CC BY
46
Оригинальная статья / Original article УДК: 621.33.025
DOI: 10.21285/1814-3520-2016-11-194-200
ЛОКАЛЬНЫЙ ПЕРЕГРЕВ ИЗОЛЯЦИИ АСИНХРОННЫХ ВСПОМОГАТЕЛЬНЫХ МАШИН ЭЛЕКТРОВОЗОВ В ПЕРЕХОДНЫХ РЕЖИМАХ РАБОТЫ
© П.Ю. Иванов1, Е.Ю. Дульский2, А.М. Худоногов3
Иркутский государственный университет путей сообщения, Россия, 664074, г. Иркутск, ул. Чернышевского, 15
РЕЗЮМЕ. ЦЕЛЬ. Рассмотреть влияние тепловых импульсов (резких температурных скачков) на нагрев изоляции обмотки статора асинхронной вспомогательной машины (АВМ) в пусковых режимах, вызванных потерями двигателя, возрастающими в момент пуска. МЕТОДЫ. В силу особенностей конструкции изоляции и характера процесса данного вида нагревания его рассмотрение проведено с учетом разнородности среды тела и градиента распространения температуры. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ. В ходе анализа ранее проведенных исследований не было найдено исчерпывающего решения вопроса кратковременных коммутационных температурных перенапряжений. Поэтому авторами статьи дано теоретическое обоснование механизма и значимости тепловых процессов, которые сформулированы как локальные перегревы изоляции АВМ в коммутационных режимах. ВЫВОДЫ. В процессе изменения температуры износ слоев, ближних к месту приложения температуры, имеет более длительный по времени характер, а их температура несколько больше, чем у отдаленных слоев в силу теплоизоляционных свойств материала.
Ключевые слова: надежность, изоляция, асинхронные вспомогательные машины, локальный перегрев.
Формат цитирования: Иванов П.Ю., Дульский Е.Ю., Худоногов А.М. Локальный перегрев изоляции асинхронных вспомогательных машин электровозов в переходных режимах работы // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2016. Т. 20. № 11. С. 194-200. DOI: 10.21285/1814-3520-2016-11-194-200
LOCAL INSULATION OVERHEATING OF ASYNCHRONOUS AUXILIARY MACHINES OF ELECTRIC LOCOMOTIVES IN TRANSIENT OPERATING CONDITIONS P.Yu. Ivanov, E.Yu. Dulskiy, A.M. Khudonogov
Irkutsk State Transport University,
15, Chernyshevsky St., Irkutsk, 664074, Russia.
ABSTRACT. The PURPOSE of the article is to consider the influence of thermal pulses (temperature surges) on the insulation heating of the stator winding of the asynchronous auxiliary machine (AAM) in the start-up mode caused by motor losses rising at the start-up. METHODS. Due to the features if insulation design and the nature of the process of this type of heating, the latter is studied considering the diversity of the body medium, and the temperature propagation gradient. RESULTS AND THEIR DISCUSSION. The analysis of researches carried out earlier did not allow to find a definite solution to the question of short-term switching temperature surges. Therefore, the authors of the article give a theoretical substantiation of the mechanism and importance of thermal processes which are formulated as a local overheating of AAM insulation in switching modes. INCLUSIONS. During temperature changes the wear of layers closest to the place of temperature application is more lasting while their temperature is a little higher than that of the distant layers due to thermal-insulating properties of material.
Keywords: reliability, insulation, auxiliary asynchronous machines, local overheating
For citation: Ivanov P.Yu., Dulskiy E.Yu., Khudonogov A.M. Local insulation overheating of asynchronous auxiliary machines of electric locomotives in transient operating conditions // Proceedings of Irkutsk State Technical University. 2016, vol. 20, no. 11, pp. 194-200. (In Russian) DOI: 10.21285/1814-3520-2016-11-194-200
1
Иванов Павел Юрьевич, кандидат технических наук, ассистент кафедры электроподвижного состава, e-mail: savl.ivanov@mail.ru
Ivanov Pavel, Candidate of technical sciences, Assistant Professor of the Department of Electric Railway Rolling Stock, e-mail: savl.ivanov@mail.ru
2Дульский Евгений Юрьевич, кандидат технических наук, доцент кафедры электроподвижного состава, e-mail: E.Dulskiy@mail.ru
Dulskiy Evgeniy, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Electric Railway Rolling Stock, e-mail: E.Dulskiy@mail.ru
3Худоногов Анатолий Михайлович, доктор технических наук, профессор кафедры электроподвижного состава. Khudonogov Anatoliy, Doctor of technical sciences, Professor of the Department of Electric Railway Rolling Stock.
Введение
Лимитирующим элементом надежности асинхронной машины является ее изоляция, а наиболее сильное разрушающее действие на изоляцию оказывает тепло. В свою очередь основным элементом, лимитирующим перегрев электродвигателя, является изоляция обмоток статора. Очень часто в учебной литературе термины изоляция и диэлектрик отождествляются. В этой связи необходимо привести определение этих терминов из справочных пособий, содержащих отечественные и зарубежные стандартизированные и рекомендованные термины в области электротехники. В соответствии с этими документами диэлектрик определяется как вещество, основным свойством которого является способность поляризоваться в электрическом поле. Изоляция - это материал, обычно диэлектрик, препятствующий прохождению тока проводимости. Термин диэлектрик относится к области теоретических основ курса «Физика диэлектрика». Термин изоляция отражает основные характеристики электрической изоляции и несет в себе прежде всего практическую значимость. Физика диэлектрика и электроизоляционные материалы являются предметами отдельных курсов.
Основы теории нагревания и охлаждения электродвигателя наиболее эффективно можно представлять на базе анализа дифференциального уравнения энергетического баланса для идеального однородного тела. При составлении дифференциального уравнения энергетического баланса применительно к реальному электродвигателю принимают следующие допущения:
- температура охлаждающей среды не изменяется;
- температура и теплоемкость во всех точках электродвигателя одинаковы;
- отдача теплоты в охлаждающую среду пропорциональна превышению температуры электродвигателя.
Для получения уравнения, выражающего зависимость перегрева электродви-
гателя относительно температуры окружающей среды от времени, представим дифференциальное уравнение энергетического баланса:
Qdt = Ardt + Cdr ,
(1)
где 0 - общее количество теплоты, выделенное в электродвигателе в результате безвозвратных потерь за единицу времени (1 с), Дж/с; А - общая теплоотдача электродвигателя, то есть количество теплоты, передаваемое с поверхности электродвигателя в охлаждающую среду за 1 с при разности температур между электродвигателем и охлаждающей средой, равной 1°С, Дж/с°С; С - общая теплоемкость электродвигателя, то есть количество теплоты, необходимое для повышения температуры электродвигателя на 1°С, Дж/°С; т - превышение температуры электродвигателя над температурой охлаждающей среды, °С.
Левая часть уравнения (1) отражает приход теплоты в результате потерь, а правая - расход теплоты. Причем первый член правой части Aтdt отражает количество теплоты, переданное с поверхности электродвигателя в охлаждающую среду, а второй член правой части Cdт отражает количество теплоты, израсходованное на нагревание электродвигателя на величину dт за одно и то же время Интегрируя данное выражение и решая относительно т, получим основное уравнение нагрева двигателя в общем виде:
(
r = r
t Л
1 - e
+ r0e
(2)
где ту = 0 /А - установившееся значение нагрева электродвигателя, °С; С / А = Т - постоянная времени нагрева, с.
Постоянная времени нагрева Т - это время, в течение которого превышение температуры вращающейся электрической машины при ее нагревании с отдачей теплоты в окружающую среду, изме-
няясь от нуля по экспоненциальному закону, достигает значения, равного 0,632 от установившегося.
Графически изменение температуры электродвигателя во времени представляет собой экспонентную кривую.
Локальный перегрев - превышение температуры изоляции над предельно допустимой, в то время как двигатель в целом обладает более низкой температурой.
Нагревание АВМ является постепенным процессом, требующим определенного времени. В состав нагреваемых частей АВМ входит обмотка статора, ее изоляция, стальной пакет сердечника статора, станина, ротор, подшипниковые щиты и другие более мелкие элементы. Однако рассмотрим взаимодействие только медной обмотки статора, ее изоляции и стального сердечника статора, поскольку нас интересует локальный перегрев изоляции, а остальные, не взятые в рассмотрение элементы конструкции, не имеют существенного влияния на исследуемый процесс.
Цель исследования. Из всех разрушающих факторов температура приводит к увеличению скорости старения изоляции [1]. Сокращение заложенного ресурса начинает происходить при превышении предельно допустимой температуры эксплуатации, определяемой согласно классу изоляции. Для класса Н, применяемого на АВМ серий НВА-55, АНЭ-2251.4УХЛ2, предельно допустимая температура составляет 180°С [2]. Тепловые потери, выделяемые в режиме пуска, недостаточны для того, чтобы нагреть двигатель из холодного
Локальные перегревы изо
Материалы и методы исследования. Изоляция в асинхронном двигателе находится между стенками паза стального сердечника статора и медными фазными обмотками. В этих элементах выделяется энергия, которая приводит к нагреву изоляции, так как в процессе пуска в обмотке статора наблюдается многократное возрастание тока, при этом теплопотери в ме-
состояния до температуры, превышающей предельно допустимое значение [3]. Важно заметить, что пиковое значение тока в момент пуска очень велико и приводит к выделению тепловой энергии в медной обмотке, а отвод данной энергии осуществляется через изоляцию, что может вызвать в определенных ее слоях локальный перегрев, ведущий к преждевременному старению, в то время как машина в целом остается холодной. Помимо этого на срок службы изоляции электродвигателя значительное влияние оказывает не только ее нагрев выше предельно допустимых значений температуры, но и в большей степени превышение предельно допустимой скорости нагревания для данного класса нагрево-стойкости.
Чтобы определить скорость нагрева для данного класса изоляции, необходимо продифференцировать уравнение нагрева (2) по времени t и исследовать его на экстремум. В результате наблюдаем, что
Упред.доп , °С/с, (3)
то есть предельно допустимая скорость нагревания изоляции двигателя в процессе его эксплуатации не должна превышать значений, полученных путем деления предельно допустимого превышения температуры для данного класса нагревостойкости на постоянную времени нагревания изоляции электродвигателя.
АВМ в пусковых режимах
ди имеют большее значение в сравнении с потерями в стальном сердечнике [4, 5].
На рис. 1 изображена двухмерная модель, учитывающая расположение элементов статора, имеющих энергетическое взаимодействие, в виде тепловых потоков, обозначенных векторами q.
Рис. 1. Модель тепловых потоков, протекающих в статоре АВМ: 1 - изоляция обмотки статора; 2 - медь; 3 - стальной сердечник; 4 - текстолитовый клин
Fig. 1. Model of AAM stator heat flows: 1 - stator winding insulation; 2 - copper; 3 - steel core; 4 - textolite wedge
1 N Jll 1 Транспорт
^_ UÉÉÉflJ ■ TV 11 Transport
Данная модель упрощенно иллюстрирует тепловые потоки, воздействующие на изоляцию. Нагрев происходит за счет потерь в двигателе, обмотка нагревается по закону Ленца - Джоуля в зависимости от тока и сопротивления, нагрев сердечника статора пропорционален потерям в стали, которые связаны с частотой вращения ротора. Для создания математической модели часто используют схематичное изображение связанных идеализированных упрощенных элементов, однако, анализ зависимости процесса нагрева от кратковременных коммутационных тепловых нагрузок требует визуализации, более близкой по геометрической и физической форме к реальному объекту.
При моделировании процесса теплообмена между изоляцией обмотки и сердечником статора было принято, что по оси, располагающейся вдоль паза (назовем ее г), температура изменяется одинаково, и градиент между подобными изотермами разных плоскостей, перпендикулярных оси г, будет равен нулю. То есть в процессе распространения тепла температура точек
с одинаковыми значениями пространственных координат х и у будет равной:
Уг, гг) = т(хг,Уг, г2) = т(хг, Уг>) ;
gradтz = 0 , (4)
где г\ - координата оси, расположенной вдоль паза, равная любому действительному числу, принадлежащему отрезку, описывающему длину статора.
Пренебрегаем конвективным охлаждением групп крайних листов стали статора и лобовых частей медной обмотки, что несколько облегчает процесс моделирования. Однако в случае необходимости неучтенные условия можно применить.
По сравнению с медью и сталью статора изоляция обмотки обладает небольшой теплоемкостью и массой; наряду с этим толщина изоляционного слоя, от которой зависит величина сопротивления теплопроводности, мала, а его площадь по отношению к толщине много больше. Перечисленные особенности модели делают изоляцию чувствительной к любым термо-
флуктуациям со стороны меди и стали, отсутствие вентиляции внутри паза также делает возможным возникновение зон локального перегрева.
Сечение виткового провода катушек - прямоугольное, это несколько упрощает расчет процесса теплопередачи с точки зрения теории теплообмена. Однако изоляция обмотки статора АВМ является многослойной и разнородной, что делает необходимым учет свойств каждого слоя в отдельности.
Согласно теории тепломассообмена, теплопередачу через плоскую стенку (рис. 2, а) при стационарном тепловом потоке можно описать следующим уравнением:
dJ
дх2
= 0.
(5)
Удельный тепловой поток - количество направленной теплоты, проходящей через сечение, отнесенное к единице площади:
Х( Л
q = - (j - j),
о
(6)
где А - коэффициент теплопроводности стенки; 6 - толщина стенки; т1, т2 - температура на противоположных сторонах стенки.
Зная удельный тепловой поток, легко вычислить общее количество тепла, которое передается через поверхность стенки величиной F за промежуток времени Ь.
2
а = q• ^ • X = 2(т1 -т2) • ^ • Г . (7) о
В случае с многослойной стенкой (рис. 2, б)
q =
t - tn+-
Ô, Ô-, ôn 1 + "
(8)
À
где п - количество слоев.
Процесс локального перегрева изоляции не является стационарным, однако предлагается методика расчета распределения температуры в теле стенки по уравнениям стационарного режима теплопередачи, позволяющая достаточно точно смоделировать процесс нагрева изоляции.
Процесс нагревания изоляции имеет нелинейный характер, в то время как тело по оси ОХ с течением времени изменяет температуру. Такой процесс является неустановившимся. Это можно смоделировать, разделив всю толщину слоя прямоугольной стенки, в нашем случае изоляции, на одинаковые тонкие пластинки.
а b
Рис. 2. Прохождение тепла через одну плоскую стенку (а) и через группу плоских стенок (b) Fig. 2. Heat passage through one planar wall (а) and a group of planar walls (b)
Так как прогревание тела оси OX происходит линейно, то есть за каждые М
о
секунд слой тела объемом Аб-Р, м3, имеет приращение температуры Ат градусов, мы можем разделить всю толщину стенки на элементарные слои с шагом Аб метров. Каждый слой обладает теплоемкостью.
Рассмотрим конструкцию изоляции обмотки ротора. В одном пазу находятся элементы катушек двух фаз, катушка состоит из 5 витков медного провода сечением 2x6 мм, изолированного эмалью и двумя слоями изоляционной слюдинитовой ленты, витки катушки располагаются плоско друг над другом и не имеют дополнительной изоляции. Провода в катушку укладываются спирально по определенной геометрической траектории, представляющей форму лодочки. После намотки катушки ее дополнительно изолируют от пробоя на другую фазу или корпус с помощью трех намоток изоляции [6]:
1) 3 слоя в полуперекрышу слюдинитовой ленты толщиной 0,08 мм;
2) 1 слой в полуперекрышу фторопластовой или полиамидной пленки, в зависимости от типа АВМ, толщиной 0,02 мм;
3) 1 слой встык стеклолентой толщиной 0,08 мм.
Лобовые части катушек, имеющие петлевидную форму, усиливают намоткой дополнительного слоя стеклоленты, после чего изоляцию катушки пропитывают в электроизоляционном лаке и сушат в печи.
При укладке в статор обе катушки дополнительно изолируют от стали прокладкой из стекловолоконного листового материала, а также устанавливают тонкие текстолитовые клинья сверху и снизу обмоток, для их фиксации в пазу используют текстолитовый клин, вставляемый в специальные шлицевые углубления [7].
Результаты исследования и их обсуждение. Рассмотрим механизм прохождения тепла через слои плоской прямоугольной однородной стенки (рис. 3).
По оси абсцисс расположено время ^ и ширина стенки х, с левой стороны к стенке прикладывается тепловая энергия постоянной величины. Семейство кривых, пересекающих тело, показывает распределение температуры во всем объеме тела в разные моменты времени. Распространение тепла в теле зависит от его теплопроводности и теплоемкости и происходит по закону (8). Можно заметить, что слой стенки хо - Х1 находится в условиях большего перегрева, чем последующие слои.
Рис. 3. Прохождение тепла по сечению через слои плоской прямоугольной однородной стенки Fig. 3. Heat passing the cross section through the layers of a rectangular planar homogeneous wall
Выводы
Таким образом, в процессе изменения температуры износ ближних к месту приложения температуры слоев имеет более длительный по времени характер, а их
температура несколько больше, чем у отдаленных слоев в силу теплоизоляционных свойств материала.
Библиографический список
1. Иванов П.Ю., Романовский А.И., Дульский Е.Ю. Эксплуатационные особенности работы асинхронных вспомогательных машин электровозов переменного тока на ВСЖД // Известия Транссиба. 2015. № 4 (24). С. 27-33.
2. Некрасов О.А., Рутштейн А. М. Вспомогательные машины электровозов переменного тока. М.: Транспорт, 1988. 223 с.
3. Finley W.R., Hodowanec M.M., Holter W.G. An Analytical Approach to Solving Motor Vibration Problems // IEEE Transactions on Industry Applications. 2000. No. 36 (5). Р. 1467-1480.
4. O'Donnell P. Motor Reliability Working Group. Report of Large Motor Reliability Survey of Industrial and
Commercial Installations. Part I // IEEE Transactions on Industry Applications. 1985. Vol. IA-2I. No. 4. P. 853864.
5. Гольдберг О.Д. Качество и надежность асинхронных двигателей. М.: Энергия, 1968. 176 с.
6. Дульский Е.Ю., Доценко Н.С., Лыткина Е.М. Исследование эффективности конвективного и терморадиационного методов капсулирования изоляции обмоток при ремонте электрических машин тягового подвижного состава // Известия Транссиба. 2014. № 1 (17). С. 14-19.
7. Zhang P., Lu B., Habetler T.G. Active Stator Winding Thermal Protection for AC Motors // IEEE IAS Pulp and Paper Industry Conf. Birmingham, 2009. P. 11-19.
References
1. Ivanov P.Yu., Romanovskii A.I., Dul'skii E.Yu. Ek-spluatatsionnye osobennosti raboty asinkhronnykh vspomogatel'nykh mashin elektrovozov peremennogo toka na VSZhD [Operational features of asynchronous auxiliary machines of AC locomotives on the East Siberian Railway]. Izvestiya Transsiba [The Trans-Siberian Bulletin]. 2015, no. 4 (24), pp. 27-33.
2. Nekrasov O.A., Rutshtein A. M. Vspomogatel'nye mashiny elektrovozov peremennogo toka [Auxiliary machines of AC locomotives]. Moscow, Transport Publ., 1988, 223 p.
3. Finley W.R., Hodowanec M.M., Holter W.G. An Analytical Approach to Solving Motor Vibration Problems. IEEE Transactions on Industry Applications. 2000, no. 36 (5), pp. 1467-1480.
4. O'Donnell P. Motor Reliability Working Group. Report of Large Motor Reliability Survey of Industrial and Commercial Installations. Part I. IEEE Transactions on
Industry Applications. 1985, vol. IA-2I, no. 4, pp. 853864.
5. Gol'dberg O.D. Kachestvo i nadezhnost' asink-hronnykh dvigatelei [Quality and reliability of induction motors]. Moscow, Energiya Publ., 1968, 176 p.
6. Dul'skii E.Yu., Dotsenko N.S., Lytkina E.M. Issledo-vanie effektivnosti konvektivnogo i termoradiatsionnogo metodov kapsulirovaniya izolyatsii obmotok pri remonte elektricheskikh mashin tyagovogo podvizhnogo sostava [Research of the efficiency of convection and thermoradiation methods of winding isolation capsulation under repair of traction rolling stock electric machines]. Izvestiya Transsiba [The Trans-Siberian Bulletin]. 2014, no. 1 (17), pp. 14-19.
7. Zhang P., Lu B., Habetler T.G. Active Stator Winding Thermal Protection for AC Motor. IEEE IAS Pulp and Paper Industry Conf. Birmingham, 2009, pp. 11-19.
Критерии авторства
Авторы заявляют о равном участии в получении и оформлении научных результатов и в равной мере несут ответственность за плагиат.
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Authorship criteria
The authors declare equal participation in obtaining and formalization of scientific results and bear equal responsibility for plagiarism.
Conflict of interests
The authors declare that there is no conflict of interests regarding the publication of this article.
Статья поступила 16.08.2016 г.
The article was received 16 August 2016
