрузки, соответствующие входным напряжениям при условии постоянства температур в пазовой части обмотки ротора и лобовой части обмотки статора.

Таблица 3

и=0-8ин и=0.9ин и=ин и=1.Шн

Коэффициент нагрузки Р 05 = сопв! 0.897 0.986 1 0.832

02 = сопв1 0.867 0.972 1 0.992

При снижении и повышении входного напряжения необходимо снижать нагрузку во избежание перегрева отдельных узлов двигателя МТН111-6. При снижении входного напряжения на 10% можно снизить нагрузку на 2.8%, при этом температура в роторе не изменится, а температура в статоре уменьшится на 2%, а можно снизить нагрузку на 1.4%, при этом температура в статоре останется номинальной, а температура в роторе увеличится на 2.5% . Снижение входного напряжения на 10% приводит к небольшому увеличению температур и легко компенсируется небольшим снижением нагрузки. При снижении входного напряжения на 20% можно снизить нагрузку на 10.3%, при этом температура АД в статоре не изменится, а температура в роторе возрастёт на 6%. Если снизить нагрузку на 13.3%, то температура в роторе не изменится, а температура в статоре даже уменьшится на 16%. При понижении входного напряжения на 20% уменьшением нагрузки (на 10-13%) можно добиться постоянства температуры в узлах АД.

В короткозамкнутом двигателе АИУМ225М4 наиболее существенное влияние на тепловое состояние обмоток оказывает температура в статоре. В табл.

4 приведены значения необходимых коэффициентов нагрузки, соответствующие входным напряжениям при условии постоянства температур в пазовой и лобовой частях обмотки статора.

В короткозамкнутом АД при падении напряжения для постоянства температур статора также нужно снижать нагрузку. При снижении входного Напряжения на 10% можно снизить нагрузку на 10%, при этом температура в статоре практически не изменится, При снижении входного напряжения на 20% можно снизить нагрузку на 18% при этом температура АД в статоре останется постоянной. Повышение входного напряжения в короткозамкнутом АД не приводит к росту температур в обмотках статора.

Таблица 4

U=0.8UH U=0.9UH U=UH U=1.1UH

Коэффициент нагрузки ß ö] = const 0.822 0.9 1 1.03

02 = const 0.818 0.9 1 1.05

Приведенные выше результаты исследований позволяют сделать вывод о значительном влиянии напряжения сети на тепловые характеристики АД. При понижении напряжения сети имеет место существенное увеличение тепловых нагрузок.

ЛИТЕРАТУРА

1. Счастливый Г. Г. Нагревание закрытых асинхронных электродвигателей. Киев, Науко-ва думка, 1966, 196с.

2. Федоров М. М., Алексеев Е. Р., Горелов М. В. Пусковые и рабочие характеристики асинхронных двигателей при различных напряжениях сети. Труды Донецкого государственного технического университета, серия '‘Электротехника и энергетика”, выпуск 4. Донецк, 1999, С. 123 -126.

УДК 620.179.16

A.B. Попов, В.В. Петрянин

ОЦЕНКА ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ КОНСТРУКЦИЙ ПО ДАННЫМ АКУСТИКО - ЭМИССИОННОГО КОНТРОЛЯ

В настоящее время метод акустической эмиссии (АЭ) получает всё большее развитие как средство оценки технического состояния силовых элементов конструкций ответственного назначения. Однако в организации проведении контроля и оценке его результатов существует ряд проблем: затруднена метрологическая аттестация приёмных преобразователей сигналов; регистрация сигналов существующими приёмными преобразователями осуществляется в ограниченной