Способ определения средней температуры короткозамкнутой обмотки асинхронного двигателя

Изобретение относится к электромашиностроению. Способ заключается в том, что регистрируют затухающее напряжение статора, индуктированного затухающим полем ротора, при отключении из состояния холостого хода холодной и горячей машины. Определяют постоянные времени Т_{о хол} и Т_{о гор} когда напряжение статора затухает до величины 0,368 начального напряжения U_о перед отключением и затем определяют среднюю температуру короткозамкнутой обмотки для меди по формуле:

,

где t_хол - температура ротора при первом измерении в холодном состоянии, t_охл - температура охлаждающей среды при измерении в горячем состоянии. Технический результат заключается в возможности измерения средней температуры короткозамкнутой обмотки ротора асинхронного двигателя по изменению сопротивления при постоянном токе. 2 ил.

 

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.

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_{o хол} и T_{o гор}, когда напряжение статора затухает до величины 0,368 начального напряжения U_o перед отключением и последующего определения средней температуры короткозамкнутой обмотки ротора по формуле:

где $$\frac{1}{\alpha }=235$$ - температурный коэффициент для меди при температуре 0÷150°C или

$$\frac{1}{\alpha }=250$$ - для алюминия при температуре 0÷150°C,

t_хол - температура ротора при первом измерении в холодном состоянии,

t_охл - температура охлаждающей среды при измерении в горячем состоянии.

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_o затухания напряжения статора при отключении машины из состояния холостого хода:

$$T_o=\frac{X_2}{{\omega }_o{R}_2^{\text{'}}}$$ ,

или с небольшой погрешностью

$$T_o=\frac{X_m}{{\omega }_o{R}_2^{\text{'}}}$$ , $$X_m=X_{12}+x_1+x_2^{\text{'}},$$ но X_m=2÷4 о.е.,

a $$x_1\approx x_2^{\text{'}}\approx \mathrm{0,1}$$ о.е. (базовое сопротивление $$X_{б}=\frac{U_{н}}{I_{н}\sqrt{3}}$$ )

, (2),

т.к. при холостом ходе

Cosφ_o≈0,05÷0,1, a Sinφ_o=0,998÷0,994≈1,

где Х₂ - реактивная сопротивления ротора, $$X_2=X_{12}+x_2^{\text{'}}$$ ,

Х₁₂ - реактивное сопротивление взаимоиндукции,

x₁ и $$x_2^{\text{'}}$$ - реактивное сопротивление рассеяния статора и ротора, приведенное к статору,

X_m - реактивное сопротивление статора,

$$R_2^{\text{'}}$$ - 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.

Измерения при испытаниях производят в следующей последовательности. На холодной машине в режиме холостого хода с напряжением U_o измеряют мощность P_o, ток I_o, напряжение U_o для вычисления реактивного сопротивления X_m, отключают машину от источника питания и регистрируют затухание напряжения статора. По осциллограмме (см. рисунок 1) измеряют постоянную времени T_{o хол} холодной машины как отрезок времени от момента отключения до значения 0,368 U_o. Затем машину нагружают, доводят до установившегося теплового состояния, быстро переводят в режим холостого хода, измеряют величины P_o, I_o, U_o, отключают и регистрируют затухание напряжения статора. По осциллограмме (см. рисунок 2) измеряют постоянную времени Т_{о гор} и вычисляют температуру ротора по формуле (1).

Если по какой-либо причине изменились величины I_o, U_o, т.е. X_m, например, из-за уменьшения воздушного зазора при нагреве машины или изменения напряжения источника питания, в формулу (1) вводят поправку на изменение X_m.

где ΔX_m - разность значений X_m в двух опытах, определенных по (2).

Если после отключения двигатель выбегает, необходимо ввести поправку на величину T_o

где Т_оизм - измеренная постоянная времени, с;

Р_о - мощность, тормозящая машину в момент отключения. В случае холостого хода - это потери в стали и потери механические;

J_o - момент инерции вращающихся частей;

ω₁ - синхронная угловая частота вращения

$${\omega }_1=\frac{\pi \cdot n_o}{30}$$ ,

n_o - 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.

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_m" поправки не понадобилось. Осциллограммы опытов представлены на рисунках 1 и 2, из которых измерено T_{o хол}=0,47 с, Т_{о гор}=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.

Способ определения средней температуры короткозамкнутой обмотки ротора асинхронного двигателя, заключающийся в регистрации затухающего напряжения статора, индуктированного затухающим полем ротора, при отключении из состояния холостого хода холодной и горячей машины, определения постоянных времени Т_{о хол} и Т_{о гор}, когда напряжение статора затухает до величины 0,368 начального напряжения U_о перед отключением и последующего определения средней температуры короткозамкнутой обмотки по формуле:
,
где - температурный коэффициент для меди при температуре 0÷150°C, или
- температурный коэффициент для алюминия при температуре 0÷150°C,
t_хол - температура ротора при первом измерении в холодном состоянии,
t_охл - температура охлаждающей среды при измерении в горячем состоянии.