Среднее профессиональное образование а. В. Грищенко, В. В. Стрекопытов электрические машины и преобразователи подвижного состава

Глава 6. 
НАГРЕВАНИЕ И РЕЖИМЫ РАБОТЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН. 
6.1. Нагревание электрических машин. 
Общие сведения. Работа электрической машины всегда сопровождается ее нагреванием 
вследствие потерь энергии, происходящих в любой электрической машине. Все виды потерь 
энергии в итоге преобразуются в теплоту, которая частично отдается в окружающую среду, а 
частично идет на нагревание машины. Для выяснения закона нагревания электрических 
машин условно считают, что нагревание происходит равномерно по всему объему машины, а 
теплота одинаково рассеивается со всей ее поверхности. Нагрузочная способность 
электрических машин в большинстве случаев определяется условиями нагревания, так как 
повышение температуры является главной причиной, ограничивающей мощность машины 
при длительных и кратковременных нагрузках. С увеличением нагрузки возрастают потери 
энергии в машине и повышается количество выделяющейся теплоты. При чрезмерной 
нагрузке температура отдельных ее частей, и в первую очередь изоляции, может превысить 
допустимые пределы. В начальный период работы электрическая машина имеет 
температуру, практически не отличающуюся от температуры окружающей среды (воздуха). 
В этом случае вся теплота, выделяемая в машине, идет на повышение температуры ее частей. 
Затем количество теплоты, рассеиваемой в окружающую среду, увеличивается. И, наконец, 
через некоторое время машина нагреется настолько, что вся теплота, выделяющаяся в 
машине в единицу времени, будет рассеиваться в окружающую среду. В этом случае 
дальнейшее повышение температуры машины прекратится, и наступит режим теплового 
равновесия, при котором вся теплота, выделяемая в машине, рассеивается с ее поверхности в 
окружающую среду. Процессы нагревания и охлаждения во всех типах электрических 
машин происходят по общим законам, так как любую электрическую машину можно в 
первом приближении рассматривать как некоторое идеальное однородное твердое тело. В 
действительности электрическая машина не является таким телом, а представляет собой 
совокупность ряда частей (обмоток, элементов магнитопроводом, конструктивных деталей), 
которые имеют различную теплопроводность, теплоемкость и условия охлаждения, 
вследствие чего температура их также различна. Тем не менее, несмотря на сложный 
характер распределения тепловых полей в электрической машине и недостаточную точность 
тепловых расчетов, основанных на указанном предположении, можно установить некоторые 
общие закономерности изменения температуры машины в процессах нагревания и 
охлаждения. 
Рис. 6.1. Изменение температуры электрической машины при работе под нагрузкой и в 
режиме холостого хода. 
θ
mах
– максимальная температура обмотки по классу изоляции. 
Потери энергии ∑Р возникающие в электрической машине (см. соответствующие 
подразделы), выделяются в виде теплоты Q, повышающей температуру обмотки и 
магнитопровода. За промежуток времени t в электрической машине выделяется тепловая 

---

70 / 203 
энергия Q = 86l∑Рt. Температура электрической машины при ее нагревании и охлаждении 
изменяется по экспоненциальному закону. При нагревании превышение ее температуры над 
температурой окружающей среды возрастает (рис. 6.1), асимптотически приближаясь к 
установившемуся значению, соответствующему определенным значениям тока. Это может 
происходить при возрастании потерь мощности (т.е. нагрузки) машины или уменьшении 
интенсивности ее охлаждения. При увеличении интенсивности охлаждения или уменьшении 
тока нагрузки превышение температуры уменьшается до нового установившегося значения, 
соответствующего другим значениям тока. Если машина отключается от сети, то ток 
нагрузки I
н
= 0 и машина охлаждается до температуры окружающей среды. 
Рис. 6 2. Кривые нагревания и охлаждения ротора тягового генератора ГС-501А при разных 
токах нагрузки. 
Из рассмотрения кривой нагревания электрических машин (рис. 6.2) следует, что при 
достаточно большой продолжительности работы, превышение температуры ө достигает 
приблизительно постоянного значения. В этом случае наступает практически 
установившийся тепловой режим, называемый продолжительным (или длительным). 
Допустимые превышения температуры. В процессе работы электрической машины 
происходят необратимые изменения изоляции, которые называют старением изоляции. При 
этом, прежде всего изменяются механические свойства изоляции: снижается механическая 
прочность, изоляция становится хрупкой, образуются трещины. Наличие трещин в изоляции 
снижает ее электрическую прочность. Электрические машины обычно рассчитывают на срок 
службы 15 – 20 лет. Для того чтобы обеспечить заданный срок службы, необходимо при 
эксплуатации избегать режимов работы, вызывающих преждевременный выход из строя 
различных частей машины, в первую очередь преждевременное старение изоляции. 
Вот главные причины старения изоляции: 
• высокая температура; 
• большие перепады температуры между отдельными деталями машины; 
• электрическое поле; 
• повышенная влажность; 
• механические нагрузки. 
Высокая температура вызывает окисление составляющих изоляцию лаков. Поэтому для 
обеспечения заданного срока службы электрической машины температура нагревания 
отдельных ее частей не должна превышать допустимую. Следовательно, максимальная 
температура, при которой может работать электрическая машина, определяется 
нагревостойкостью применяемой в ней изоляции. Чем выше допустимая предельная 
температура отдельных частей машины, тем меньше срок ее службы из-за постепенного 
старения изоляции. Однако чем выше эта температура, тем больше можно нагрузить данную 
машину. Электроизоляционные материалы, применяемые в электрических машинах, в 
зависимости от нагревостойкости разделяются на семь классов, температурные 
характеристики которых приведены ниже: 

---

71 / 203 
Класс изоляции 
Y 
A 
E 
B 
F 
H 
C 
Допустимая температура перегрева,°С 80 105 120 130 155 180 Выше 180 
Наиболее чувствительны к высоким температурам материалы, выполненные из целлюлозы, 
бумаги, шелка и т.п., применяемые в изоляции классов А и Е. В изоляции класса В в первую 
очередь окисляются связующие материалы и пропитывающие лаки. Изоляция классов F и Н, 
как и изоляция класса В, выполняется на основе слюды, асбеста и стекловолокна, но 
содержит связующие вещества с более высокой нагревостойкостью. Изоляция класса С 
(керамика и слюда) не реагирует на высокие температуры. Экспериментальные исследования 
показали, что время старения изоляции (годы) под действием температуры можно 
приближенно определить по формуле: t = e
-aθ
(6.1) 
где α – коэффициент, зависящий от класса изоляции; θ – температура,°С. Из формулы (6.1) 
следует, что с увеличением температуры резко возрастает интенсивность старения изоляции. 
Так, например, для изоляции класса А при температуре 95°С срок службы изоляции 
составляет 16 лет, при 110°С срок службы всего 4 года, а при 150°С он сокращается до 
нескольких дней. При ориентировочных расчетах принимают, что повышение температуры 
изоляции на 8°С сверх допустимой снижает срок службы изоляции класса А в 2 раза 
(правило восьми градусов). Зависимость срока службы от температуры для изоляции класса 
В имеет такой же характер, как и для изоляции класса А, но сдвинута на 20°С. 
Следовательно, и для других видов изоляции справедливы общие соображения, сделанные 
относительно изоляции класса А, в частности справедливо правило восьми градусов. 
Практически определить перегрев изоляции трудно, но помнить о его влиянии на срок 
службы машины всегда полезно. В табл. 6.1 приведены предельно допустимые превышения 
температуры для некоторых частей электрических машин подвижного состава (температура 
обмоток измерялась по методу сопротивления, а температура сердечников, коллекторов и 
контактных колец – с помощью термометров). Максимально допустимую температуру 
обмотки можно найти путем сложения максимально допустимого превышения температуры 
с условной температурой окружающей среды, которую принимают равной 40°С.