содержание   ..  10  11  12  13  14  15  16  17  18  19  20  ..

РАЗДЕЛ 3

НАГРЕВ И ОХЛАЖДЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН

3.1.

Распределение потерь по объему и нагрев электрических машин

При электромеханическом преобразовании энергии часть потребляемой энергии всегда преобразуется в тепловую. Разность между потребляемой электрической машиной энергией и отдаваемой называют потерями и для удобства сравнения с мощностью машины оценивают за единицу времени и выражают в единицах мощности — Вт или кВт.

Потери в машине в зависимости от вызывающих их физических процессов подразделяют на электрические, магнитные, механические, вентиляционные и добавочные- или дополнительные. Каждый вид потерь локализован в определенных участках объема машины: электрические потери — в проводниках обмоток, соединительных проводах и в скользящих контактах (щетки - коллектор или щетки — контактные кольца); магнитные потери, включающие потери на вихревые токи и гистерезис, — в стали участков магнитопровода с переменным магнитным потоком; механические потери, включающие потери на трение в подшипниках, на трение вращающихся частей машины о воздух или газ и трение щеток о коллектор или контактные кольца,— соответственно в подшипниках, на поверхностях вращающихся деталей, коллекторов или контактных колец. Вентиляционные потери непосредственного влияния на нагрев

машины не оказывают, так как энергия, затрачиваемая на вентиляцию, преобразуется не в тепловую, а в кинетическую энергию движения охлаждающего газа. В генераторах на вентиляцию расходуется мощность приводного двигателя, поэтому выделения тепловой энергии в объеме генератора за счет вентиляционных потерь не происходит. В двигателях на вентиляцию расходуется часть электромагнитной энергии, передаваемой от статора машины к ротору, поэтому вентиляционные потери увеличивают потребляемую двигателем мощность.

Дополнительные потери подразделяют на потери холостого хода и потери короткого замыкания. Первые включают поверхностные и пульсационные потери, возникающие от пульсаций индукции в зазоре электрической машины. Потери этого вида имеют место как при холостом ходе машины, так и при ее работе с нагрузкой. Дополнительные потери короткого замыкания возникают лишь при нагрузке машины. К ним относят потери в проводниках обмотки, обусловленные высшими гармоническими поля в машине, не учтенные в расчете других видов потерь. Расчет дополнительных потерь короткого замыкания в настоящее время наименее точен по сравнению с расчетом других видов потерь. ГОСТ 183-74 предписывает учитывать этот вид потерь в размере 0,5% потребляемой мощности при нагрузке машины.

Потери и характер их распределения в объеме машины формируют ее температурное поле.

Особенностью электрических машин является тесное конструктивное сочетание металлов и изоляции, т. е. материалов, имеющих резко различные тепловые характеристики. В то время как металлы сохраняют свои рабочие свойства при температурах до 400— 500 °С и выше, верхний предел допустимого нагрева изоляционных материалов, применяемых в электромашиностроении, в зависимости от класса их нагре-востойкости составляет 90—180°С (табл. 3.1). В настоящее время в электрических машинах применяются изоляционные материалы классов нагревостойкости Е, В и F (ГОСТ 8865-70). Материалы класса Н используются значительно реже; материалы классов нагревостойкости Y и А в современных электрических машинах практически не применяются. В последние годы разработаны изоляционные материалы с допустимой рабочей температурой 200—240 °С, но они находят применение лишь в машинах специального назначения [4].

Диэлектрические свойства изоляционных материалов с течением времени ухудшаются. При длительной эксплуатации изоляция усыхает, уменьшается ее механическая прочность, снижается пробивное напряжение. Этот процесс называют старением изоляции. Интенсивность старения во многом зависит от температуры. Чем выше рабочая температура изолированного изделия, тем быстрее происходит старение и уменьшается срок службы изоляции. При нормировании допустимого нагрева частей электрической машины исходят из того, чтобы соприкасающаяся с ними или расположенная в непосредственной близости от них изоляция могла выполнять свои функции в течение расчетного срока эксплуатации машины. Поэтому предельно допустимый нагрев частей электрической машины зависит от класса нагревостойкости изоляции.

Нагрев частей электрической машины может быть определен расчетным путем на стадии проектирования или экспериментально во время тепловых испытаний готовых машин. Измерение температуры частей электрической машины в процессе ее

Таблица 3.1. Нагревостойкость электроизоляционных материалов

эксплуатации является способом контроля нормальной работы машины. Для учета влияния условий, в которых работают машины, ГОСТ устанавливает не абсолютную допустимую температуру ее частей, а превышение их температуры над температурой охлаждающей среды при определенном атмосферном давлении. Температура охлаждающей газообразной среды принимается равной 40 "С, а давление регламентируется местом эксплуатации машины на высоте не более 1000 м над уровнем моря (табл. 3.2). Эти нормы обязательны для машин общего назначения. Для специальных машин они могут быть изменены в зависимости от ряда условий, например сокращенного расчетного срока службы машины, повышенных требований к надежности и т. п., которые оговариваются в ТУ или ГОСТ на машины данного типа.

Предельно допустимая температура частей электрических машин, рассчитанная как сумма допустимого превышения их температуры, взятого по табл. 3.2, и температуры охлаждающей среды (40 °С) оказывается несколько меньше, чем допустимая температура изоляционных материалов данного класса нагревостойкости (см. табл. 3.1). Это устанавливается в связи с тем, что методы расчета, измерения или контроля температуры частей электрической машины позволяют либо зафиксировать температуру их отдельных нескольких точек (методы термометра и температурных индикаторов — термопар, термопреобразователей), либо определить среднюю температуру какой-либо части машины, например среднюю температуру ее обмотки или части обмотки (метод сопротивления).

Предпочтительным методом измерения температур обмоток, указанных в п. 1 табл. 3.2, является метод температурных индикаторов, для всех остальных обмоток — метод сопротивления. Если одновременно с определением температуры обмоток методом сопротивления или с помощью температурных индикаторов производится отсчет по термометру, то превышения температуры наиболее нагретых точек по показаниям термометра не должны быть больше 65 °С для частей машины с изоляцией класса нагревостойкости А, 80 °С — класса Е, 90 °С — класса В, 110°С-класса F и 135 °С - класса Н.

Для обмоток высоковольтных машин с воздушным охлаждением на номинальное напряжение свыше 11000 В, установленных на высоте более 1000 м над уровнем моря, предельно допустимые превышения температуры, указанные в табл. 3.2, снижаются на

каждые полные или неполные 1000 В при измерениях термометром на 1,5 °С, при измерениях температурными индикаторами при номинальных напряжениях в пределах 11000-17000 В - на 1 °С и при напряжении свыше 17000 В — дополнительно на 0,5 °С на каждые полные или неполные 1000 В.

Когда температура газообразной охлаждающей среды отлична от 40 °С, предельно допустимые превышения температур частей электрической машины пересчитываются. При температуре охлаждающей среды выше 40 ^СС (но не более 60 °С) они должны быть уменьшены на разность между фактической температурой охлаждающей среды и 40 °С. При температуре охлаждающей среды выше 60 °С допустимые превышения температуры устанавливаются по согласованию с предприятием-изготовителем. При температуре газообразной охлаждающей среды ниже 40 °С предельно допустимые превышения температур могут быть увеличены на разность между 40 °С и фактической температурой охлаждающей среды, но не более чем на 10 °С. Этот пересчет может быть произведен для всех электрических машин, кроме турбогенераторов, гидрогенераторов и синхронных компенсаторов, для которых допускаемые превышения при температуре газообразной охлаждающей среды меньше 40 °С указаны в стандартах или в технических условиях на эти машины.

Предельно допустимые превышения температуры частей электрических машин, предназначенных для установки на высоте над уровнем моря, превышающей 1000 м (но не более 4000 м), в тех случаях, когда измерения производятся на высоте до 1000 м, уменьшаются по сравнению с указанными в табл. 3.2 на 1 °С на каждые полные или неполные 100 м сверх 1000 м при условии, что температура охлаждающей среды не превышает 40 °С. Если же абсолютное давление в охлаждающей системе машины соответствует высоте над уровнем моря 1000 м и поддерживается постоянным независимо от высоты установки машины, то поправку к допускаемым превышениям температуры, зависящую от высоты установки машины над уровнем моря, не вводят.

Допустимая температура подшипников машины независимо от температуры охлаждающей среды и высоты установки над уровнем моря не должна превышать 80 °С для подшипников скольжения (температура масла при этом не должна быть более 65 °С) и 100 °С для подшипников качения. Более высокая температура допускается только при применении специальных подшипников.

Таблица 3.2. Предельно допустимые превышения температуры частей электрических машин при температуре газообразной охлаждающей

среды 40 °С и высоте над уровнем моря не более 1000 м

I

1

I

Примечания: 1. Для стержневых обмоток ротора асинхронных машин допускается по согласованию с заказчиком иметь превышения температуры по п. 4. 2. Превышения температуры, указанные в п. 9, не должны превосходить допустимых значений для соприкасающихся обмоток.

В первом приближении для оценки нагрева электрическую машину можно представить как однородное тело с источниками тепла (потерями), равномерно распределенными внутри его объема. При неизменных во времени потерях процесс нагревания поверхности машины в этом случае описывается уравнением теплового баланса [18]

£Р dt = Cd (ДЭ) + oeSAS dt,

где Yj¹ ~ сумма потерь в объеме машины, Вт; С — теплоемкость машины, С = ст, с— удельная теплоемкость материала машины, Дж/(кг°С); т — масса машины, кг; а— коэффициент теплоотдачи с поверхности, Вт/(м² • °С), определяющий мощность, рассеиваемую с 1 м²площади поверхности при превышении температуры поверхности над охлаждающей средой, равной 1°С; S — поверхность охлаждения, м²; ДЭ — превышение температур поверхности машины над температурой охлаждающей среды, °С. Из приведенного уравнения следует, что определенная доля потерь, выделяющихся в машине с момента ее включения, расходуется на нагрев самой машины, а остальные потери рассеиваются с поверхности в охлаждающую среду (соответственно первое и второе слагаемые правой части уравнения). По мере нагрева машины температура ее поверхности повышается, все большая часть тепла передается в окружающую среду и нагрев машины замедляется. При длительной (t = оо) работе с неизменной нагрузкой

Рис. 3.1. Кривые нагрева и охлаждения:

а — процесс нагрева (при t = О ДЭ₀ = 0, при t =

= со ДЭда = ДЭу_СТ); б — процесс охлаждения (при

г = 0 да_о = ДЭ_о = ДЭ_уст, при ( = ооДЭ₀₀ = 0)

наступает тепловое равновесие, при котором уже все выделенные внутри машины потери рассеиваются в охлаждающую среду, а нагрев машины прекращается [d(A&) = 0]. Такой режим называют установившимся тепловым режимом. Он характеризуется установившейся температурой машины Д$_у(гг = = const.

Общим решением уравнения теплового баланса является

ДЭ = Д3₀ + (ДЭ_М - ДЭ₀) (1 - e~^tlT),

где Д3₀ — начальное (при t = 0) превышение температуры поверхности машины над температурой охлаждающей среды, °С; A9_W — конечное (при t = оо) превышение температуры поверхности машины над температурой охлаждающей среды, °С; Г — постоянная времени нагрева, с:

T = C/(aS).

В частном случае нагрев машины из практически холодного состояния (при t = 0

да₀ = о, при t = оо дэ_и = дэ_уст) дз = дЭусЛ¹ - ^е~"^Т)-

Охлаждение отключенной от сети машины, достигшей установившейся температуры (при t = 0 Д$_о = Д9_уст при t = оо ДЗ^ = = 0),

АЭ = А$_усте-"^т.

Эти выражения графически иллюстрируются кривыми нагрева и охлаждения машины, приведенными на рис. 3.1,а и б, на которых дана также графическая интерпретация постоянной времени нагрева Т.

Точный расчет нагрева электрических машин требует решения трехмерного температурного поля, осложненного неравномерным распределением источников тепла в объеме машины, различными тепловыми характеристиками элементов машины, существенно зависящими от технологии изготовления машины и системы охлаждения [21].

Расчетные методы в большинстве случаев основаны на условном подразделении всего объема машины или его симметричной в тепловом отношении части на ряд зон, обладающих постоянными в пределах каждой зоны тепловыми характеристиками (коэффициентом теплопроводности материала, отсутствием или наличием источников тепла и т. п.). По границам каждой из зон определяются условия теплопередачи, устанавливаются возможные направления тепловых потоков и для каждого из выбранных направлений рассчитываются тепловые сопро-

тивления в пределах зоны и на ее границах. Йри расчете тепловых сопротивлений учи-тывак)т теплопроводность материала в направлении теплового потока, размеры зоны, условия теплопередачи с поверхности, характер и скорость движения соприкасающегося с зоной охлаждающего газа или жидкости, их теплоемкость, состояние охлаждающей поверхности и другие факторы, оказывающие влияние на процессы теплопередачи. Расчеты могут быть проведены либо для всей машины, либо для отдельно взятой ее детали без связи с нагревом остальных частей. Например, определен нагрев коллектора от электрических потерь в скользящем контакте и потерь на трение щеток о коллектор, рассчитаны перепад температуры по толщине изоляции пазовой части обмотки или превышение температуры проводников лобовой части обмотки над температурой охлаждающего воздуха внутри машины и т. п.

При расчете динамики нагрева помимо всех перечисленных выше факторов должна быть также учтена теплоемкость материала каждой из зон, на которые подразделен объем машины [18].

Нагрев конкретной электрической машины зависит от режима ее работы, т. е. от соотношения длительности периодов работы и пауз между ними или периодов работы с полной и частичной нагрузкой, от частоты включения машины и характера протекания переходных процессов. Для различных режимов работы электрических машин ГОСТ устанавливает следующие термины.

Практически неизменная нагрузка машины — нагрузка, при которой отклонение тока и напряжения якоря и мощности машины от заданного режима не превышает + 3 %, а тока возбуждения и частоты - не более ±1%.

Практически неизменная температура охлаждающей среды — температура охлаждающей газообразной среды, изменяющаяся в течение одного часа не более чем на 1 °С, или температура охлаждающей жидкой среды (при непосредственном охлаждении), изменяющаяся в течение 1 ч не более чем на 0,5 "С.

Практически установившаяся температура частей электрической машины — температура, изменение которой в течение 1 ч не превышает 1 °С при условии, что нагрузка

машины и температура охлаждающей среды остаются практически неизменными.

Практически повторяющаяся температура какой-либо части электрической машины при повторно-кратковременных или перемежающихся режимах работ — температура в конце рабочего периода или в конце паузы, изменение которой от одного рабочего периода к другому не превышает 2°С в течение 1 ч работы машины при условии, что нагрузка машины во время рабочих периодов, продолжительность включения, продолжительность нагрузки и пауз, а также температура охлаждающей среды остаются практически неизменными.

По времени включения машины, соотношение продолжительности работы и пауз, а также по характеру изменения нагрузки режимы работы электрических машин подразделяют на продолжительный, кратковременный, повторно-кратковременный и перемежающийся.

Продолжительным режимом (условное обозначение S1) называют режим, при котором время работы машины при практически неизменных нагрузке и температуре охлаждающей среды достаточно для нагрева всех ее частей до практически установившейся температуры. Режим характеризуется неизменными потерями (рис. 3.2, а) в течение всего времени работы машины.

Кратковременным режимом работы (S2) называют режим, при котором периоды неизменной нагрузки чередуются с периодами отключения машины (рис. 3.2,6), причем за время работы температура частей машины не успевает достигнуть установившегося значения, а за время пауз (отключения машины) машина охлаждается до практически холодного состояния, т. е. до практически установившейся температуры, отличающейся от температуры охлаждающей среды не более чем на 1 °С. Установленная ГОСТ длительность периодов работы в данном режиме — 10, 30, 60 и 90 мин. Она должна быть указана в условном обозначении режима работы, например S2 —30 мин, S2 — 60 мин.

Повторно-кратковременный режим отличается от кратковременного регламентированными продолжительностью включения под неизменную нагрузку и продолжительностью периодов отключения (пауз), причем время работы машины всегда меньше времени, необходимого для нагрева ее частей до установившейся температуры, а время пауз меньше необходимого для остывания машины до практически холодного состояния. Продолжительность включений (ПВ) уста-

Рис. 3.2. Изменение нагрузки, потерь и температуры

a-Sl; 6-S2; в-S3; г - S4;

электрических машин при различных режимах работы d-S5, e-S6, ж-SI, 3-S8

навливается в процентах продолжительности одного цикла работы, включающего в себя время работы и время паузы. Продолжительность включения для всех повторно-кратковременных режимов принята равной 15, 25, 40 и 60% продолжительности одного цикла.

В повторно-кратковременном режиме S3 продолжительность цикла установлена равной 10 мин.

Работа машины и паузы периодически чередуются. Продолжительность включения, %, определяется по формуле

где N, R — время (продолжительность) работы и паузы, с.

Характер изменения потерь и нагрева машины во времени при режиме работы S3 иллюстрирует рис. 3.2, в.

В условном обозначении режима указывают продолжительность включения в процентах; например S3-25%, S3-40%. Для режима S3 предполагается отсутствие влияния на нагрев машины увеличения потерь за время пуска, так как продолжительность пускового периода много меньше периода работы машины.

Повторно-кратковременный режим S4 определяет эксплуатацию машины с частыми пусками, при которых длительность одного цикла определяется числом включений в час: 30, 60, 120 или 240 при определенном коэффициенте инерции FI, равном 1,2; 1,6; 2,0; 2,5; 4,0; 6,3 или 10. Коэффициент инерции — это отношение суммы момента инерции ротора и приведенного к валу двигателя момента инерции приводного механизма к моменту инерции ротора.

В условном обозначении режима указывается продолжительность включения в процентах, число включений в час и коэффициент инерции, например S4 —25%, 120 включений в час, FI — 2,0. Это означает, что двигатель при коэффициенте инерции FI = 2,0 рассчитан на работу при 120 включениях в час, длительность каждого цикла составляет 60/120 = 0,5 мин, из которых время пуска (D) и время работы (N) составляет 25%, т. е. 7,5 с, а время паузы (К) — 22,5 с.

Из-за малой длительности каждого цикла время пуска (разгона) машины соизмеримо с временем ее работы, поэтому увеличение потерь в пусковом периоде оказывает непосредственное влияние на нагрев машины (рис. 3.2, г). Времена пуска, работы и паузы связаны следующим соотношением, %:

Повторно-кратковременный режим с частыми пусками и электрическим торможением (S5) отличается от рассмотренного тем, что в конце каждого цикла происходит электрическое торможение двигателя. Эксплуатация двигателей рассчитана при коэффициентах инерции FI,равных 1,2; 1,6; 2,0; 2,5; и 4,0. Продолжительность включения, %, определяется из соотношения

где N — время работы с неизменной нагрузкой; V— время холостого хода.

В условном обозначении режима указывается ПН в процентах, например S6—40%.

В перемежающемся режиме с частыми реверсами при электрическом торможении (S7) длительность цикла работы определяется числом включений в час — 30, 60, 120 или 240 при определенном коэффициенте инерции FI - 1,2; 1,6; 2,0; 2,5 или 4,0. Из-за малой длительности неизменной нагрузки потери в пусковые периоды и во время реверсов оказывают существенное влияние на нагрев частей двигателя (рис. 3.2, ж). В условном обозначении указываются число включений в час и коэффициент инерции, на-

где D — время пуска; N — время работы; F — время электрического торможения; R — пауза. Число включений в час принято таким же, как и в режиме S4 (рис. 3.2, д).

В условном обозначении режима указывают продолжительность включения, %, число включений в час и коэффициент инерции, например S5 —40%, 60 включений в час, FI - 1,2.

В перемежающемся режиме периоды работы при определенных нагрузке и частоте вращения чередуются с периодами холостого хода двигателя, или реверсами при электрическом торможении, или с работой при другой частоте вращения. Продолжительность работы с неизменной нагрузкой (ПН) определяется в процентах длительности одного цикла - 15, 25, 40 или 60%.

В перемежающемся режиме (S6) длительность одного цикла принята 10 мин. Влияние пусковых потерь на нагрев частей двигателя не учитывается (рис. 3.2, е), Нагрузка двигателя перемежается с холостым ходом двигателя. Продолжительность нагрузки, %, определяется по формуле

пример S7 — 120 включений в час, FI — 2,5. В перемежающемся режиме с двумя и более частотами вращения (S8) определена последовательная смещ периодов работы с неизменной нагрузкой на одной частоте вращения, периодами работы на другой частоте вращения с иной, но также неизменной нагрузкой, соответствующей этой частоте. Режим определяется числом циклов в час — 30, 60, 120 или 240, коэффициентом инерции FI = 1,2; 1,6; 2,0; 2,5 и 4,0 и относительной (в процентах к длительности цикла) продолжительностью нагрузки на каждой из частот вращения (ПН,, ПН₂, ...), которая рассчитывается по формулам

где !>! — время разгона; N_lt N₂, N₃ — время работы; Fj, F₂, F₃ ~ время электрического торможения на каждой из частот вращения.

Изменение потерь двигателя при переходе на другую частоту вращения с другой нагрузкой и при электрическом торможении оказывает существенное влияние на нагрев частей машины (рис. 3.2, з).

В условном обозначении режима указываются число включений в час, коэффициент инерции, нагрузка, соответствующая каждой из частот вращения, и ее относительная продолжительность в процентах общей длительности цикла, которая устанавливается по соглашению между заказчиком и изготовителем. Примеры обозначений: S8 — 60 включений в час. FI - 2,0; 22 кВт; 740 об/мин; 40%; 55 кВт; 1470 об/мин; 60%.

При эксплуатации машин в повторно-кратковременных или перемежающихся режимах с указанными в паспорте продолжи-тельностями включения и нагрузки, коэффициентом инерции FI и числом пусков в час практически повторяющаяся температура их частей не превышает допустимую, установленную для данного типа машины и класса нагревостойкости ее изоляции.

Возможность эксплуатации машины в измененном по сравнению с паспортным режиме, например с иными ПВ или ПН, числом пусков в час или с другим F_v при одновременном изменении рабочей нагрузки рассматривается в § 6.3.

Кроме основных режимов работы элек-

трических машин (SI— S8), регламентированных ГОСТ 183-74, в практике эксплуатации электрических двигателей можно выделить режим кратковременной нагрузки с продолжительностью включения, существенно меньшей 10 мин, режим чередующихся реверсов, характерный, в частности, для рольганговых двигателей, и режим стохастической нагрузки, характерный для гор-но-шахтного и бурильного оборудования.

Режим кратковременной нагрузки с малой продолжительностью рабочего цикла является частным случаем режимов S2, S3 и отличается от них тем, что время работы в этом режиме соизмеримо с временем пуска двигателя. В связи с этим потери в двигателе необходимо рассматривать как функции времени, а не как постоянные величины.

Режим чередующихся реверсов относится к режиму S7, но отличается от него симметричным графиком мощности при различном направлении вращения. Кроме того, рабочий цикл по времени соизмерим с временем реверса, и поэтому при расчете потерь необходимо учитывать апериодические составляющие тока и магнитного потока.

Резким стохастической (случайной) нагрузки характеризуется вероятностными характеристиками момента нагрузки (сопротивления) на валу:

математическим ожиданием (МО), характеризующим среднее значение нагрузочного момента;

дисперсией или среднеквадратичным отклонением (СКО), оценивающим разброс значений М„ относительно МО;

корреляционной функцией, устанавливающей связь между сечениями случайного процесса М_я (t);

плотностью распределения вероятности М„.

Эти характеристики определяются согласно ГОСТ 11.004-84 и ГОСТ 11.006-74.

В отличие от предыдущих режимов график случайной нагрузки не может быть выражен детерминированной функцией времени. Поэтому и тепловое состояние двигателя оценивается вероятностными характеристиками случайной функции нагрева во времени.

Все виды стохастических нагрузок в основном представляются как стационарные случайные процессы, т. е. такие процессы, которые имеют постоянное значение МО, СКО и корреляционную функцию, зависящую лишь от временного интервала между сечениями случайного процесса.

Для этого режима характерно то, что все переменные двигателя — ток, потери,

КПД, cos ф и др. — характеризуются не только своими средними значениями, но и диапазоном изменения случайной составляющей этих величин относительно своего среднего значения. В частном случае при нулевом отклонении случайной составляющей момента нагрузки от его среднего значения режим стохастической нагрузки сводится к одному из режимов SI —S8.

Превышение температуры поверхности охлаждения электрической машины над температурой охлаждающей среды определяется выражением

ДЭ = £р/(а5_0хл),

где S_0XJI — поверхность охлаждения машины; Y,P — сумма потерь, отводимых с поверхности охлаждения; а — коэффициент теплоотдачи с поверхности.

Уменьшение нагрева машины может быть достигнуто снижением использования активного объема машины (уменьшением £Р), увеличением эффективности теплоотдачи (увеличением коэффициента а) и увеличением поверхности охлаждения. Снижение использования активного объема экономически невыгодно, так как приводит к неоправданному увеличению габаритов и массы машины, поэтому задача улучшения охлаждения электрических машин, как правило, решается путем увеличения коэффициента теплоотдачи и площади поверхности охлаждения.

В современном электромашиностроении коэффициент теплоотдачи повышают путем организации интенсивного обдува охлаждаемых поверхностей воздухом и применением для охлаждения водорода, воды или масла. Поверхность охлаждения увеличивают оребрением корпусов машин и созданием систем вентиляционных каналов для пропуска охлаждающего агента (воздуха, водорода или жидкости) внутрь машины непосредственно к элементам ее объема, в которых происходит наиболее интенсивное выделение тепла,— к активной стали и обмоткам. В последнем случае достигается также уменьшение нагрева внутренних зон машины из-за уменьшения теплового потока от места выделения тепла к внешней поверхности машины.

Классификация систем вентиляции в зависимости от расположения вентиляторов

Рис. 3.3. Классификация систем вентиляции электрических машин

и преимущественного направления вентиляционных каналов внутри машины применительно к воздушному охлаждению приведена на рис. 3.3.

В электрических машинах с естественным охлаждением отсутствуют как вентилятор, так и какие-либо иные конструктивные элементы, создающие направленное движение воздуха для отвода тепла от частей машины. Охлаждение осуществляется за счет свободной конвекции воздуха, вызванной разницей температур нагретой поверхности машины и охлаждающей среды.

Большинство электрических машин имеет искусственное охлаждение, при котором обязательным является наличие каких-либо конструктивных элементов или отдельных устройств (вентиляторов, компрессоров, вентиляционных лопаток или ковшей и т. п.), создающих аэродинамический или гидравлический напор, необходимый для обеспечения направленного движения охлаждающего газа или жидкости по вентиляционным каналам или обдува внешней поверхности машины.

Системы вентиляции в зависимости от привода устройства, создающего напор для движения охлаждающего агента, подразделяют на самовентиляцию и принудительную или независимую вентиляцию. Наиболее распространена самовентиляция электрических машин, т. е. система вентиляции, при которой вентилятор или другое устройство, обеспечивающее движение охлаждающего агента, непосредственно связаны с ротором или валом машины (установлены на роторе, насажены на вал машины или связаны с валом

Рис. 3.4. Схема движения охлаждающего воздуха при внешнем обдуве асинхронного двигателя серии 4A, h = 160 мм, исполнение IP44, способ охлаждения IC041

клиноременной или какой-либо иной передачей). Такая система вентиляции достаточно проста по конструкции, но имеет существенный недостаток: движение хладагента происходит только при вращении вала машины, а скорость его движения меняется с изменением частоты вращения вала. В двигателях с широким регулированием частоты вращения самовентиляция часто оказывается недостаточно эффективной. В таких машинах применяют принудительную систему вентиляции, при которой вентилятор приводится во вращение посторонним вспомогательным двигателем с постоянной и не зависящей от режима работы охлаждаемой машины частотой вращения.

В зависимости от исполнения машины по степени защиты от влияния окружающей среды поток охлаждающего воздуха может быть направлен либо только на внешнюю поверхность машины (внешний обдув), либо в вентиляционные каналы внутрь машины (внутреннее охлаждение) к обмоткам, стали магнитопровода и другим нагревающимся ее частям.

Внешний обдув несмотря на меньшую эффективность охлаждения широко применяется для машин, работающих в загрязненной атмосфере, например в запыленных помещениях. Так, все асинхронные двигатели серии 4А до высоты вращения 160 мм выполняются с внешним обдувом статора

(рис. 3.4). Для усиления теплоотдачи внешнюю поверхность их корпусов делают ореб-ренной. При внешнем обдуве улучшение теплоотдачи от частей машины, непосредственно не соприкасающихся с внутренней поверхностью корпуса, достигается организацией направленного движения воздуха, находящегося внутри корпуса машины, при помощи внутреннего вентилятора или вентиляционных лопаток на роторе. Этим обеспечивается перенос тепла, например, от ротора и лобовых частей обмотки статора к внутренней поверхности корпуса.

Внутренняя вентиляция может быть нагнетательной или вытяжной. При нагнетательной вентиляции воздух проходит по вентиляционному тракту за счет напора, создаваемого на входе в тракт. При вытяжной вентиляции движение воздуха осуществляется за счет разрежения, создаваемого на выходе из вентиляционного тракта.

По преимущественному направлению вентиляционных каналов и направлению движения охлаждающего воздуха относительно оси машины различают аксиальную (рис. 3.5), радиальную (рис. 3.6) и смешанную (аксиально-радиальную) системы вентиляции. Применение той или иной системы определяется размерами машины, специфическими особенностями конструкции машин различных типов и условиями распределения потерь по их объему.

Рис. 3.5. Схема движения охлаждающего воздуха при вытяжной аксиальной вентиляции двигателя постоянного тока серии 2П, h — 180 мм, исполнение IP22, способ охлаждения IC01

Рис. 3.6. Схема движения охлаждающего воздуха при радиальной вентиляции асинхронного двигателя серии 4А, h = 180 мм, исполнение IP23, способ охлаждения IC01

Внутренняя вентиляция электрических машин может осуществляться при разомкнутых или замкнутых циклах циркуляции охлаждающего воздуха. При разомкнутом цикле воздух из окружающей машину среды проходит по вентиляционному тракту, нагревается в процессе охлаждения машины и выбрасывается вновь в окружающую среду. Это наиболее распространенная система. Основным ее достоинством является отсутствие каких-либо дополнительных устройств помимо системы вентиляционных каналов и вентилятора. К недостаткам разомкнутого цикла следует отнести зависимость температуры охлаждающего воздуха от температуры окружающей среды, возможность загрязнения вентиляционных каналов внутри машины пылью или повреждения изоляции обмоток агрессивными газами или парами, находящимися в окружающем машину воздухе. При замкнутом цикле вентиляции (рис. 3.7) нагретый воздух или газ, находящийся внутри машины, не выбрасывается наружу, а пропускается через охладительные устройства и, охлажденный, снова поступает на вход охладительного тракта. Это позволяет изолировать его от окружающего ма-

шину воздуха и обеспечить охлаждение до нужной температуры независимо от температуры окружающей среды. Замкнутый цикл требует устройств охладителей и применения надежных уплотнений, препятствующих проникновению внешнего воздуха внутрь корпуса машины или утечке охлаждающего газа в атмосферу. Такие системы применяются лишь в машинах специальных назначений, например для интенсивного охлаждения машин, работающих во взрывоопасных помещениях, и, как правило, во всех крупных турбогенераторах, гидрогенераторах, синхронных компенсаторах и т.» п.

Для охлаждения крупных турбогенераторов и некоторых синхронных компенсаторов применяют водородное охлаждение, при котором корпус машины заполняется водородом, имеющим приблизительно в 14 раз меньшую плотность, чем воздух. При этом существенно уменьшаются потери на трение вращающихся частей о газ, что особенно важно для быстроходных синхронных турбогенераторов, улучшаются условия работы изоляции (она находится в среде, лишенной кислорода) и увеличивается коэффициент теплоотдачи с охлаждаемых поверхностей.

Рис. 3.7. Схема движения охлаждающего воздуха в синхронной машине СДНЗ-2 при замкнутом цикле вентиляции, способ охлаждения IC37A81

Водородное охлаждение может быть осуществлено только по замкнутому циклу. Охлаждение нагретого водорода происходит в охладителях, вмонтированных в корпус машины.

Более интенсивное охлаждение достигается при так называемой непосредственной или форсированной системе, при которой охлаждающий газ не омывает внешнюю поверхность изолированных катушек обмотки, а пропускается непосредственно к меди ее проводников. При этом превышение температуры обмотки над температурой охлаждающего газа определяется только термическим сопротивлением на поверхности охлаждающих каналов в проводниках и не зависит от термического сопротивления изоляции обмоток. Форсированное водородное охлаждение имеют турбогенераторы серии ТВФ.

Использование для непосредственного охлаждения обмоток электрических машин воды или масла еще более повышает эффективность системы. Во многих современных турбогенераторах обмотка статора охлаждается водой, которую пропускают по полым проводникам, а ротор имеет непосредственное водородное охлаждение.

В последние годы начала развиваться система испарительного охлаждения электрических машин, в которой перенос тепла от внутренних областей машины к периферии осуществляется с помощью тепловых труб, заполненных теплоносителем — веществом, находящимся в жидком состоянии при температуре окружающей среды и имеющим низкую температуру парообразования. При нагреве части тепловой трубы, расположенной в активной зоне машины,

теплоноситель, находящийся внутри этой части, испаряется, охлаждая ее, и, расширяясь, вытесняет жидкость, находящуюся в холодном конце трубы. Жидкий теплоноситель перемещается к ее горячему участку, а на его место поступает нагретый газ. Газ охлаждается с помощью внешнего вентиляционного устройства, обдувающего холодный конец трубы, и конденсируется.

Приведенная на рис. 3.3 классификация рассматривает лишь основные системы охлаждения. В практике электромашиностроения они имеют те или иные разновидности, условные обозначения которых установлены ГОСТ 20459-75 (СТ СЭВ 1953-79). Согласно этому ГОСТ полное обозначение способов охлаждения электрических машин должно содержать буквы 1С и группу знаков из одной буквы и двух цифр. Буква обозначает вид хладагента, используемого для охлаждения: воздух — А, водород — Н, азот — N, двуокись углерода — С, фреон — F, вода — W, масло — V, керосин — К_г. Если в качестве хладагента используются другие, не поименованные выше жидкость или газ, то в обозначении приводится их полное наименование. Первой цифрой условно обозначается устройство цепи для циркуляции хладагента. Обозначение и характеристика некоторых наиболее часто встречающихся цепей приведены в табл. 3.3. Вторая цифра цифровой части условного обозначения — способ перемещения хладагента. Примеры обозначений и краткое наименование наиболее распространенных способов перемещения хладагента приведены в табл. 3.4.

Если машина имеет две и более цепи охлаждения, как, например, обдуваемые двигатели исполнения IP44 или машины с замк-

Таблица 3.3. Условное обозначение цепи для циркуляции хладагента (первая цифра в условном

обозначении системы охлаждения)

Продолжение табл. 3.3

Таблица 3.4. Условное обозначение способа перемещения хладагента (вторая цифра в условном обозначении системы охлаждения)

Продолжение табл. 3.4

Таблица 3.5. Примеры условных обозначений систем охлаждения электрических машин

Продолжение табл. 3.5

нугой системой охлаждения при наличии охладителей, то в обозначении следует указывать характеристики каждой из цепей, начиная с цепи со вторичным хладагентом, т. е. имеющим более низкую температуру. Характеристику цепи, относящуюся к непосредственному охлаждению обмоток, следует ставить в обозначении способа охлаждения в скобки. Примеры полных обозначений способов охлаждения приведены в табл. 3.5. ГОСТ допускает в условных обозначениях

способов охлаждения наиболее распространенных электрических машин применение упрощенной системы. Так, если во всех цепях охлаждения машины используется только воздух, то буква А в обозначении может быть опущена. Если способом перемещения хладагента является самовентиляция, то в обозначении допускается сохранить только первую цифру, характеризующую устройство цепи охлаждения, например обозначать ICO вместо ICO1, как при полном обозначении.

содержание   ..  10  11  12  13  14  15  16  17  18  19  20  ..