Теплостійкість ізоляції та механізми впливу теплових процесів на її стан

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти і науки, молоді та спорту України

Дніпропетровський національний університет залізничного транспорту імені академіка В. Лазаряна

Кафедра ЕТЕМ

Реферат

«Теплостійкість ізоляції та механізми впливу теплових процесів на її стан»

Виконала:

студентка 254-М групи

Салямон Євгенія Романівна

Викладач:

Михаліченко П. Є.

Дніпропетровськ 2014

Зміст

1. Теплостійкість ізоляції та механізми впливу теплових процесів на її стан

2. Нагрівостійкість ізоляції. Перегрів і його визначення

3. Теорія нагрівання однорідного твердого тіла та умови її застосування до тягових електричним машинам

Список використаних джерел

1. Теплостійкість ізоляції та механізми впливу теплових процесів на її стан

У процесі роботи електричних машин в окремих її вузлах втрачається електрична енергія яка перетворюється в тепло. Це тепло виділяється головним чином у міді обмоток і стали сердечників якоря і полюсів і якірних підшипників. Температура нагріву цих вузлів в чому визначає термін їх служби. Так, довговічність ( в роках) від температури ізоляції класу А по Монтзінгеру описується рівнянням . Звідси видно , що перевищення допустимої температури ізоляції на 8 °С знижує термін її служби приблизно в 2 рази. Аналогічні залежності справедливі і для ізоляції класів В і Н.

Основною причиною виходу з ладу ізоляційних матеріалів є їх теплове старіння, що відбувається під дією робочих температур і супроводжується погіршенням механічних властивостей ізоляції. Теплове старіння ізоляції пов'язано з полімеризацією , усиханням і звітрювання деяких її компонентів, що викликає появу в ній мікротріщин і пор. На інтенсивність старіння ізоляції справляють істотний вплив значення і тривалість дії робочих температур, межі і частота зміни температур , напруженість електричного поля, вологість, механічні та хімічні впливи і т. д.

Нагревостойкость компонентів, що входять до складу ізоляції, визначає її клас, який позначається літерами А, В, Е, Р і Н. При цьому для тягових двигунів ізоляція класу А не застосовується у зв'язку з низькою її нагревостойкостью (табл. 1).

На підставі даних табл. 1 в тягових двигунах в основному застосовують ізоляцію класів В, Р і Н.

Старіння ізоляції визначається абсолютною температурою її нагрівання. Віддача тепла з нагрітих поверхонь вузлів машини залежить від різниці температур цих поверхонь і охолоджуючого повітря . Отже, температура нагрівання вузлів машини за інших однакових умов залежить від температури охолоджуючого повітря . Тому ГОСТ 2582-81 нормує гранично допустимі перевищення температур частин тягових електричних машин ізольованих матеріалами різних класів нагрівостійкості (див. табл. 1 ), над температурою охолоджуючого повітря в експлуатації при температурі охолоджуючого повітря , що не перевищує +40 ° С.

Таблиця 1

* Дані в чисельнику відповідають тривалому режиму, в знаменнику - часовому і короткочасним режимам. Інші дані відповідають всім режимам роботи машини..

При розрахунку терміну служби ізоляції за умовну температуру навколишнього середовища приймають +25 ° С.

Перевищення температури неізольованих короткозамкнутих обмоток не повинно досягати значень, які можуть викликати пошкодження ізоляції суміжних пристроїв.

2. Нагрівостійкість ізоляції. Перегрів і його визначення

Будь-яка електрична машина призначена для енергоперетворювальних цілей, які супроводжуються появою електромагнітного моменту, що є результатом взаємодії магнітного поля індуктора зі струмом якоря. Таким чином, електрична машина теоретично повинна являти собою поєднання двох типів матеріалів: магніто- і струмопровідних.

Однак для їх розділення потрібен третій матеріал - електрична ізоляція. Під впливом температури зі спливанням часу вона втрачає свої електроізоляційні та механічні властивості: ізоляція старіє, що призводить до її електричного пробою і відмови машини. Електрична ізоляція займає те місце, яке могли б займати магніто- або струмопровідні матеріали. Усе це разом дозволяє говорити про електричну ізоляцію як про «шкідливий» елемент, обійтися без якого неможливо. Тому природно вимагати від ізоляції працювати при допустимій для неї температурі економічно доцільний до ремонту термін. Ця властивість ізоляції визначається її нагрівостійкістю, яка обмежує зростання потужності тягової машини.

Хоча старіння ізоляції виникає під впливом абсолютної температури, у практиці оперують величиною перегріву, який являє собою перевищення температури машини над температурою навколишнього середовища. Використання цього терміна прийняте для того, щоб виділити ту частину температури нагрівання елемента при різній температурі навколишнього середовища, яка обумовлена втратами в ньому самому, а також тим, що інтенсивність тепловіддачі визначається перегрівом елемента (збільшується разом з ним).

Більш високий допустимий перегрів нерухомих обмоток (обмотки полюсів, статора) пояснюється тим, що під час руху ці обмотки охолоджуються не тільки повітрям всередині машини, але обдуваються ще зовні природним шляхом.

У разі перевищення допустимих температур час роботи ізоляції без ушкоджень різко зменшується за складним логарифмічним законом, який для класу В, наприклад, може бути записаний запропонованою авторами емпіричною формулою (тут довговічність Т визначається роками, а і - вимірюється в градусах за Цельсієм). При і = 120 °С - Т > 16 років, але при підвищенні температури всього на 20 °С, тобто t = 140 °С, строк служби ізоляції зменшується в 6 разів, а при t = 180 °С час роботи ізоляції буде менше одного місяця. Для інших класів ізоляції принцип залежності довговічності від температури залишається тим же, наприклад, для класу Р можливо використати формулу .

Згідно з ГОСТ 2582-81, якщо під час випробувань тягової машини температура навколишнього середовища +10°С+40°С, то поправка в виміряний перегрів не вноситься, тобто +40 °С є граничною. Якщо ж +40 °С, то, щоб уникнути недопустимих перегрівів, навантаження машини знижується. Таким чином, абсолютна температура нагрітого елемента машини

а перегрів (2.1)

Температуру різних частин машин і трансформаторів можна визначати:

· термометром;

· методом опору, що базується на зміні опору провідника при зміні температури;

· термоіндикаторами.

Термометром вимірюють температуру колектора, термоіндикатори (термопари) вмонтовують у приховані частини машини і використовують в основному з дослідною метою.

В умовах експлуатації найбільшого застосування набув метод опору, недоліком якого є те, що він дозволяє визначити середню температуру провідника або обмотки. Для тягових машин ГОСТ 2582-81 приписує опір обмоток ненагрітої машини r20 приводити до 20 °С. Тоді при будь-яких температурах в холодному і гарячому станах опори дорівнюють відповідно

(2.2)

(2.3)

де - температурний коефіцієнт матеріалу провідника, що відповідає збільшенню його опору при підвищенні температури на 1 °С; для міді = 1/250, а для алюмінію 1/260

Розділивши (2.3) на (2.2), після перетворення одержимо (для міді)

(2.4)

Розв'язок рівняння (2.4) може бути недостатньо точним через близькість значень і . Точність можна підвищити, якщо до чисельника правої частини (2.4) додати і відняти від нього , тоді

(2.5)

Отже згідно з (2.1) перегрів

(2.6)

Якщо опір обмотки в холодному стані прийняти його значення, приведене до 20 °С, то

(2.7)

При використанні формул (2.4) -- (2.7) для алюмінієвих обмоток слід підставляти 240 замість 230 і 260 замість 250.

Тепловий процес в електричній машині має складний характер, який не завжди можна точно врахувати. Наприклад, обмотки якоря і полюсів взаємно підігрівають одна одну; допустиме за ГОСТ 2582-81 розкидання значень °С. також вносить свої поправки. Ці фактори при визначенні перегріву запропонував ураховувати О. О. Некрасов виконавши ряд експериментів і показавши, що коефіцієнт, який враховує, яку частину перегріву даної обмотки становить вплив інших нагрітих вузлів машини, може бути прийнятим для якоря або статора асинхронного двигуна. а для обмотки полюсів . Температурний коефіцієнт для мідних обмоток пропонується визначати для цього випадку за формулою

(2.8)

де - перегрів, заміряний при випробуваннях. Перегрів в нових умовах роботи

(2.9)

де - зміна температури охолоджуючого повітря.

Оцінимо це явище на такому прикладі. Будемо вважати, що вимір перегріву обмотки якоря виконувався при = +10 °С. Як же зміниться перегрів для ізоляції класу Н, якщо температура охолоджуючого повітря = +40 °С, тобто при °С. Приймемо =160 °С і , тоді за (2.8) . Новий перегрів за (2.9) буде, °С,

тобто зміна температури дорівнює °С

Виконавши такі ж розрахунки для обмоток полюсів при °С і, одержимо

З цих розрахунків виходить, що при випробуваннях тягових машин на стенді, наприклад при кваліфікаційних випробуваннях, при °С треба зробити висновок про необхідність запасу по перегрів, на 10…20 °С окрім звичайного технологічного запасу. Останній необхідний у зв'язку з можливими розкиданнями в технологічному процесі при виготовленні машини. Тільки з урахуванням цих обставин тягові машини будуть задовольняти вимога щодо перегріву ГОСТ 2582 81, якщо, наприклад, приймально-здавальні випробування виконуються при температурі навколишнього середовища +40°.

3. Теорія нагрівання однорідного твердого тіла та умови її застосування до тягових електричним машинам

Для розрахунку нагрівання тягових двигунів широко застосовують методи, засновані на теорії нагрівання однорідного твердого тіла. При цьому частини машини вважають однорідним тілом, всі точки якого мають однакову температуру і з кожної одиниці поверхні розсіюється одна і та ж кількість тепла. Отже, однорідне тіло має нескінченно велику теплопровідністю.

Перш ніж говорити про процесі нагрівання , розглянемо деякі теплотехнічні терміни.

Загальна теплоємність тіла С = cm - це кількість теплоти , необхідної для його нагрівання на 1 °С. Величина С залежить від маси тіла m, кг, і його питомої теплоємності с, Вт с / (°С кг).

Загальна тепловіддача тіла -- кількість теплової енергії, що віддається за одиницю часу зі всієї поверхні тіла в навколишнє середовище при різниці температур тіла і навколишнього середовища, 1 °С. Величина В залежить від коефіцієнта тепловіддачі а , Вт/м2 , і поверхні тіла S, м2. Коефіцієнт тепловіддачі а - це кількість теплової енергії (теплового потоку), що віддається випромінюванням і конвекцією за одиницю часу з одиниці поверхні тіла при різниці температур тіла і навколишнього середовища, 1 °С.

Нехай у тілі, що має на початку процесу температуру навколишнього середовища, за кожну одиницю часу виділяється теплова енергія , Вт, а за час - рівна . Частина цієї енергії витрачається на нагрівання тіла, а інша частина розсіюється в навколишнє середовище. Якщо за час температура тіла підвищилася на величину , то на його нагрівання витрачена теплова енергія і розсіяна в навколишнє середовище теплова енергія . Отже, теплова енергія, що виділилася в тілі, дорівнює сумі енергій, витраченої на нагрівання тіла і розсіяної в навколишнє середовище. Звідси рівняння нагрівання тіла (рівняння теплового балансу)

(3.1)

У начальний момент нагрівання, коли різниця температур тіла і навколишнього середовища дорівнює нулю (), все тепло, що виділяється в тілі витрачається на його нагрівання. У міру нагрівання різниця температур і тепловий потік, який розсіюється в навколишнє середовище, збільшуються. При через деякий час все тепло, яке виділяється буде розсіюватися в навколишнє середовище. Настане усталений тепловий режим, коли подальше підвищення температури тіла припиниться і . У даному режимі і рівняння нагрівання прийме вигляд

(3.2)

звідки усталене підвищення температури тіла

(3.3)

Підставивши в рівняння (3.1) значення з рівняння (3.2) отримаємо

(3.4)

Розділивши праву і ліву частини рівняння на спільну тепловіддачу і позначивши , отримаємо

(3.5)

Величину Т називають постійної часу нагрівання або теплової постійної часу. Вона являє собою час, за який перевищення температури тіла над температурою навколишнього його середовища досягне значення при тепловому потоці, що виділяється в тілі і відсутності віддачі тепла в навколишнє середовище.

Розділимо змінні в рівнянні (3.5) і після інтегрування отримаємо

(3.6)

Рис. 1 Криві нагрівання та охолодження однорідного твердого тіла

Постійну інтегрування N знаходять з початкових умов.

Коли на початку процесу нагрівання () тіло мало початкове перевищення температури , тобто .

Тоді рівняння (3.6) матиме вигляд

(3.7)

(3.8)

Рівняння (3.8) можна записати у вигляді

звідки можна отримати залежність перевищення температури тіла над температурою навколишнього середовища в часі

(3.9)

Отримане рівняння справедливо для постійного теплового потоку, так як , і його можна записати у вигляді

(3.10)

На рис. 1 наведені криві нагрівання однорідного твердого тіла при виділяє в ньому постійному тепловому потоці . Крива 1 відповідає початковому перевищенню , крива 2 - початкового перевищення температури . Якщо , рівняння (3.9) приймає вигляд

(3.11)

При тривалому нагріванні тіла з усталене перевищення в будь-якому з вказаних випадків буде однаковим, незалежно від значення . Практично вважають, що при перевищення температури тіла досягне усталеного значення .

Пряма лінія 3, що є дотичною до кривої нагрівання 1 в точці, відповідної початку координат, характеризує зміну температури тіла в часі при тому ж і повній відсутності віддачі тепла в навколишнє середовище.

З припиненням виділення теплової енергії () тіло буде охолоджуватися (крива 4), поки його усталене перевищення температури над температурою навколишнього середовища не стане рівним нулю. В цьому випадку залежність перевищення температури тіла від часу отримає вигляд

(3.12)

Тут замість приймає значення , досягнуте до моменту припинення виділення тіла.

Характер кривих нагрівання однорідного твердого тіла багато в чому визначається способом його охолодження (штучне охолодження тіла обдуванням у вільному просторі або вентиляцією в обмеженому просторі). Це визначається тим, що коефіцієнт тепловіддачі залежить від швидкості руху повітря по охолоджуваним поверхням.

Дану залежність наближено можна записати у вигляді

(3.13)

де -- коефіцієнт тепловіддачі з необдуваемої поверхні (спокійна середа);

-- коефіцієнт врахування умов обдування поверхні тіла;

-- швидкість руху повітря відносно охолоджуваних поверхонь.

Якщо здійснюється вентиляція тіла в обмеженому просторі ( рис. 2, а), коефіцієнт тепловіддачі з його поверхонь зростає. Однак охолоджуючий повітря, що проходить над нагрітою поверхнею тіла, нагрівається від температури до (рис. 2, б) і інтенсивність його охолоджуючого дії знижується в міру руху вздовж цієї поверхні. Тому перевищення температури тіла над температурою вентиляційного повітря на початку () і в кінці () шляхи різні. При відомому середньому значенні цього перевищення температури можна записати перевищення температури тіла над температурою навколишнього повітря :

(3.14)

Рис. 2 Схема вентиляції твердого тіла в обмеженому просторі (а) і зміна температури охолоджуючого повітря (б)

Рис. 3. Криві нагрівання твердого тіла при різних умовах охолодження:

1 -- однаковий тепловий потік в спокійному середовищі;

2 -- вентиляція в обмеженому просторі;

3 -- обдув у вільному просторі.

Криві, наведені на рис. 3, показують, що встановилися перевищення температур при обдуві тіла і при вентиляції нижче, ніж при його нагріванні в спокійній середовищі внаслідок зростання коефіцієнта тепловіддачі .

Тягові електричні машини за своєю структурою неоднорідні (ізоляція, мідь, сталь і т. д.), виділення тепла в об'ємі двигуна нерівномірно, умови відведення тепла від окремих елементів машини різні. Тому процес нагрівання частин машини проходить у більш складних умовах, ніж нагрівання однорідного твердого тіла. Але при деяких обґрунтованих припущеннях і уточнених, що враховують реальні умови нагрівання, можна використовувати основні рівняння теорії нагрівання однорідного твердого тіла для розрахунку нагрівання окремих частин машини. Наприклад , для розрахунку нагрівання обмоток тягових двигунів можна використовувати рівняння (3.9) за умови , що їх теплові параметри Т і встановлюються як еквівалентні в тепловому відношенні величини по досвідченим даним. Рівняння (3.3) використовують для розрахунку усталених перевищень температур обмоток і колекторів машини при тривалому режимі їх роботи. У цьому випадку тепловий потік, що виділяється в окремих частинах машини, знаходять як потужність втрат в них, а тепловіддачі з їх поверхонь розраховують за коефіцієнтами тепловіддачі і фактичними розмірами поверхонь.

Список використаних джерел

1. Захарченко Д. Д. Подвижной состав электрических железных дорог. Тяговые электромашины и трансформаторы / Д. Д. Захарченко, Н. А. Ротанов, Е. В. Горчаков. - М.: Транспорт, 1968. - 295 с.

2. Захарченко Д. Д. Тяговые электрические машины: учебн. для вузов ж.-д. трансп. / Д. Д. Захарченко, Н. А. Ротанов. - М.: Транспорт, 1991. - 343 с.

3. Безрученко В. Н. Электрические машины / В. Н. Безрученко, А. С. Хотян. - К.: Вища школа, 1987. - 215 с.

4. Вольдек В. И. Электрические машины / В. И. Вольдек. - М.: Высш. шк., 1974. - 832 с.

5. Копылов И. П. Электрические машины / И. П. Копылов. ? М.: Транспорт, 1986 ? 326 с.

Размещено на Allbest.ru