Закон нагревания электрических машин и трансформаторов

Работа электрической машины или трансформатора всегда сопровождается её нагреванием, что является следствием происходящих потерь энергии. Все виды потерь энергии в итоге преобразуются в теплоту, которая частично отдаётся в окружающую среду, а частично идёт на нагревание машины. Для выяснения закона нагревания электрических машин условно считают, что нагрев происходит равномерно по всему объёму машины, а теплота одинаково рассеивается по её поверхности.

Уравнение теплового баланса:

Qdt = Gcdτ + Sλτdt,

где Qdt – количество теплоты, выделяемой в машине за время dt; Q – количество теплоты, выделяемой в машине в единицу времени; Gcdτ – количество теплоты, поглощаемой частями машины и расходуемой на их нагревание; G – масса нагреваемой машины; c – удельная теплоёмкость, т. е. количество теплоты, необходимой для нагревания 1кг данного вещества на 1˚С; τ – превышение температуры машины над температурой окружающей среды; Sλτdt – количество теплоты, рассеиваемое с поверхности машины в окружающую среду; S – площадь поверхности, с которой рассеивается теплота; λ – коэффициент теплового рассеяния, который представляет собой количество теплоты, рассеиваемой с единицы поверхности машины в 1 секунду при повышении температуры на 1˚С.

В начальный период работы машина имеет температуру, практически не отличающуюся от температуры окружающей среды, т. е. τ ≈ 0. В этом случае Sλτdt ≈ 0, а поэтому вся теплота, выделяемая в машине, идёт на повышение температуры её частей. Затем количество теплоты, рассеиваемое в окружающую среду, увеличивается и наконец, через некоторое время машина настолько нагревается, что вся теплота, выделяющаяся в машине, будет рассеиваться в окружающую среду. При этом дальнейшее повышение температуры машины прекратится и наступит режим теплового равновесия, при котором вся теплота, выделяемая в машине, рассеивается с её поверхности в окружающую среду:

Qdt = Sλτустdt,

где τуст – установившаяся температура перегрева машины, т. е. наибольшее возможное превышение температуры машины над температурой окружающей среды θ1 в данных условиях, ˚С;

τуст = θуст - θ1,

где θуст – установившаяся температура нагрева машины, ˚С. И тогда:

τуст = Q/(Sλ),

т. е. установившаяся температура нагрева машины не зависит от массы машины, а определяется количеством теплоты, выделяемой в машине в единицу времени, площадью охлаждаемой поверхности и коэффициентом рассеивания.

Зависимость температуры перегрева машины τ от времени t выражается равенством

τ = τуст × (1 –),

где е = 2,718 – основание натуральных логарифмов; Т – постоянная нагревания, показывающая то время, в течение которого данное тело нагрелось бы до наибольшей установившейся температуры, если бы не было рассеяния тепла. Кривая нагревания τ = f (t) (рис. 68) показывает, что электрическая машина достигает установившейся температуры перегрева лишь по истечении длительного времени. Кривая охлаждения τ = f (t) (рис.) показывает, характер изменения температуры перегрева машины при уменьшении нагрузки. Изложенные законы нагревания и охлаждения электрических машин применимы и для трансформаторов.

Рис. 68. Кривые нагревания (а) и охлаждения (б) электрической машины.

Наиболее чувствительна к перегреву электрическая изоляция обмоток, т. к. под действием высоких температур происходит тепловое старение изоляции, проявляющееся в ухудшении её электрических и механических свойств. Электроизоляционные материалы, применяемые в обмотках электрических машин и трансформаторов, разделяют на пять классов нагревостойкости, отличающиеся друг от друга предельно допустимой температурой нагрева:

Класс изоляции определяет также значение расчётной рабочей температуры при расчёте активного сопротивления обмотки. При расчёте электрической машины или трансформатора следует выбирать удельные нагрузки (плотность тока, магнитная индукция) такими, чтобы превышения температуры частей этой машины или трансформатора были достаточно близки к установленным стандартами предельным значениям. Поэтому основная задача при проектировании электрических машин и трансформаторов – выбор оптимальных соотношений удельных электромагнитных нагрузок, с тем чтобы получить надёжное изделие с высокими технико-экономическими показателями.