Ііі. Методичні вказівки

ЛАБОРАТОРНО — ПРАКТИЧНА № 4

ДОСЛІДЖЕННЯ ТЕПЛОВИХ РЕЖИМІВ ЕЛЕКТРОДВИГУНА.

І. МЕТА РОБОТИ:

Закріпити теоретичні та отримати практичні навики по дослідженню процесу нагрівання електродвигуна і вивчити способи знаходження його сталої температури і постійної часу нагрівання.

П. ЗАДАЧІ ДОСЛІДЖЕНЬ

1. Експериментально одержати і побудувати криву нагрівання електродвигуна при тривалому номінальному навантаженні на його валу.

2. Визначити графічним і аналітичним методами постійну часу нагрівання електродвигуна.

3. Перерахувати номінальну потужність електродвигуна з урахуванням температури навколишнього середовища.

ІІІ. МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ

Правильний вибір потужності електродвигунів має велике народногосподарське значення, який в багатьох випадках визначає початкові витрати і вартість експлуатаційних затрат в електроприводах. Застосування електродвигунів недостатньої потужності може привести до порушення нормальної роботи машини, до зниження її продуктивності, виникнення аварій і передчасного виходу з ладу електродвигуна. Використання двигунів перевищеної потужності погіршує економічні показники, веде до їх подорожчання і великим втратам енергії. Потужність електродвигуна вибирається, виходячи з необхідності забезпечити виконання заданої роботи електропривода при додержанні нормального теплового режиму і допустимого механічного перевантаження електродвигуна.

Вирішальну роль у виборі електродвигуна грає допустиме нагрівання його обмоток, тому в переважній більшості випадків вибір потужності двигуна здійснюється по нагріванню, а потім він перевіряється по перевантаженій здібності.

Нагрівання двигуна проходить за рахунок втрат, які виникають при перетворенні електричної енергії в механічну. Номінальні втрати потужності визначаються через номінальну потужність Р_н електродвигуна і його номінальний коефіцієнт корисної дії:

Кількість тепла Q, яке виділено за одиницю часу (Дж/с), чисельно дорівнює втратам потужності, виражених в Ватах. При номінальному режимі:

Кожному навантаженню двигуна відповідають певні втрати, а при усталеному режимі, кінцеві перевищення температури двигуна над температурою навколишнього середовища. Ізоляція обмоточного проводу, із якого зроблена обмотка, розрахована на цілком визначену температуру нагріву Q _доп. Так, для найбільш розповсюджених класів ізоляції А і Е ця температура складає відповідно 105 ^оС і 120 ^оС.

Перевищення допустимої температури веде до різкого зменшення строку служби ізоляції, а звідси, і всієї машини. При цьому треба мати на увазі, що втрати потужності в міді пропорційні квадрату струму (I ²× R); тому навіть невеликі перевантаження приводять до значного перегріву обмоток електродвигуна.

Під час роботи електродвигуна температура його постійно підвищується і якщо б двигун, при цьому не віддавав тепла в навколишнє середовище, вона підвищувалася б до нескінченності. Проте за рахунок тепловіддачі в навколишнє середовище, яка збільшується з підвищенням різниці температури між двигуном і навколишнім середовищем, нагрів двигуна сповільнюється.

При деякій температурі нагрівання наступає усталена рівновага, при якій кількість тепла виділена в двигуні, становиться рівною кількості тепла, яке віддається двигуном в навколишнє середовище. Температура двигуна досягає усталеного значення.

Рівняння теплового балансу має наступний вигляд:

де Q - кількість тепла, яке виділене в двигуні за одиницю часу, Дж/с;

Q dt - кількість тепла, яке виділене в двигуні за нескінченно малий проміжок часу dt, Дж;

А - тепловіддача двигуна, тобто кількість тепла, яке виділяється двигуном в навколишнє середовище за одиницю часу при різниці температур між двигуном і навколишнім середовищем, рівній 1⁰С, Дж/с.град.;

Аt - кількість тепла, яке виділяється електродвигуном в навколишнє середовище за одиницю часу при різниці температур між двигуном і навколишнім середовищем, рівною t ⁰С, Дж/с;

А×t dt - кількість тепла, яке виділяється двигуном в навколишнє середовище за нескінченно малий проміжок часу dt при різниці температур між двигуном і навколишнім середовищем, рівною t ⁰С, Дж;

С - теплоємність двигуна, тобто кількість тепла, яка необхідна для підвищення температури двигуна на 1 ⁰С, Дж/град.;

Сdt - кількість тепла, яка необхідна для підвищення температури двигуна на нескінченно малу величину dt, Дж.

Процес нагрівання двигуна характеризується залежністю перевищення температури двигуна над температурою навколишнього середовища у функції часу:

Рішаючи диференційне рівняння (рівняння теплового балансу) отримаємо рівняння нагрівання електродвигуна:

де t_у - усталене значення перевищення температури електродвигуна над температурою навколишнього середовища, град.;

постійна часу нагрівання електродвигуна, с;

t ₀ - початкове перевищення температури електродвигуна над температурою навколишнього середовища, град.

Якщо на початку роботи температура електродвигуна дорівнює температурі навколишнього середовища, то t ₀ = 0 і рівняння нагрівання електродвигуна матиме вигляд:

Графічне побудування цього рівняння дає експоненційну криву, відображену на рис 4.1.

При t = ¥, t = t_у. Отже, t_у - це знячення усталеного перевищення температури над температурою навколишнього середовища, яке досягається через нескінченно великий проміжок часу, коли кількість тепла,яке віділяється в двигуні, стає рівним кількості тепла,яке віддає двигун в навколишнє середовище. Практично вважається, що температура двигуна досягає усталеного значення через проміжок часу t = (4...5) Т_н.

Постійна часу нагрівання Т_н характеризує швидкість нагрівання електродвигуна. Вона чисельно визначає час, протягом якого двигун нагрівся б до усталеної температури, якщо була б відсутня віддача тепла в навколишнє середовище.

Рис. 4.1. Визначення постійної часу нагрівання

IV. ВКАЗІВКИ ДО РОБОТИ.

Дослідження процесу нагрівання електродвигуна проводиться на лабораторній установці, електрична схема якої відображена на рис. 4.2.

Електродвигун підключається до мережі змінного струму автоматичним вимикачем QF 1. Контроль напруги і струму здійснюється відповідно вольтметром V і амперметром А 1.

Для вимірювання температури нагрівання двигуна в одному з пазів статора змонтована хроміль-капельова термопара Т, яка підключена до потенціометра постійного струму ВК.

Момент опору на валу електродвигуна створюється за допомогою генератора постійного струму G, обмотка якоря якого підключена до дротового резистора RР ₁. Номінальне навантаження на валу електродвигуна встановлюється по номінальному струму обмотки статора за допомогою амперметра А 1. Номінальний струм встановлюється шляхом зміни струму в обмотці збудження генератора постійного струму регулюючим реостатом RР ₂. За допомогою цього ж реостату підтримується постійною величина номінального струму електродвигуна М в процесі досліду при зміні, наприклад, напруги, підведеної до обмоток статора двигуна М.

V. ПОРЯДОК ВИКОНАННЯ РОБОТИ

1. Зняти криву нагрівання електродвигуна при тривалому номінальному навантажені на його валу.

2. Після зібрання схеми (рис.4.2.) і перевірки її керівником, робота, дослідження нагрівання електродвигуна виконується в такому порядку:

а) перевіряється правильність роботи мостової схеми вимірювання. Для цього перемикач потенціометра установлюють в положення «К» (контроль) і, за допомогою ручки регулятора струму установлюють стрілку гальванометра ВК на нуль;

б) автоматичним вимикачем QF 1 подається напруга змінного струму на обмотки статора двигуна М - здійснюється його запуск;

в) обмотка якоря генератора постійного струму G вмикається на постійний опір RР 1 по вказівці керівника роботи;

г) за допомогою переміщення движка регулюючого реостата RР 2 в електричному колі обмотки збудження генератора постійного струму по амперметру А 1 встановити номінальний струм електродвигуна;

д) виконати вимірювання температури нагрівання електродвигуна.

Для цього перемикач потенціометра на вимірювальному приладі встановити в положення «И» (вимірювання) і за допомогою ручки «mV» гальванометра ВК встановлюється на нуль. Показання зняті з шкали ручки в ділення «a» переводяться в градуси Цельсія по градуйованій кривій, яка знаходиться на робочому місці. Перше вимірювання температури двигуна q_д проводиться на початку досліду (t = 0) після того, як буде встановлений номінальний струм, який споживається обмотками двигуна. Подальше вимірювання виконується через кожні 5 хвилин на початку досліду (5...6 замірів), коли зростання температури проходить досить швидко і через 10 хвилин до кінця досліду, коли зростання температури двигуна сповільнюється. Дослід закінчується тоді, коли при двох слідуючих замірах температури електродвигуна не відрізняється більше, чим на 1 ⁰С.

Температура навколишнього середовища q_н.с. визначається по термометру, встановленому на робочому місці. Перевищення температури двигуна над температурою навколишнього середовища визначається так:

t = q_д - q_н.с.

Результати вимірювань і підрахувань заносяться в таблицю 4.1.

Таблиця 4.1 – Перевищення температури двигуна над температурою навколишнього середовища.

№ п/п	І	T	a	qд	qн.с.	t	Примітка
од.вим.	А	хв.	MU	0C	oC	0C

2. Графічне визначення встановленого перевищення температури електродвигуна над температурою навколишнього середовища і постійної часу нагрівання електродвигуна

У зв’язку з тим, що дослід закінчується раніше, ніж температура двигуна досягне встановленого значення, яке встановило перевищення температури двигуна над температурою навколишнього середовища визначається графічним методом по дослідній кривій (рис. 4.3). На осі абсцис вибирають кілька рівних проміжків часу, наприклад D t ₁, D t ₂, D t ₃... (не менше трьох) і визначають приріст температури за кожний відрізок часу (відповідно D t ₁, D t ₂, D t ₃...). Вісь абсцис продовжується вліво і на ній відкладаються отримані прирости D t.

Рис. 4.2. – Електрична схема лабораторної установки для дослідження теплового режиму електродвигуна

Для більшої точності визначення t_у масштаб Dt рекомендується збільшувати в «к» разів, тому вліво на вісь ординат відкладаються відрізки: К D t ₁, К D t ₂, К D t ₃...) точки 1¢, 2¢, 3¢...) на перетину прямих 1-1² і 1¢-1² знаходиться точка 1². Аналогічно знаходиться точки 2², 3², 4² і т.д. Побудований графік t = f (К D t) відображає собою пряму лінію, точка перетину якої з віссю ординат і визначає значення встановленого перевищення температури електродвигуна над температурою навколишнього середовища t_у.

Визначення постійної часу нагрівання електродвигуна повинно бути проведено двома методами. В першому випадку постійна часу нагрівання визначається методом дотичних до кривої нагрівання (рис.4.1)

Величина піддотичної, при цьому визначає постійну часу нагрівання Т_н в масштабі часу по осі ординат. Так як дослідна крива нагрівання в початковій її частині (приблизно до 0,5 t_у) відрізняється від теоретичної експоненти, то рекомендується визначити постійну часу нагріва, як середнє арифметичне із значень постійних, знайдених для трьох точок кривої (на початку Т_{н 1} в середині Т_{н 2}, в кінці Т_{н 3} кривої нагрівання рис. 4.1).

В другому випадку постійна часу буде знайдена, якщо на осі ординат відкласти відрізок 0,632× t_у, провести лінію, паралельну осі абсцис до перетину з кривою нагрівання і із точки перетину провести лінію, паралельну осі ординат. Це виникає з наступного. При t = T_н

Величина постійної часу визначається безпосередньо по осі абсцис з урахуванням масштабу часу.

Перелік номінальної потужності електродвигуна з урахуванням температури навколишнього середовища.

Номінальна потужність електродвигуна, яка вказана в паспорті, відповідає його роботі при температурі навколишнього середовища q_н.с = 40 ⁰С. Якщо температура навколишнього середовища відрізняється від стандартної, то електродвигун може віддавати, або більшу (якщо q_н.с. < 40 ⁰С), або меншу (якщо q_{н.с .}> 40 ⁰С) потужності.

Для визначення потужності електродвигуна, яку можна знімати з його вала при даній температурі навколишнього середовища, користуються наступною формулою:

де Р_q - потужність, яку може віддати двигун при даній температурі навколишнього середовища;

Р_н - номінальна потужність електродвигуна

- допустиме перевищення температури двигуна над температурою навколишнього середовища;

q_доп. - найбільш допустима температура нагріву ізоляції обмоток електродвигуна, яка визначається класом ізоляції;

- коефіцієнт, який характеризує відношення постійних втрат незалежних від навантаження (механічні втрати, втрати в сталі) до перемінних втрат, залежних від навантаження(втрати, пропорційні квадрату струму). Для асинхронного двигуна a = 0,5...0,7. Необхідно відмітити,що збільшення потужності, яка знімається з вала двигуна, як правило, може бути здійснено в зимовий час, що дуже часто з’являється необхідним у зв’язку з великим обсягом ремонтних робіт, які проводяться в цей час в майстернях. При переході на більш форсовану роботу електродвигуна, завдяки пониженій температурі навколишнього середовища (в порівнянні із стандартною) необхідно встановити ретельний нагляд за змазуванням і температурою підшипників.

Рис. 4.3 – Визначення усталеної часу нагрівання методом трьох точок

VI. ЗВІТ ПО РОБОТІ ПОВИНЕН МІСТИТИ:

1. Паспортні дані електродвигуна, генератора і вимірювальної апаратури, які використовуються при дослідженні;

2. Електричну схему випробування електродвигуна;

3. Дослідні і розрахункові дані дослідження;

4. Криву нагрівання електродвигуна;

5. Графічне визначення усталеної температури і постійної часу нагрівання електродвигуна;

6. Результати перерахування номінальної потужності електродвигуна на температуру навколишнього середовища, при якій проводилися дослідження;

7. Аналіз отриманих результатів.

VII. КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ

1. На які класи поділяються усі ізолюючі матеріали, які застосовуються в електричних машинах і які найбільш допустимі температури нагрівання?

2. Які класи ізоляції застосовуються в двигунах малої і середньої потужності, які використовуються в сільському господарстві.

3. Запишіть рівняння теплового балансу і дайте визначення усіх складових, які входять в це рівняння.

4. Як визначається усталене значення перевищення температури електродвигуна над температурою навколишнього середовища (по дослідній кривій нагрівання).

5. Від чого залежить постійна часу нагрівання електродвигуна, що вона характеризує, як визначається?

6. Розкажіть, як практично при експериментальних дослідженнях ви визначали температуру нагрівання двигуна (q_д) і перевищення температури двигуна над температурою навколишнього середовища (t).

7. Розкажіть, як ви в процесі досліду, створювали номінальне навантаження на валу двигуна і піддержували його постійним.

8. Визначте постійну нагрівання двигуна по дослідній кривій двома відомими Вам методами.

9. Зробіть визначення потужності, на яку можна навантажити досліджуваний Вами електродвигун при реальній температурі навколишнього середовища.

10. Які втрати енергії мають місце в електродвигунах?

11. Які втрати енергії називаються постійними, які перемінними і від чого вони залежать?