ТЕПЛОВИЗИОННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ КОНДЕНСАТОРНОГО АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ

CONDENSER ASYNCHRONOUS MOTORS THERMOGRAPHY STUDY

Victor Kharlamov

dr. Sci .Sciences, Head. Chair of electrical machinery and general electrical engineering, professor of the Omsk State Transport University,

Russia, Omsk

Sergey Nayden

graduate student of electrical machinery and general electrical engineering of the Omsk State Transport University,

Russia, Omsk

АННОТАЦИЯ

Целью работы, результаты которой приведены в данной статье, является исследование нагрева конденсаторного асинхронного двигателя при разных режимах. Проведен эксперимент на лабораторной установке, сняты термограммы, построены кривые нагрева обмоток статора, сердечника статора и подшипников. Сделаны выводы о влияние режима работы конденсаторного асинхронного двигателя на его нагрев. Результаты исследования могут быть использованы для дальнейшего изучения тепловых процессов в конденсаторном асинхронном двигателе и для уточнения параметров его математической модели.

ABSTRACT

The aim of the work, which results are presented in this article is to study heating of a capacitor induction motor in different modes. The experiment is held in a laboratory, thermograms are fixed, stator windings, stator core and bearing heating curves are compiled. The conclusions on the influence of capacitor induction motor mode of operation to its heating are presented. The results can be used for further study of thermal processes in a capacitor induction motor, and to clarify the parameters of its mathematical model.

Ключевые слова: конденсаторный асинхронный двигатель; обмотки статора; сердечник статора; подшипники; тепловизор; интенсивность нагрева; термограмма.

Keywords: capacitor induction motor; the stator winding; the stator core; bearings; imager; heating intensity thermogram.

Телевизионное обследование является одним из основных направлений развития системы технической диагностики, которое обеспечивает возможность контроля технического состояния оборудования и сооружений, выявления дефектов на ранней стадии развития, сокращение затрат на техническое обследование и выявление дефекта. Такая диагностика объективна, информативна, экономична и удобна [1].

Тепловые процессы в электрических машинах изучаются уже довольно давно, но с появлением телевизоров открываются новые широкие возможности их изучения [3]. С целью уточнения тепловых процессов в асинхронном двигателе проведены экспериментальные исследования в лаборатории кафедры «Электрические машины и общая электротехника» Омского государственного университета путей сообщения. В качестве объекта исследования взят однофазный конденсаторный электродвигатель КД 180 4/56 РК с классом изоляции «В». Этому способствовала простота и наглядность его конструкции, открытый сердечник статора и хороший обзор лобовых частей обмоток статора.

Для изучения тепловых процессов асинхронного двигателя (АД) работающего в различных режимах изготовлен стенд (рисунок 1,2).

Рисунок 1. Стенд для изучения тепловых процессов АД

Основная рабочая обмотка А испытуемого АД включена непосредственно к источнику питания, а «конденсаторная» обмотка Б через конденсатор С_р.

Рисунок 2. Схема электрическая принципиальная стенда для изучения тепловых процессов АД

Для плавной регулировки нагрузки на валу АД используется машина постоянного тока М с независимым возбуждением, которая работает в режиме генератора на реостатR_x. Изменяя сопротивление R_xили напряжение в цепи обмотки возбуждения, плавно регулируется нагрузка на валу АД и тем самым ток в обмотке статора АД.

Наблюдения проводились с помощью телевизора Testo 875-2.Данные наблюдений обрабатывалась с помощью ПО TestoIRSoft, которое позволяет определять наиболее горячие и холодные точки в выделенной области.

В процессе экспериментальных исследований термограммы снимались с трех ракурсов: спереди (рисунок 3 а), вид сверху (рисунок 3 б) и сзади (рисунок 3 в), Полученные данные позволяют определить температуру сердечника статора, рабочей и «конденсаторной» обмоток статора, а так же температуру подшипников.

Рисунок 3. Термограммы и фото АД снятого с трех ракурсов

Исследование проводилось в следующих режимах:

изменялась нагрузка на валу двигателя, при этом ток статора изменялся в диапазоне от 0,8I_nдо 1,4I_n с шагом 0,2I_n, а емкость рабочего конденсатора оставалось неизменной, и составляла 6мкФ;

 изменялась емкость рабочего конденсатора на 2, 6, 8 и 12 мкФ, при номинальном токе статора равном 1,7 А, к тому же контролировался фазовый сдвиг между токами рабочей и конденсаторной обмоток, который составил 50, 90, 60 и 130 градусов соответственно; в режиме холостого хода (без нагрузки на валу асинхронного двигателя).

Во время эксперимента фиксировалась температура обмоток статора (рабочей и «конденсаторной») на входе и выходе потока охлаждающего воздуха, температура сердечника статора и подшипников. Кривые нагрева представлены на рисунках 4–11.

Из рисунков 4 и 5 можно сделать вывод, что при работе АД в номинальном режиме его обмотки достигают установившейся температуры 80^оС за 40 минут, однако при увеличении нагрузки на 20 % существенно возрастает интенсивность нагрева, и при дальнейшем испытании электродвигателя с данным классом изоляции могло бы произойти ее разрушение. При увеличении нагрузки на 40 % происходит резкое возрастание температуры до опасных пределов, что не дает возможности эксплуатации данной электрической машины при такой нагрузке.

Рисунок 4. График изменения температуры на входе и выходе рабочей обмотки, при изменении тока статора

Рисунок 5. График изменения температуры на входе и выходе «конденсаторной» обмотки, при изменении тока статора

Существенное влияние на нагрев АД оказывает емкость конденсатора С_р, которая для номинального режима нагрузки составляет 6мкФ, и обеспечивает сдвиг фаз между токами обмоток в 90^о. Изменение емкости конденсатора С_р приводит к изменению кругового вращающегося магнитного поля, оно становится эллиптическим, и его обратная составляющая создает тормозящий момент на валу двигателя, при этом увеличиваются потери и интенсивность нагрева обмоток статора [2]. Это подтверждают рисунки 6 и 7, из которых видно, что чем больше отклонение фазового сдвига от номинального, тем быстрее нагреваются обмотки статора. Так же не обеспечивается нужный фазовый сдвиг в режиме холостого хода. Таким образом, неправильно подобранный конденсатор и режим нагрузки не только уменьшает вращающий момент двигателя, но и может вызывать перегрев АД, тем самым сокращать срок его службы.

Рисунок 6. График изменения температуры на входе и выходе рабочей обмотки, при изменении емкости конденсатора С_р

Рисунок 7. График изменения температуры на входе и выходе «конденсаторной» обмотки, при изменении емкости конденсатора С_р

На рисунках 8 и 9 представлены кривые нагрева статора в зависимости от изменения нагрузки и емкости конденсатора С_р соответственно. Нагрев сердечника статора обусловлен потерями на вихревые токи и на перемагничивание сердечника статора, а так же теплообменом со своими обмотками. Причем доля теплообмена достаточно велика, что подтверждается кривыми нагрева в неблагоприятных режимах работы АД.

Кривые нагрева подшипников (рисунок 10 и 11) свидетельствуют, что их основной нагрев происходит за счет механических потерь и основным фактором является частота вращения двигателя.

Рисунок 8. Нагрев сердечника статора при изменении нагрузки

Рисунок 9. Нагрев сердечника статора при изменении емкости конденсатора С_р

Рисунок 10. Нагрев подшипников при изменении нагрузки

Рисунок 11. Нагрев подшипников при изменении емкости конденсатора С_р

Проведенные исследования позволяют сделать выводы о том, что тепловые процессы в конденсаторном асинхронном двигателе зависят от режима его работы и технического состояния, а также о перспективности использования тепловизионных методов диагностики для оценки технического состояния электрических машин данного типа.

Список литературы:

1. Вавилов В.П. Инфракрасная термография и тепловой контроль. – М.: Спектр, 2009.
2. Вольдек А.И. Электрические машины. – М.: Энергия, 1978.
3. Харламов В.В., Шкодун П.К., Хлопцов А.С. Термографические исследования коллекторно-щеточного узла тяговых электродвигателей подвижного состава // Известия Транссиба // № 3 (19), 2014 г., С. 44–50.