Методы измерения температуры частей машины

Оптимальные термометрические средства используемые для контроля температуры тяговых двигателей. Анализ методов измерения температуры частей электрических машин , страница 3

Для основных измерений температуры в электрических машинах предусмотрены следующие четыре метода.

1. Метод термометра, применяемый для измерения температуры доступных поверхностей собранной электрической машины. Для измерения применяют термометры расширения (ртутные и спиртовые), незаложенные термопары и незаложенные термопреобразователи сопротивления.

В местах электрической машины, где имеются переменные магнитные поля, ртутные термометры применять не следует, так как они могут дать не верные результаты.

2. Метод сопротивления, основанный на изменении сопротивления обмотки в зависимости от её температуры. Этот метод даёт среднее значение температуры обмотки, не учитывая тот факт, что отдельные участки обмотки могут иметь температуру, отличающуюся от средней.

3. Метод заложенных температурных индикаторов, использующий измерительные элементы (термометры сопротивления, конденсаторы или термопары), заложенные в машину во время изготовления в точки, недоступные после изготовления. Температуру обмотки или активной стали определяют индикатором, непосредственно соприкасающимся с измеряемой поверхностью, который должен быть надёжно защищён от воздействия охлаждающей среды.

4. Метод встраиваемых температурных индикаторов. использующий термометры сопротивления или термопары, встраиваемые в изготовленную электрическую машину для контроля или исследования.

Индикаторы встраивают в лобовые или пазовые части обмотки или между отдельными листами активной стали (на глубину не менее 5 мм от поверхности) в доступных точках, в которых ожидают наибольших температур.

5.2 Измерение локальных значений температур в частях

Температуру активных частей и конструктивных элементов в электрических машинах удобнее измерять с помощью датчиков электрического сигнала.

Для исследования температурного поля сердечника статора температурные индикаторы устанавливают в пакеты сердечника статора при их шихтовке [2]. Для этой цели применяют специальные трёхслойные прокладки из электрокартона, во внутреннем слое которых сделаны вырезы для измерительных проводов (рисунок 5.1). Перед установкой в сердечник статора прокладки 1-6 прессуются под давлением 2*10 6 Па при температуре 120°С в течении 4-8 ч (это необходимо для полимеризации клея БФ-2, которым склеиваются листы электрокартона).

В особо ответственных случаях измерительные прокладки изготавливаются из сегментов электротехнической стали, спаи термопар припаивают к стальному листу и измерительная система становится практически безинерционной. Аналогично встраивают термопары для измерения температуры бочки ротора, стали полюсов, элементов демпферной системы.

Рисунок 5.1 — Установка температурных индикаторов в

сердечнике статора и воздушном зазоре турбогенератора

Гораздо сложнее установить температурные индикаторы на вращающиеся части электрической машины. Трудность при подготовке таких измерений состоит в обеспечении механического крепления измерительной системы при значительных усилиях, на её элементы. Необходимые для этого конструктивные меры не должны создавать опасности нарушения эксплуатационных качеств ротора или статора. Вывод проводов измерительной системы от мест установки чувствительных элементов к торцу вала или месту установки преобразователей бесконтактного устройства передачи данных возможен лишь при дополнительных механических изменениях и дополнениях в конструкции ротора или статора.

На рисунке 5.2 показано расположение температурных индикаторов 1-16 в якоре тягового электродвигателя. В качестве температурных индикаторов в обмотке якоря удобнее использовать медные термопреобразователи сопротивления. Их устанавливают на дно паза, между секциями и под клином. В лобовых частях обмотки индикаторы располагают между секциями двух соседних пазов. В зубцах стали якоря их устанавливают в различных местах по длине якоря между двумя соседними пластинами зубца, а выводные концы укладывают в соседние с зубцом пазы. Концы всех термометров выводят в обе стороны активной части якоря и далее через отверстия в нажимных шайбах на специально устанавливаемые клемные колодки и далее к преобразователям или к контактным кольцом при контактном съёме информации.

Рисунок 5.2 — Расположение температурных индикаторов в якоре

При температурном испытании электродвигателя МП-20-5000 прокатных станов была установлена контактная система непрерывного контроля температуры обмотки якоря (рисунок 5.3), состоящая из термометров сопротивления 1-15, заложенных непосредственно в паз якоря между секциями обмотки в наиболее нагреваемых местах, контактного устройства с дистанционным управлением 16 и измерительного устройства 17. [2]

Концы температурных индикаторов из паза через радиальные каналы выводят к спинке якоря, затем общим жгутом через специально приваренную трубку к валу машины и через радиальное и аксиальное сверление вала в торец на контактное устройство.

Рисунок 5.3 — Схема расположения температурных индикаторов

и установки контактной системы на якоре электродвигателя для

привода прокатного стана

Для автоматического измерения температуры, сигнализации и защиты двигателя от перегрева применяют различные схемы. одна из схем, которая применена на электродвигателе МП-20-5000 показана на рисунке 5.4

Рисунок 5.4 Схема автоматического контроля температуры

Схема предусматривает три основных режима работы.

1. Температура измеряемых точек ниже 120°С. Через установленные промежутки времени через контакты КЭП1/1 и КЭП1/2 получает питание катушка электромагнита ЭМ и реле шунтировки РШ. Термометры сопротивления подключаются через контактное устройство к входу электронного моста и измеряют температуру контрольных точек с одновременной их регистрацией на ленте моста.

2. Температура одной из нескольких точек в пределах 120-125°С. При измерении температуры свыше 120°С в электронном мосте замкнётся контакт ЭМС/1, включающий реле РТ1, которое включит реле РП и сигнальные лампы Л1 и Л2 на пультах сигнализации. Реле РП получает питание и после отключения реле РТ1 через контакты КЭП3/1 и КЭП3/2. замыкающиеся контакты реле РП подготовят цепь для включения электромагнита ЭМ и реле РШ для последующего измерения через контакты КЭП2/1 и КЭП2/2. сигнальные лампы будут гореть до следующего измерения температуры, напоминая оператору о необходимости снижения нагрузки или увеличении охлаждения.

3. Температура в одной из точек 125°С. В этом случае в электронном мосте заикнётся контакт ЭМС/2 и питание получит катушка реле РТ2, которое включит реле РП1 и сигнальные лампы Л3 и Л4, предупреждающие о возможности отключения машины. Реле РП1 подготавливает цепь для включения реле запрета работы РЗР и замыкающимися контактами шунтирует контакты КЭП1/1 и КЭП1/2 в цепи ЭМ. Через 1,5 мин после измерения температуры в шести точках получает питание реле РЗР, загораются сигнальные лампы запрета работы Л5 и Л6 и машина отключается (в цепи блокировки схемы управления машины размыкается контакт РЗР/1 и находится в разомкнутом состоянии до тех пор пока температура во всех точках не станет ниже 120°С). В аварийных случаях контакт РЗР/1 может быть включен параллельно шунтирующей кнопкой КШ.

АлтГТУ 419
АлтГУ 113
АмПГУ 296
АГТУ 267
БИТТУ 794
БГТУ «Военмех» 1191
БГМУ 172
БГТУ 603
БГУ 155
БГУИР 391
БелГУТ 4908
БГЭУ 963
БНТУ 1070
БТЭУ ПК 689
БрГУ 179
ВНТУ 120
ВГУЭС 426
ВлГУ 645
ВМедА 611
ВолгГТУ 235
ВНУ им. Даля 166
ВЗФЭИ 245
ВятГСХА 101
ВятГГУ 139
ВятГУ 559
ГГДСК 171
ГомГМК 501
ГГМУ 1966
ГГТУ им. Сухого 4467
ГГУ им. Скорины 1590
ГМА им. Макарова 299
ДГПУ 159
ДальГАУ 279
ДВГГУ 134
ДВГМУ 408
ДВГТУ 936
ДВГУПС 305
ДВФУ 949
ДонГТУ 498
ДИТМ МНТУ 109
ИвГМА 488
ИГХТУ 131
ИжГТУ 145
КемГППК 171
КемГУ 508
КГМТУ 270
КировАТ 147
КГКСЭП 407
КГТА им. Дегтярева 174
КнАГТУ 2910
КрасГАУ 345
КрасГМУ 629
КГПУ им. Астафьева 133
КГТУ (СФУ) 567
КГТЭИ (СФУ) 112
КПК №2 177
КубГТУ 138
КубГУ 109
КузГПА 182
КузГТУ 789
МГТУ им. Носова 369
МГЭУ им. Сахарова 232
МГЭК 249
МГПУ 165
МАИ 144
МАДИ 151
МГИУ 1179
МГОУ 121
МГСУ 331
МГУ 273
МГУКИ 101
МГУПИ 225
МГУПС (МИИТ) 637
МГУТУ 122
МТУСИ 179
ХАИ 656
ТПУ 455
НИУ МЭИ 640
НМСУ «Горный» 1701
ХПИ 1534
НТУУ «КПИ» 213
НУК им. Макарова 543
НВ 1001
НГАВТ 362
НГАУ 411
НГАСУ 817
НГМУ 665
НГПУ 214
НГТУ 4610
НГУ 1993
НГУЭУ 499
НИИ 201
ОмГТУ 302
ОмГУПС 230
СПбПК №4 115
ПГУПС 2489
ПГПУ им. Короленко 296
ПНТУ им. Кондратюка 120
РАНХиГС 190
РОАТ МИИТ 608
РТА 245
РГГМУ 117
РГПУ им. Герцена 123
РГППУ 142
РГСУ 162
«МАТИ» — РГТУ 121
РГУНиГ 260
РЭУ им. Плеханова 123
РГАТУ им. Соловьёва 219
РязГМУ 125
РГРТУ 666
СамГТУ 131
СПбГАСУ 315
ИНЖЭКОН 328
СПбГИПСР 136
СПбГЛТУ им. Кирова 227
СПбГМТУ 143
СПбГПМУ 146
СПбГПУ 1599
СПбГТИ (ТУ) 293
СПбГТУРП 236
СПбГУ 578
ГУАП 524
СПбГУНиПТ 291
СПбГУПТД 438
СПбГУСЭ 226
СПбГУТ 194
СПГУТД 151
СПбГУЭФ 145
СПбГЭТУ «ЛЭТИ» 379
ПИМаш 247
НИУ ИТМО 531
СГТУ им. Гагарина 114
СахГУ 278
СЗТУ 484
СибАГС 249
СибГАУ 462
СибГИУ 1654
СибГТУ 946
СГУПС 1473
СибГУТИ 2083
СибУПК 377
СФУ 2424
СНАУ 567
СумГУ 768
ТРТУ 149
ТОГУ 551
ТГЭУ 325
ТГУ (Томск) 276
ТГПУ 181
ТулГУ 553
УкрГАЖТ 234
УлГТУ 536
УИПКПРО 123
УрГПУ 195
УГТУ-УПИ 758
УГНТУ 570
УГТУ 134
ХГАЭП 138
ХГАФК 110
ХНАГХ 407
ХНУВД 512
ХНУ им. Каразина 305
ХНУРЭ 325
ХНЭУ 495
ЦПУ 157
ЧитГУ 220
ЮУрГУ 309

Полный список ВУЗов

Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).

Измерение температуры электрических машин и трансформаторов

Методы измерения.

При испытаниях применяются два различных вида термопреобразователей — с линейной и резко нелинейной характеристикой «вход—выход» в зоне допустимых температур. Первые используются для непрерывного измерения температуры или превышения температуры над температурой окружающей среды, а вторые — для регистрации факта превышения температуры отдельных частей машины сверх допустимого значения.
Следует иметь в виду, что для получения достоверных результатов, отражающих тепловое состояние электрической машины или трансформатора, необходимо заранее знать примерную картину их теплового поля, чтобы правильно установить датчики температуры. К измерениям температуры предъявляются следующие технические требования:
возможность измерений в требуемых точках при различных тепловых режимах работы;
внесение минимальных нарушений в тепловое поле при измерениях;
возможность осуществления дистанционных измерений, преимущественно методами непосредственной оценки.
независимость результатов измерений от вибрации, электромагнитных полей и условий окружающей среды; высокая точность измерений;
возможность применения для измерений температуры простой и стандартной измерительной аппаратуры.
В соответствии с указанными требованиями рассмотрим различные методы и способы измерения температуры.
Температуру отдельных частей машины и охлаждающих сред в соответствии с ГОСТ 25000—81 «Машины электрические вращаюшиеся. Методы испытаний на нагревание» следует измерять методами термометра, сопротивления, заложенных датчиков температуры и встраиваемых датчиков температуры.
Метод термометра. При этом методе термопреобразователь датчика температуры (см. подразд. 1.3) прикладывается к доступным поверхностям собранной электрической машины. В качестве термопреобразователя датчика можно применять термометр расширения, термопару, термометр сопротивления или терморезистор. Результат измерения представляет температуру поверхности в точке приложения датчика температуры. Термометры расширения находят ограниченное применение и используются в основном для измерения температуры охлаждающих жидкостей и газов. При этом не следует применять ртутный термометр для измерения температуры тех частей машины, где имеются переменные магнитные поля. Это связано с тем, что переменные магнитные поля наводят в ртути вихревые токи, которые нагревают ее и приводят к неправильным показаниям.
Метод сопротивления дает среднее значение температуры обмотки.
Отметим, что для повышения точности результатов измерения сопротивления обмоток в холодном и горячем состоянии следует измерять с помощью одних и тех же приборов.
Метод заложенных датчиков температуры применяют для определения температуры обмотки или активной стали. Обычно устанавливают не менее шести датчиков, равномерно расположенных по окружности машины в таких точках обмотки в осевом направлении пазов, в которых ожидают наибольшие значения температуры. Каждый датчик должен соприкасаться непосредственно с поверхностью, температура которой подлежит измерению, и быть защищен от воздействия охлаждающей среды. В качестве термопреобразователей датчиков используют термопары, термометры сопротивления или терморезисторы.
Температуру в месте заложения термопары следует определять по ее градуировочной характеристике. Холодный спай термопары должен быть защищен от быстрых изменений температуры окружающей среды. При наличии одной-двух термопар ЭДС измеряется милливольтметром с пределом измерения 3. 10 мВ и внутренним сопротивлением не менее 25 Ом/мВ.
При большем числе термопар, как правило, используют компенсационный метод измерений. Температуру в месте заложения термометров сопротивления определяют путем измерения сопротивления термометра мостом или специально предназначенными для этого логометрами. Превышение температуры следует принимать равным наибольшему измеренному значению.
Метод встраиваемых датчиков температуры. При использовании этого метода датчики (термопреобразователями могут являться термопары, термометры сопротивления или терморезисторы) устанавливают в электрическую машину только на время испытаний. Место установки — лобовые части обмотки или между отдельными листами активной стали на глубину не менее 5 мм от ее поверхности. Кроме того, датчики могут устанавливаться в другие доступные точки машины, в которых ожидается наибольшее превышение температуры. Измерения проводятся так же, как и в предыдущем случае.
Характеристика термопреобразователей. Термопары используют явление термоэлектричества, состоящее в том, что в цепи, состоящей из двух различных проводников или полупроводников, соединенных концами (электродами) и имеющими различную температуру точек соединения, появляется термоэлектродвижущая сила. При небольшом перепаде температур между спаями термо- ЭДС можно считать пропорциональной разности температур.
Для промышленных термопар используются следующие материалы термоэлектродов: термопара типа ТИП — платинородий (10% родия) — платина, термопара типа ТПР — платинородий (30% родия) — платина, термопара типа ТХА — хромель-алкомель, термопара типа ТХК — хромель-копель. Пределы измерения температуры при длительном применении для указанных типов термопар составляют: для ТПП — от — 20 до +1300 С, для ТПР — от +300 до +1600 С, для ТХА — от 50 до +1000 °С, для ТХК — от-50 до +600 °С. Значения термоЭДС, развиваемой термопарами при температуре горячего спая 100 С и холодного спая 0 «С составляют: для термопары типа ТПП — 0,64 мВ, 1ХА — 4,1 мВ, ТХК — 6.9 мВ. Для измерения температур ниже 50 С используются термопары медь-константан (до -270°С) и медь-коппель (до -200 °С).
Отметим, что термопара измеряет не температуру места установки спая, а превышение этой температуры над температурой противоположной пары электродов, к которым подключается измерительный прибор, поэтому при проведении измерений необходимо знать температуру в месте установки холодного (измерительного) спая или включать в состав датчика компенсатор температуры «холодного» спая.
Термометры сопротивления относятся к одним из наиболее точных преобразователей температуры. В частности, платиновые термометры сопротивления позволяют измерять температуру с погрешностью 0,001 С. Для измерения температуры применяются металлы, обладающие высокостабильным температурным коэффициентом сопротивления (ТКС) и линейной зависимостью сопротивления от температуры. К таким материалам относятся платина и медь.
Промышленные платиновые термометры сопротивления используются в диапазоне температур от -200 до +650°С, медные — от -50 до +200 °С. Величина ТКС в диапазоне температур от 0 до 100 С для платины составляет 0,0039, для меди — 0,00427 K-i.
Промышленные платиновые термометры имеют сопротивления 10, 46 и 100 Ом при О С; медные — 53 и 100 Ом. Увеличение температуры чувствительного элемента термометра, помещенного в тающий лед, за счет нагревания измерительным током не должно превышать 0,24 С для платиновых термометров и 0,4 °С для медных при рассеиваемой мощности в термометре, равной 10 мВт.
Терморезисторы подразделяются на металлические и полупроводниковые.
Выбор металла для терморезистора определяется химической инертностью металла к измеряемой среде в интересующем интервале температур и высокостабильным ТКС. Кроме платины и меди для изготовления терморезисторов применяются никель и вольфрам. ТКС никеля в диапазоне температур от 0 до 100 °С равен 0,0069, вольфрама — 0.0048 К4.
Основным достоинством никеля является его относительно высокое удельное сопротивление, которое имеет линейную зависимость от температуры только до +100 °С. Медные и никелевые терморезисторы выпускают из литого микропровода в стеклянной изоляции. Микропроволочные терморезисторы герметизированы, высокостабильны, малойнериионны и при малых габаритах могут иметь сопротивление до десятков килоом. Для низкотемпературных измерений находят применение индиевые, германиевые и угольные терморезисторы.
Полупроводниковые терморезисторы отличаются от металлических меньшими габаритами. Обычно ТКС полупроводниковых терморезисторов имеет отрицательное значение и уменьшается обратно пропорционально квадрату абсолютной температуры. При температуре 20еС величина ТКС составляет 0,02 . 0,08 К**1, что на порядок выше, чем у металлических терморезисторов (рис. 3.1, а).
Полупроводниковые терморезисторы выпускаются в большом ассортименте и имеют номинальные сопротивления при 20 С от 0,3 до 3300 кОм. Диапазон рабочих температур различных терморезисторов составляет от -100 до +300 °С. Точность измерения температуры с помощью полупроводниковых терморезисторов близка к точности металлических терморезисторов при соблюдении сроков их поверки.
Разработаны терморезисторы с положительным значением ГКС на базе сегнетоэлектриков, в частности ВаТЮ3, резко изменяющие свое сопротивление при малом изменении температуры (рис. 3.1, о). За пределами этого интервала сопротивление с ростом температуры уменьшается. В указанном интервале температур значение I КС достигает 0,3. 0,5 К»1. Такие полупроводниковые терморезисторы нашли применение в устройствах защиты электрических машин от перегревов. С их помощью проверяют, превышает температура допустимую или нет. Критическая температура, при которой начинается резкий рост сопротивления, составляет для различных полупроводниковых терморезисторов с положительным значением ТКС от +70 до +150 С.
Инерционность термопар и термометров характеризуется их постоянной времени. Различают термопары и термометры сопротивления малоинерционные (постоянная времени меньше или равна 40 с для термопары и 9 с для термометра), средней инерционности (постоянные времени соответственно равны 60 и 80 с); большой инерционности (с постоянными времени до 3,5 и 4,0 мин) и ненормированной инерционности.

0 20 40 60 80 100 Г/С 0 30 60 90 120 Т.»С
а 6

Характеристики полупроводниковых терморезисторов: а — с отрицательным ТКС; 6 — с положительным ТКС

Отдельную группу составляют измерители разового действия, к которым относятся теплочувствительные краски и легкоплавкие металлы. Эти измерители позволяют лишь ответить на вопрос, превысила ли измеряемая температура допустимую или нет. Если температура превысила допустимую, то теплочувствительная краска изменяет свой первоначальный цвет, а металлический предохранитель плавится, нарушает контакт в измерительной цепи и сигнализирует о недопустимом превышении температуры.

Особенности измерения температуры вращающихся частей электрических машин.

Температура вращающихся тел измеряется датчиками температуры, которые могут соединяться с индикатором через скользящий электрический контакт или бесконтактным способом. Возможно использование измерителей разового действия.
При использовании скользящего электрического контакта в качестве термопреобразователей используются термопары, термометры сопротивления или терморезисторы, которые через контактные кольца и щетки или жидкометаллические контакты соединяются с измерительными приборами. При использовании скользящего контакта в зоне последнего возникает коммутационная ЭДС. Сопротивление контакта сильно зависит от температуры, влажности, вибрации, скорости вращения и других факторов. В меньшей степени влияние указанных факторов проявляется в случае применения жидкометаллических контактов.
Скользящие контакты должны подвергаться испытаниям как в процессе изготовления, так и при эксплуатации, что затрудняет их использование. Кроме того, в ряде модификаций электрических машин нет места для установки дополнительного щеточно-контактного узла.
Бесконтактная передача информации с термопреобразователя на измерительное устройство может осуществляться с использованием индуктивной, емкостной или СВЧ связи. Широкое распространение получили бесконтактные методы измерения температуры, основанные на измерении теплового излучения ротора.
Индукционная связь может осуществляться с помощью вращающегося трансформатора — воздушного или с ферромагнитным сердечником. Вращающаяся катушка соединена с термометром сопротивления или терморезистором, а неподвижная включена в мостовую измерительную схему. Питание моста осуществляется от источника переменного тока.
В случае применения емкостной связи одна из обкладок конденсатора (обычно цилиндрического) вращается, а другая неподвижна. Время заряда или разряда конденсатора и его ток зависят от сопротивления термопреобразователя, соединенного с вращающейся обкладкой конденсатора.
В качестве термопреобразователей применяют и датчики с сердечниками из материалов, точка Кюри которых соответствует предельно допустимой температуре контролируемого элемента вращающегося ротора электрической машины.
СВЧ-связь применяется редко и осуществляется с помощью миниатюрных СВЧ-резонаторов, устанавливаемых на роторе. При изменении температуры в результате теплового расширения изменяются линейные размеры резонатора и его резонансная частота, что улавливается неподвижными приемниками частоты (частотомеры). Приемник может иметь шкалу в градусах либо может быть снабжен специальной градуировочной таблицей или кривой, которые позволяют по известному значению частоты определять температуру.
Использование теплового излучения вращающихся частей электрических машин для измерения их температуры стало возможным после разработки приемников излучения, имеющих длину волны около 5 мкм, что соответствует области излучения слабонагретых тел с температурами около Ю0°С (в частности, на базе сернистого свинца). Для бесконтактного измерения температуры вращающихся частей можно использовать стандартные фотоэлектрические пирометры и тепловизоры, которые серийно выпускаются промышленностью.

Измерение температуры в трансформаторах.

Температуру отдельных частей трансформатора и охлаждающих сред измеряют в соответствии с требованиями ГОСТ 3484—88*. Измерение температуры охлаждающей среды (трансформаторное масло, жидкий негорючий диэлектрик, воздух, элегаз) осуществляют методом термометра, а температуры обмоток — методом сопротивления. В случае невозможности применения метода сопротивления для определения температуры обмоток применяют метод термометра. Используемые при этом датчики температуры не отличаются от описанных ранее.
В соответствии с ГОСТ 3484 — 88* за среднюю температуру обмоток масляного трансформатора или трансформатора, заполненного жидким негорючим диэлектриком, принимается температура масла (жидкого негорючего диэлектрика) в верхних слоях, если трансформатор не подвергался нагреву в течение 20 ч и после заливки прошло не менее 6 ч. Температура средних слоев масла не должна превышать 40 °С
За среднюю температуру обмоток сухих трансформаторов, не подвергавшихся нагреву и находящихся не менее 16 ч в помещении, в котором колебания температуры охлаждающего воздуха не превышают 1 С в час, принимают среднее арифметическое показаний двух термометров, установленных у верхнего и нижнего краев боковой поверхности одной из наружных обмоток.
Температуру воздуха измеряют с помощью трех или более термометров, расположенных с трех сторон трансформатора примерно на середине его высоты на расстоянии 1 . 2 м от охлаждающей поверхности. Каждый термометр помешают в наполненный трансформаторным маслом сосуд объемом не менее 1 л, хорошо отражающий внешние тепловые излучения.