Пуск преобразователя возможен как со стороны постоянного, так и пере менного тока. При пуске со стороны постоянного тока преобразователь дово дится до синхронизма и включается в сеть переменного тока. Этот способ воз можен только в тех сравнительно редких случаях, когда имеется соответствую щий источник постоянного тока.
Пуск со стороны переменного тока производится главным образом по способу асинхронного пуска синхронного двигателя.
Регулирование напряжения одноякорного преобразователя возможно лишь в узких пределах, так как между э: д. с. со стороны переменного и постоянного токов существует жесткая зависимость [формула (39-2)]. Регулирование осу ществляется с помощью регулировочных трансформаторов, индукционных регу ляторов, реактивных катушек или специальной добавочной машины, но все эти способы сравнительно малоэффективны, и там, где напряжение необходимо регулировать в широких пределах, предпочтительнее система двигатель — генератор.
Гла в а сороков ая
НАГРЕВАНИЕ И ОХЛАЖДЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН И ТРАНСФОРМАТОРОВ
40-1. Предварительные сведения
Процесс преобразования энергии в электрической машине всегда сопровождается потерями, которые превращаются в тепло. Следова тельно, при работе машины происходит нагревание ее частей, т. е. повышение их температуры над температурой окружающей среды. Чрезмерное повышение температуры прежде всего отражается на изоляции машины, поскольку при этом она теряет свои изолирующие свойства. Под влиянием температуры могут изменяться и механи ческие условия работы той или иной части машины. Так, например, коллектор может потерять свою правильную геометрическую форму, может измениться смазка подшипников и т. д.
Однако отсюда нельзя делать вывод, что нужно строить малонагревающиеся машины. Построить такую машину нетрудно, но при боль шой затрате материалов. В такой машине срок службы изоляции был бы велик, и машина работала бы надежно, но стоимость ее была бы высокой. Наоборот, чем больше допускается рабочая температура частей машины, тем она легче; но ее надежность и срок службы изоляции уменьшаются. Поэтому правильное решение вопроса со стоит в том, чтобы построить машину с высокими электромагнитными нагрузками материалов и в то же время обеспечить достаточную надежность ее работы и необходимый срок службы.
Срок службы изоляции ttіз зависит от качества (класса) изолирую щего материала и от температуры й, при которой он долго работает.
Для изолирующих материалов класса А (§ 40-5) |
зависимость іаз = |
= / (й) определяется эмпирической формулой вида |
Ніз — L/(/ |
0,088-0 |
> |
(40-1) |
f |
— Г р - |
|
|
16 * |
475 |
|
|
|
где С — постоянная, устанавливаемая опытным путем; е — основа ние натуральных логарифмов.
Из этой формулы следует, что повышение температуры на каждые 8° С сокращает время износа изоляции tm вдвое. Если установить по данным практики предельную температуру ^ пр, при которой изоли рующий материал надежно работает приемлемый с эксплуатационной точки зрения отрезок времени (обычно 16—20 лет), то но формуле (40-1) можно определить срок работы этого материала и при другой рабочей температуре. Так, например, хлопчатобумажная изоляция, пропитанная или погруженная в масло, может длительно работать в течение 16—20 лет, находясь при температуре й я« 90° С. Но уже
при |
= 150° С время износа сокращается примерно до 1,5 месяца, |
а при |
= 200° С — до нескольких часов. |
Соответствующие температуры для изолирующих материалов из неорганических веществ: слюда, асбест, стекло и другие, которые сами по себе обладают высокой теплостойкостью, зависят главным образом от свойств лаков, применяемых для пропитки изоляции. Но электроизоляционные лаки обладали относительно низкой тепло стойкостью, соответственно чему рабочая температура изолирующих материалов с пропиткой такими лаками не превышала 130° С.
В1937 г. были предложены теплостойкие лаки, главным образом
всвязи с применением стеклянного волокна для изоляции электри ческих машин и сухих трансформаторов.
Внастоящее время наибольшее значение имеют кремнийорганические соединения различных составов и свойств, известные под об щим названием силиконов. Комбинация стекловолокнистых материа лов с силиконами дала возможность создать новый класс теплостой кой изоляции, которая позволяет эксплуатировать машины при вы сокой рабочей температуре и, кроме того, обладает значительной влагостойкостью.
Произведенные исследования (в некоторых случаях температура испытуемых машин доходила до 400—500° С, причем машины интен-. сивно обливались водой) дают основание считать, что для изолирую
щих материалов этого класса может быть допущена длительная рабо чая температура обмоток Фщ, = 180° С. Такая высокая температура позволяет резко снизить габариты и массу машины.
Но при этом следует иметь в виду, что, например, при больших плотностях тока растут потери в обмотках и, следовательно, к. п. д. машины уменьшается.
Очевидно, что при прочих равных условиях нагревание машины будет тем сильнее, чем хуже охлаждается машина, и наоборот. Поэтому с вопросами срока службы машины неразрывно связаны во просы ее охлаждения, в частности вопросы вентиляции. В последнее время эти вопросы приобрели весьма важное значение, так как при современном развитии электромашиностроения лучшее использование активных материалов машины может дать по электроэнергосистеме в целом значительный народнохозяйственный эффект.
40-2. Теория нагревания твердого тела
Прежде чем приступить к изучению нагревания электрической машины, рассматривают процесс нагревания однородного твердого тела, все точки которого находятся при одной температуре и поверх ность которого способна рассеивать тепло совершенно одинаково. Пусть Q — количество тепла, выделяющееся в теле в единицу времени (в 1 сек). Тогда за время dt в теле выделится Qdt единиц тепла. В об щем случае одна часть этого тепла пойдет на нагревание тела и, следо вательно, будет способствовать повышению его температуры, а дру гая рассеется в окружающую среду, например в воздух.
Предполагается, что за время dt температура тела возросла на <2й. Если G — масса тела и с — его теплоемкость, т. е. количество тепла, необходимое для нагревания единицы массы, например 1 кг данного тела на 1° С, то количество тепла, которое пойдет на нагрева ние тела за время dt,
dQc — Gcdx).
Количество тепла, рассеянное телом в окружающее пространство в 1 сек, зависит, во-первых, от величины рассеивающей поверхности, во-вторых, от способности этой поверхности рассеивать тепло и, в-третьих, от того, насколько превышает температура нагретого тела температуру окружающей среды, или, короче, от перегрева тела. Пусть S — поверхность тела; способность поверхности рассеивать тепло учитывается так называемым коэффициентом рассеяния к, который численно равен количеству тепла, рассеиваемого в единицу времени единицей данной поверхности при превышении темпера туры последней над температурой окружающей среды на 1° С. На конец, пусть температура тела превысила температуру окружающей среды на Ай градусов. Опыт показывает, что количество рассеянного телом тепла в единицу времени можно считать пропорциональным всем трем указанным величинам, т. е. равным Sk\$. Поэтому за время dt количество рассеянного телом тепла dQ}j = SkSüdt.
Следовательно, уравнение нагревания можно написать в следую щем виде:
Q dt = Gcdb + SkАй dt. |
(40-2) |
В первый момент нагревания, когда превышение температуры тела Ай = 0, вся тепловая энергия идет на повышение температуры тела. Но по мере увеличения Ай все большее количество тепла рассеи вается. Если считать, что Q = const, то через некоторое время тело настолько нагреется, что все тепло, выделяющееся в теле, будет рас сеиваться в окружающую среду. В этом случае дальнейшее повыше ние температуры тела прекратится и наступит установившийся теп ловой режим, определяемый наибольшим возможным в данных усло виях конечным превышением температуры Айу. Из формулы (40-2) следует, что при установившемся тепловом режиме
Qdt = АЯАйуdt,
откуда
Таким образом, конечное превышение температуры тела не зави сит ни от массы тела, ни от его теплоемкости; оно определяется только количеством выделяющегося в теле тепла Q, размерами S и свойст вами к теплорассеивающей поверхности.
Подставляя в уравнение (40-2) значение Фу из уравнения (40-3), получают
SkАФу dt = Gcdft + SkАФ dt,
откуда |
dt |
dt |
йф |
А Ф у - Д Ф = |
Gc/(Sk) |
(40-4) |
где |
|
|
Т = Gc/(Sk) |
(40-5) |
или, если вместо Sk подставим его значение из формулы (41-3), то
Из формулы (40-5) видно, что Т — величина постоянная, так как G и S можно считать постоянными, а с и к — практически постоян
|
|
|
|
|
|
|
|
ными. |
Кроме того, GcАФУ есть |
|
количество тепла, |
которое нуж |
|
но |
затратить, чтобы |
нагреть |
|
тело |
до конечной температуры, |
|
а Q представляет сРбой коли |
|
чество |
тепла, |
затрачиваемое |
|
для этого в единицу времени. |
|
Следовательно, Т• определяется |
|
как время, в течение которого |
|
превышение температуры тела, |
Рис. 40-1. Характеристики нагревания |
имеющего |
массу |
G и теплоем- |
и охлаждения тела |
кость с, достигло |
бы ДФУ, если |
|
бы в |
нем |
выделялось |
каждую |
секунду Q единиц тепла без рассеяния его в окружающую среду. На этом основании величину Т называют постоянной времени нагревания.
Чтобы установить закон нагревания тела, в простейшем случае считают, что нагревание тела начинается с так называемого холод ного состояния, т. е. такого, когда в начальный момент нагревания t = 0, температура тела практически не отличается от температуры
окружающей среды, т. е. АФ = 0. Проинтегрировав обе |
части урав |
нения (40-4) и произведя необходимые операции, получают: |
ДФ = АФу(1— е-</т), |
(40-7) |
где е = 2,718 — основание натуральных логарифмов. Таким обра зом, при Q — const превышение температуры тела идет по закону показательной функции. Линия 1, определяемая уравнением (40-7), изображена на рис. 40-1. По оси абсцисс отложено время t, а по оси ординат — превышение температуры тела АФ (в градусах стоградус
