ВВЕДЕНИЕ

Всякая электрическая машина с момента ее изготовления и до конца срока службы испытывает динамические тепловые воздействия. По сути дела еще задолго до готовности машины отдельные ее узлы в процессе производства уже подвергаются тем или иным видам термообработки: технология электромашиностроения изобилует разнообразными операциями (запечка, опрессовка, сушка и т. п.), при которых температура элементов конструкции изменяется в широких пределах за сравнительно небольшие отрезки времени.

Когда машина полностью собрана и поступает на испытательный стенд, то здесь разнообразные проверки — будь то вращение ротора при повышенной частоте, или испытания при повышенном напряжении, или кратковременные перегрузки по току — сопряжены с неустановившимся нагревом активных частей.

Впоследствии начинается нормальная работа машины, при которой происходят пуски и остановы, подача и снятие возбуждения, изменения механических и электрических нагрузок, изменения условий охлаждения, и в каждом из указанных режимов температура активных частей и других деталей конструкции изменяется во времени.

Наконец, эксплуатация силового электротехнического оборудования не гарантирована полностью от анормальных (а иногда и аварийных) режимов, в ходе которых существенные изменения электромагнитных нагрузок или условий охлаждения машины приводят к значительным изменениям ее теплового состояния.

Влияние перечисленных режимов на жизнеспособность электрической машины может быть решающим, умеренным или ничтожным — в зависимости от масштабов неустановившегося теплового процесса и возможностей конструкции противостоять температурным воздействиям. Результат этих воздействий проявляется по большей части в температурных деформациях и напряжениях, дополняющих и без того сложную картину механического состояния конструкции. В особо тяжелых случаях возможны также температурные перерождения изоляционных, проводниковых и конструкционных материалов с необратимыми изменениями их электрических, магнитных и механических характеристик.

В процессе эксплуатации электрических машин чрезвычайно трудно отличить нежелательные (или даже опасные) последствия кратковременных температурных воздействий от приемлемых: большая часть таких последствий бывает скрыта от самого внимательного наблюдателя, и лишь в немногих случаях неблагоприятная ситуация обнаруживает себя в повышенной вибрации, шуме, изменении состояния охлаждающей среды и т. п. В этих условиях естественно было бы предложить контроль и нормирование самих температур, обусловливающих возникновение тех или иных вредных явлений. Однако этот путь, повсеместно используемый при длительных режимах работы машин, оказывается не таким уж доступным, когда речь идет о неустановившихся режимах.

Во-первых, применительно к таким режимам нелегко определиться в отношении допустимых кратковременных повышений температуры (по-видимому, ориентация на действующие нормы длительно допустимых температур здесь приводила бы к неоправданным запасам).

Во-вторых, всякое нормирование предполагает эффективный контроль, а его не всегда можно осуществить в неустановившихся тепловых режимах, если иметь в виду реальные возможности средств измерения и контроля температуры в электрических машинах.

Как видим, в условиях эксплуатации не удается регламентировать не только воздействия, непосредственно угрожающие жизнеспособности конструкции, но даже и промежуточную причину таких воздействий — температуру. В подобной ситуации остается нормировать входные режимные параметры, опираясь на специально изучаемые закономерности, связывающие эти параметры с температурными воздействиями.

Совершенно ясно, что надежность указанных связей прямо влияет на качество обсуждаемого нормирования.

В электромашиностроении существует ряд полуэмпирических приемов, позволяющих оценивать допустимость тех или иных кратковременных режимов. Например, ток обратной последовательности и длительность режима несимметричной нагрузки связываются известным критерием, допустимое значение которого зависит от типа и способа охлаждения синхронных генераторов. Та или иная длительность форсировки возбуждения допускается в зависимости от кратности тока (потолка возбуждения). В электродвигателях нередко регламентировано число пусков за определенный промежуток времени, в ударных генераторах — длительность паузы между импульсами заданной кратности. Особо оговариваются нормы эксплуатации машин в повторно-кратковременных и перемежающихся режимах, при которых в пределах одного цикла не достигается установившееся тепловое состояние активной зоны. Важно подчеркнуть, что при выработке тех или иных норм применительно к конкретным конструкциям и режимам необходимо с большей или меньшей подробностью рассматривать механизм теплообмена

в наиболее уязвимой в отношении температупны воздействий зоне машины.

Рассуждая с общих позиций, можно видеть, что интересующее нас поведение электрической машины в неустановившемся тепловом режиме (по крайней мере, в термомеханическом и термохимическом аспектах) зависит от максимального уровня локальных температур, их пространственных перепадов и скоростей изменения во времени. Указанная совокупность характеристик определяет масштабы неустановившегося теплового процесса. В строгом рассмотрении искомые масштабы составляют предмет задачи теплопроводности с соответствующими условиями однозначности.

Следует заметить, что такой строгий подход пока еще не занимает достаточно прочных позиций в электромашиностроении, поскольку он сопряжен с множеством практических затруднений. Гораздо чаще можно наблюдать использование упрощенных моделей для выполнения простого и наглядного расчета, корректируемого, если это требуется, опытом. Именно в рамках такой традиции развивались до последнего времени упомянутые выше приемы нормирования кратковременных режимов (приемы, которые мы не без оснований охарактеризовали выше как полуэмпирические). Нередко при этом расчеты неустановившихся температур строились на весьма радикальных допущениях. Например, в отдельных случаях процесс нагрева активной области мог рассматриваться как адиабатный, т. е. отвод теплоты от такой области вообще не учитывался. В других случаях термически неоднородной области приписывались свойства высокотеплопроводного тела, охлаждаемого снаружи. Как правило, подобные расчеты содержали известный резерв, т. е. расчетная температура оказывалась выше действительной.

Со временем к объективности расчетных оценок неустановившихся температур в электрических машинах стали предъявлять все более жесткие требования. Причины этого достаточно ясны: в экономическом отношении чрезмерный запас по нагреву может обернуться не меньшими издержками, чем недооценка реального уровня температур.

Действительно, когда в условиях недостаточной информации принимаются чересчур оптимистические решения, то их практическим итогом является повышенная повреждаемость машин, сокращение срока их службы и т. п. В противоположной ситуации, порожденной избыточно осторожным нормированием условий эксплуатации, машине предписывают чрезмерно «щадящий» режим, что, разумеется, для нее не вредно, однако энергетический комплекс, в котором работает данная машина, попадает в невыгодные условия: или происходит недовыработка конечного продукта, или не­обходимо резервирование машины в комплексе другой, идентичной машиной, или (если речь идет о проектной стадии) заказывается машина более мощная и дорогая, чем это необходимо на самом деле.

Использованию электрической машины в соответствии с ее реальной способностью противостоять тепловым перегрузкам отвечает минимум экономических издержек указанных двух видов.

Означает ли это, что применяемые сегодня методы оценки неустановившихся температур в электрических машинах требуют коренной перестройки и что во всех случаях нужно применять аппарат аналитической теории теплопроводности? Думается, что нет. Правда, в противовес традиционному экспресс-анализу, дающему ограниченную по объему и не всегда достоверную информацию, строгие методы обещают обширную и, как правило, свободную от методических ошибок информацию в частных решениях. Нелегко представить себе, однако, что для многочисленных конструкций электрических машин, работающих в разнообразных переходных режимах, может быть получен достаточно полный набор таких решений. Да и потребность в подробных нестационарных полях температуры на практике возникает крайне редко.

Высказанные соображения свидетельствуют в пользу таких приближенных методов инженерного расчета, которые, базируясь на довольно свободной схематизации тепловых процессов, учитывали бы в то же время и результаты решения соответствующих задач теплопроводности. Такой компромисс между экспресс-методами и строгими методами может быть достигнут ценой достаточно подробного анализа физического процесса нестационарного теплообмена.

Приведенный ниже материал, насколько это возможно, подчинен указанным требованиям.

Назад, на страницу описания