5.4 Метод непрямого навантаження електричних машин

При використанні цього методу в машині штучно створюється тепловий режим, який відповідає роботі в номінальних умовах, що досягається шляхом чергування режимів холостого ходу та короткого замикання. Цей спосіб навантаження може бути рекомендований при проведенні випробувань машин постійного струму та синхронних машин.

Для пояснення суті цього методу звернемось до теплових розрахунків електричних машин, які виконують за заступними тепловими схемами (рисунок 5.7). Визначення перевищень температури здійснюється за допомогою теплової заступної схеми, яка являє собою розгалужене електричне коло з постійними опорами й декількома джерелами. Розрахунок перевищень температури окремих вузлів електричної машини зводиться до визначення теплових потоків , які проходять через вузли (,  – теплові потоки, які проходять через лобові частини обмоток статора й ротора, відповідно; ,  – теплові потоки, які проходять по сталі статора й ротора відповідно) від кожного джерела втрат , множення цих потоків на відповідні теплові опори  (, , ,  – опори проводу, ізоляції паза, лобових частин, межі “сталь-повітря”) для отримання часткових перевищень температури й наступного підсумовування часткових перевищень для отримання результатів перевищення температури даного вузла.

При випробуванні електричних машин потрібно створити декілька тривалих чергових режимів роботи, в яких діяли б окремі складові втрат, і виміряти часткові перевищення температури окремих вузлів. Подальше підсумовування часткових перевищень дає результуюче перевищення температури без використання безпосереднього навантаження машини.

Для того щоб окремі складові втрат були рівні втратам у номінальному режимі роботи, достатньо провести досліди в режимах холостого ходу при різному ступені збудження та короткого замикання при номінальному струмі якоря.

Дійсно, у режимі холостого ходу без збудження при номінальній частоті обертання в машині виділяються тільки механічні втрати P_мех, які дорівнюють механічним втратам у номінальному режимі роботи. При холостому ході з напругою, яка дорівнює номінальній, крім механічних втрат виділяються втрати в сталі якоря P_СТ, які відповідають номінальному режимі роботи, і деякі втрати на збудження, які відповідають струму збудження холостого ходу (менші втрат на збудження в номінальному режимі). У режимі холостого ходу зі струмом збудження, який дорівнює номінальному, втрати на збудження (на рисунку 5.7 ці втрати розділені на пазові P_Пf  і лобові P_Лf) і механічні втрати відповідають номінальному режиму роботи, а втрати в сталі перевищують їх. У режимі короткого замикання з номінальним струмом якоря втрати в обмотці якоря (на рисунку 5.7 ці втрати розділені на пазові P_П і лобові P_Л) та додаткові втрати відповідають номінальному режиму роботи (так само, як і механічні втрати генератора), втрати на збудження та в сталі малі, механічні втрати двигуна дорівнюють нулю.

Рисунок 5.7 – Теплова заступна схема статора (а) та ротора (б) синхронної машини

Величина окремих складових втрат змінюється при різних способах охолодження. У синхронних машинах і машинах постійного струму повітряний зазор великий, що дозволяє знехтувати перетоками тепла по ньому та розглядати нагрів статора й ротора цих машин ізольовано.

Для синхронних машин і машин постійного струму при використанні методу непрямого навантаження можуть бути рекомендовані такі режими роботи:

- коротке замикання (short circuit) при номінальному струмі якоря;

- холостий хід (tickover; idling) при номінальній напрузі на обмотці якоря;

- холостий хід при номінальному струмі збудження;

- холостий хід без збудження.

Перевищення температури обмотки якоря має вигляд:

,                         (5.7)

         де  – перевищення температури обмотки якоря у відповідних режимах;

         А і В – коефіцієнти, які враховують відхилення втрат в сталі і втрат на збудження від їхніх номінальних значень.

В ряді випадків, наприклад, для машин постійного струму, можна користуватися спрощеною формулою

.                                       (5.8)

Дійсно,  визначається електричними втратами в обмотці якоря, додатковими і механічними втратами, які відповідають номінальному режиму роботи;  – втратами в сталі якоря і механічними, які відповідають номінальному режиму роботи (втрати на збудження не впливають на нагрів якоря);  – механічними втратами.

Отже, використовуючи метод накладання, отримуємо, що перевищення температури обмотки якоря визначається номінальними електричними та додатковими втратами в обмотці, втратами в сталі якоря і механічними втратами.

Перевищення температури обмотки збудження машин постійного струму (нерухома обмотка) має вигляд:

,                                      (5.9)

де  – перевищення температури обмотки збудження у вищезгаданих режимах.

У синхронних машинах не завжди вдається провести третій дослід при номінальному струмі збудження через обмеження на значення напруги холостого ходу. Цей дослід приходиться виконувати при зменшеному струмі збудження при напрузі до 120% від номінального. Тоді, перевищення температури обмотки збудження можна знайти екстраполяцією графічних залежностей v_f = f (I_f) або v_f = f (P_f), експериментальні точки яких отримують з відповідних дослідів.

Коефіцієнти, які входять в рівняння (5.7), знаходяться розрахунково-емпіричним способом з використанням точних теплових заступних схем та результатів експериментів з реальними машинами.