Лабораторная работа № 2. Исследование тепловых процессов в бортовом преобразователе энергии Задание

Лабораторная работа № 2. Исследование тепловых процессов в бортовом
преобразователе энергии
Задание
1. Ознакомиться со стендом и конструкцией преобразователя.
2. Методом встроенных датчиков температуры снять кривые нагрева в четырех
точках преобразователя. Сравнить температуру различных узлов преобразователя
с температурой окружающего воздуха.
3. Определить графически постоянную времени нагрева , используя кривую
нагрева обмотки якоря.
4. Вычислить методом электротепловой аналогии установившиеся значения превышения температур обмотки якоря Tуст, сравнить с экспериментом.
Теоретическая часть
Электромеханические преобразователи энергии работают как в стационарном режиме при постоянной нагрузке и неизменных условиях охлаждения, так и
в неустановившихся режимах.
В стационарном режиме работы суммарные тепловые потери, выделившиеся в активных элементах конструкции, равны количеству тепловой энергии, передаваемой охладителю.
К неустановившимся тепловым режимам относятся: кратковременный режим, предполагающий ограниченную длительность работы под нагрузкой с последующей паузой, за время которой температура любых частей преобразователя
снижается до первоначального уровня, и повторно-кратковременный режим,
представляющий собой последовательность кратковременных режимов с различным сочетанием времени работы под нагрузкой различной интенсивности и
последующей паузы.
В некоторых преобразователях основным видом работы является комбинация кратковременных импульсов с длительными паузами. Такая импульсная
нагрузка столь непродолжительна, что нарастание температуры в активных частях можно считать адиабатным (без теплообмена с окружающей средой). Пре-
1
образователи с такими режимами работы называют термоинерционными.
Переходные тепловые процессы протекают и в случаях изменяющихся
условий охлаждения, что приводит к соответствующим изменениям температур
преобразователя.
В ряде случаев, когда по условиям работы необходимо произвести лишь
оценку допустимой температуры, используют простейшее представление о преобразователе, как об идеальном и однородном в тепловом отношении теле, под
которым понимается тело с бесконечно большой теплопроводностью, со всех
внешних поверхностей которого происходит равномерное охлаждение с постоянной интенсивностью.
Для нестационарного режима работы уравнение теплового баланса имеет
вид
Pdt  mCdT  STdt,
(1)
где Р – тепловые потери в объеме тела; T – превышение температуры тела над
температурой охладителя; m, S – масса и поверхность охлаждения тела; С –
удельная теплоемкость;  – коэффициент теплоотдачи; t – время.
Левая часть уравнения (1) представляет собой выделяемое внутри преобразователя количество тепловой энергии за время dt; правая часть – энергию, аккумулированную телом и энергию, переданную в окружающую среду. При выходе на установившийся тепловой режим, когда Т = Tуст из (1) следует: Т = Tуст =
P/S. Установившееся превышение температуры тем больше, чем больше выделяется тепла и хуже условия охлаждения тела, т.е. чем меньше S . Уравнение (1)
можно записать в виде
T уст dt    dT  T  dt ,
(2)
где   mC S  mCT уст P – постоянная времени нагревания, определяемая
подкасательной в произвольной точке к кривой нагревания (охлаждения)
(рис. 2.1,а,б).
После разделения переменных в уравнении (2), интегрирования и опреде-
2
ления постоянной интегрирования из начального условия T  T0 t 0 получаем


T  T уст  1  e  t   T0  e  t  .
(3)
В случае нагревания тела, имеющего в начальный момент времени температуру, равную температуре охлаждающей среды, т.е. T0 = 0, из (3) имеем


T  T уст  1  e  t  ,
(4)
чему соответствует экспоненциальная кривая нагревания (рис. 2.1,а). Через t = 4
превышение температуры тела практически достигает установившегося значения.
В случае охлаждения тела, имеющего начальное превышение температуры
T0  0, но не имеющего внутренних источников тепловыделения (Р = 0), происходит рассеивание тепла, аккумулированного телом, в окружающую среду. Тогда
из (4) при Tуст = 0 получаем уравнение охлаждения тела T  T0  e t  (рис. 2.1,б).
Из (3) и (4) при T = 0 имеем


dT 1
AB
 T уст  T 
 tg .
dt 
BC
Этим соотношением можно воспользоваться для графического определения постоянной времени нагревания , если имеется кривая T(t), снятая опытным
путем (рис. 2.1,а).
В инженерной практике при расчете температур используется метод тепловой схемы замещения, основанный на электротепловой аналогии: электрическому потенциалу U (или разности потенциалов) соответствует температура T;
электрическому току I – тепловой поток (тепловые потери) Р, электрическому
сопротивлению Rэ – тепловое сопротивление RT. Величина RT определяется видом
теплового
процесса:
при
теплопереносе
теплопроводностью
RT  R  l aS ; при передаче тепла конвекцией RT  R  1 S и при аккуму-
лировании тепловой энергии RT  RC  t mC . Здесь l – длина участка, определяемая по направлению теплового потока; S – площадь, через которую проходит
3
тепловой поток; , С,  – коэффициент теплопроводности, теплоемкости и теплоотдачи соответственно; m – масса, t – время.
Применение электротепловой аналогии при исследовании тепловых процессов позволяет использовать схемы, подобные электрическим, а также основные законы теории электрических цепей – законы Кирхгофа и Ома.
Для измерения температуры (по ГОСТ 25000–81) используются методы
сопротивления и встраиваемых датчиков.
Первый метод дает среднее значение температуры, в частности, обмоток
электромеханических преобразователей. Расчет перегрева обмотки T производится по формуле
T  Rг  Rх   K  Tх  Rх ,
(5)
где Rг, Rх – сопротивления обмотки в горячем и холодном состояниях соответственно, Ом; К – величина, обратная температурному коэффициенту сопротивления при 0°С (К = 235 для медной обмотки и К = 245 для обмотки из алюминия).
Недостаток метода – невозможность непрерывного контроля температуры
обмоток, так как перед измерением сопротивления необходимо отключать электрическую машину от сети и производить замеры.
При использовании второго метода датчики – термопары, термометры сопротивления или терморезисторы – встраиваются в различные доступные точки
электрической машины (приклеиваются или закрепляются с помощью сварки).
Использование большого количества датчиков позволяет производить измерение
температурных полей и вести непрерывный контроль температуры без отключения электрической машины от сети.
Порядок выполнения работы
1. В состав лабораторного стенда (см. рис. 2.2) входят исследуемый преобразователь, панель управления с кнопками запуска приводного электродвигателя SB1
и его останова SB2 и измерительными приборами PV1, PV2, PA1, PA2, PT1 и PF1.

номера пунктов данного раздела соответствуют номерам пунктов задания.
4
Самопишущий прибор PT1 типа КСП–4 предназначен для регистрации показаний термопар ТП1…ТП5. Частотомер PF1 типа Ф5043 используется для контроля частоты вращения преобразователя.
Электромеханический преобразователь предназначен для преобразования
постоянного напряжения 27 В в переменное напряжение 20 В повышенной частоты (400 Гц). Исследуется генераторная часть преобразователя.
Преобразователь нагружается на индуктивную нагрузку L. При этом по
обмотке якоря протекает номинальный ток, вызывая номинальные электрические
потери, а нагрузка на двигатель практически не увеличивается, так как cos  0.
Под нагрузкой двигатель работает в режиме холостого хода, что упрощает стабилизацию его скорости вращения.
Конструктивно преобразователь представляет собой двухмашинный агрегат (рис. 2.3), состоящий из приводного электродвигателя постоянного тока с независимым возбуждением и синхронного генератора с возбуждением от постоянных магнитов. Стабилизация частоты вращения ротора преобразователя обеспечивается регулированием тока в обмотке возбуждения приводного двигателя.
Охлаждение преобразователя осуществляется внешним вентилятором.
Для контроля температуры элементов преобразователя и охлаждающей
среды установлены пять термопар типа ТХК (хромель–копель). Места установки
термопар показаны на рис. 2.3. Термопары TП1 и TП2 регистрируют температуру
лобовой и пазовой частей обмотки якоря генератора, ТП3 – температуру магнитопровода якоря генератора, ТП4 – температуру поверхности корпуса в зоне якоря генератора, ТП5 – среднюю температуру воздуха внутри преобразователя.
2. Включить питание частотомера PF1 (кнопка «Сеть»).
Включить самописец КСП–4 (тумблер "Сеть" на передней панели прибора), включить подачу диаграммной ленты (тумблер "Диаграмма"). По шкале прибора произвести отсчет температур в точках установки термопар.
Включить внешний вентилятор (тумблер «Вентилятор»).
Реостат Rя установить в положение максимального сопротивления, Rв –
5
минимального. При отключенной нагрузке (выключатель S1 в положении "О")
нажатием кнопки "Пуск" осуществить запуск преобразователя. По мере разгона
уменьшать сопротивление Rя до 0. Затем, увеличивая Rв, установить по частотомеру частоту 400 Гц. Подключить нагрузку (выключатель S1 перевести в положение "I") и установить по шкале прибора РА2 ток, равный 10А. Зафиксировать
время начала работы преобразователя под нагрузкой (время работы под нагрузкой ~ 30 мин) и скорость подачи диаграммной ленты. По истечении указанного
времени отключить электропитание преобразователя нажатием кнопки "Стоп".
3. Выключить самописец КСП-4 (сначала отключить подачу диаграммной ленты,
а затем выключить тумблер "Сеть"). Снять диаграммную ленту. Определить по
диаграммной ленте максимальное превышение температуры лобовой и пазовой
частей обмотки якоря и магнитопровода (термопары ТП1…ТП3) над температурой окружающей среды Т0 (точка 6 самописца). Определить графически постоянную времени процесса нагревания  [с], проведя подкасательную до пересечения с линией установившейся температуры (см. рис. 2.1,а).
4. Исходя из геометрической симметрии конструкции якоря преобразователя и
симметрии его температурного поля, провести тепловой расчет для элемента
конструкции (рис. 2.4), содержащего пазовую часть якорной обмотки и магнитопровод, приходящихся на половину ширины зубца bz 05  bz 2 , половину ширины паза bп 05  bп 2 и половину длины магнитопровода l A05  l A 2 . Лобовая
часть обмотки не учитывается.
Тепловая и преобразованная схемы замещения представлены на рис. 2.5 и
2.6. В таблице 1 даны формулы расчета тепловых сопротивлений для процессов
теплопроводности и конвекции (размеры из рис. 2.4 необходимо подставлять в
формулы в метрах). Омические потери и потери в стали магнитопровода считаются заданными и равными: Pм = 3·I2Rф = 3·102·0,1 = 30 Вт; Рст = 20 Вт (Rф =
0,1 Ом – электрическое сопротивление одной фазы обмотки якоря, I = 10 A – ток
нагрузки). Потери в расчетном элементе PA  Pм 4 z и PВ  Pст 4 z , где z = 27 –
6
число зубцов.
Таблица 1
№
1
обмотки
2
магнитопровода
3
пазовой изоляции
4
корпуса
конвекции
5 в воздушный зазор
6
с поверхности
корпуса
Тепловое сопротивление процессу
теплопроводности
hп  2  hиз
Rоб 
2  об  l A05  bп05  hиз 
hсп
Rст 
2  ст  l A05  bп05  bz 05 
hиз
Rиз 
из  l A05  bп 05
hк
Rк 
к  l A05  bп05  bz 05 
Вт
м  град
Вт
ст  15,0
м  град
Вт
из  0,5
м  град
Вт
к  30,0
м  град
об  2,0
Вт
 з  l A05  bп05
 з  20,0 2
м  град
1
 к  l A05  bп05  bz 05 
 к  70,0 2
м  град
R з 
R к 
1
Основные теплофизические параметры
Вт
Используя правила сложения сопротивлений и считая РA и РB источниками
тока, можно в соответствии со схемой (рис. 2.6) записать следующие выражения:
R A0  Rоб  Rиз  R з ; R AB  Rоб  Rиз  Rст ; RB 0  Rст  Rк  R к ;
R  Q  RB 0  Q2
Q1  PA ;
Q2  PA  PB ;
Q3  AB 1
.
R A0  R AB  RB 0
Установившиеся значения превышения температур обмотки якоря и магнитопровода
определяются
как:
Tоб. уст  T A  R A0  Q3 ,
Tст. уст  TB  RB 0  Q2  Q3  (см рис. 2.6).
Сравнить расчетные значения TA  TA  T0 и TB  TB  T0 с экспериментально измеренными температурами.
7
T,
ºC
Tуст
B
T,
ºC
C
T0
0,982 Tуст
0,950 Tуст
0.865 Tуст
0,632 Tуст

A
0,368 T0
0,135 T0
0.050 T0
0,018 T0
__
t

0
1
2
3
а
4
__
t

5
0
1
2
3
б
4
5
Рис. 2.1. К расчету режима нагревания тела
KM1.1
A
SB2
"Стоп"
KM1
PV1
K1
PA1
PF1 PV2
f
Rв
A
L
0
B
ОВ
PA2
V
Rя
V
K1.1
A
C
Я
PT1
tºC
SB1 "Пуск"
Рис. 2.2. Схема лабораторного стенда
ТП5
ТП1
ТП4
ТП3 ТП2
ПОТОК ВОЗДУХА
ДВИГАТЕЛЬ
ГЕНЕРАТОР
ВНЕШНИЙ
ВЕНТИЛЯТОР
Рис. 2.3 Схема двухмашинного агрегата
8
Размеры в
миллиметрах
h к =3,0
h сп=3,5
h из =1,0
PА
A
B
A
h п=6,5
l A05 =32,5
b z05 =1,5
R об
R из
R ст
R об
R ст
R из
Rк
Rз
0
PB
PА
B
Rк
PB
Q1
R AB
A
Q2
B
Q3
R A0
R B0
0
bп05 =3,5
Рис. 2.4 Элемент конструкции
для теплового расчета
Рис. 2.5 Тепловая схема
замещения
Рис. 2.6 Преобразов
анная схема замещения
9