Нагрев и охлаждение электрических машин

Электромеханическое преобразование энергии в электрических машинах сопровождается выделением тепла в активных частях машины. Если тепло не будет отводиться от машины, то температура изоляции быстро достигает допустимой для данного класса изоляции и дальнейшая работа электрической машины приведет к ускоренному старению изоляции и сокращению срока службы. Для отвода тепла из машины предусматривается система охлаждения.

Системы охлаждения электрических машин весьма разнообразны (рис. 1.88). Различают машины с естественным и искусственным охлаждением. В зависимости от того, какое вещество применяется в качестве охлаждающего агента, машины делятся на машины с воздушным, водородным, масляным и водяным охлаждением. В зависимости от способа охлаждения различают машины с косвенным охлаждением, когда газ или жидкость непосредственно не соприкасается с проводником, и машины с непосредственным внутренним охлаждением, когда газ или жидкость проходит внутри проводников.

В специальных машинах применяется испарительная система охлаждения, когда жидкость испаряется с тепловыделяющих поверхностей машины.

От правильного выбора системы охлаждения зависят габариты и масса машины. За последние 40 лет удалось практически в тех же габаритах в результате перехода с воздушного на внутреннее водяное охлаждение повысить мощность турбогенераторов в 10 раз. Это одно из выдающихся технических достижений XX в. Снижение массы на единицу мощности имело место и в электрических машинах других типов.

На рис. 1.88, а показана схема вентиляции закрытой обдуваемой машины с самовентиляцией. Вентилятор 1 укреплен на валу машины. На рис. 1.88, б представлена схема продуваемой машины с самовентиляцией. Лопатками вентилятора являются приливы на короткозамыкающих кольцах ротора 1. На рис. 1.88, в дана схема машины с разомкнутой нагнетательной независимой системой вентиляции с забором воздуха и выбросом его но трубопроводу 2. Забор воздуха из окружающего пространства осуществляется вентилятором, который вращается двигателем, специально предназначенным осуществлять движение воздуха внутри машины или снаружи ее. Машина с замкнутой независимой системой вентиляции показана на рис. 1.88, г. Здесь воздух или водород охлаждается в га- зоохладителе 3. Обычно в газоохладитель подается водопроводная вода, циркулирующая по трубкам газоохла- дителя, и таким образом происходит охлаждение воздуха или водорода.

Системы охлаждения электрических машин

Рис. 1.88. Системы охлаждения электрических машин

На рис. 1.88 показаны лишь основные системы охлаждения. В соответствующих главах книги будут рассмотрены подробнее вопросы нагрева и охлаждения трансформаторов, синхронных машин и других машин.

Процесс передачи тепла от различных частей машины в окружающую среду подчиняется законам теплообмена — учения о самопроизвольных необратимых процессах распространения тепла в пространстве.

Под процессом распространения тепла понимается обмен внутренней энергией между отдельными элементами, областями рассматриваемой среды. Перенос тепла осуществляется тремя основными способами: теплопроводностью, конвекцией и излучением.

Теплопроводностью называется перенос тепла при непосредственном соприкосновении тел или частей тела с различной температурой.

Явление конвекции наблюдается в движущихся жидкостях и газах. Перенос тепла при этом осуществляется за счет перемещения макрообъемов среды в пространстве.

Тепловым излучением называется явление переноса тепла в виде электромагнитных волн с двойным взаимным превращением энергии — тепловой энергии в энергию излучения и обратно.

В действительности элементарные виды теплообмена в чистом виде встречаются редко. Как правило, один вид теплообмена сопровождается другим. Так, конвекция тепла

всегда сопровождается теплопроводностью. Совместный процесс переноса тепла конвекцией и теплопроводностью называется конвективным теплообменом.

Часто встречается случай конвективного теплообмена между потоком охлаждающей среды и поверхностью твердого тела. Этот процесс называют конвективной теплоотдачей.

Случай теплообмена между различными средами, разделенными твердой стенкой, принято называть теплопередачей.

В основе описания процесса теплопроводности лежит так называемый закон Фурье, согласно которому количество переданного тепла пропорционально падению температуры, времени и площади сечения, перепендикулярного направлению распространения тепла:

где q — вектор плотности теплового потока, Вт/м2; grad t — градиент температуры; к — коэффициент теплопроводности.

Знак «-» отражает то обстоятельство, что тепло всегда распространяется в сторону убывания температуры.

Полное количество тепла Q, переданного через поверхность F за время т,

Коэффициент теплопроводности к, Вт/(м-°С), является физическим параметром вещества и характеризует его способность проводить тепло. Различные вещества имеют различные коэффициенты теплопроводности. Как правило, металлы хорошо проводят тепло, значения их коэффициентов теплопроводности много больше значений коэффициентов теплопроводности электрических изоляторов. В табл. 1.5 приведены коэффициенты теплопроводности ряда используемых в электромашиностроении материалов.

Процесс теплообмена между поверхностью тела и средой относится к сложным физическим процессам и зависит от большого количества факторов. Для его описания используется эмпирический закон Ньютона — Рнхмана, согласно которому плотность теплового потока на поверхности тела пропорциональна разности температур поверхности и хладагента:

Таблица 1.5

Материал

Коэффициент теплопроводности X, Вт/(м X)

Серебро

420

Медь

380

Алюминий

220

Электротехническая сталь (вдоль слоя)

48-20

Электротехническая сталь (поперек слоя)

3,1-1,2

Стекло

1,1

Миканит

0,2

Лакоткань

0,15

Изоляция пазовая

0,1

Вода при 40°С

0,633

Водород при 40°С

0,19

Трансформаторное масло при 40°С

0,164

где tc — температура поверхности тела; tm — температура хладагента (жидкости или газа); а — коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом теплоотдачи, Вт/(м2-°С).

Процесс теплоотдачи в основном определяется условиями движения среды. Можно выделить два режима течения — ламинарный и турбулентный. При ламинарном режиме течение имеет спокойный, струйчатый характер, при турбулентном движение неупорядоченное, вихревое. Изменение режима течения происходит при некоторой критической скорости, конкретной для каждого случая.

Режим течения определяется не только скоростью, но и особым безразмерным комплексом, называемым числом Рейнольдса:

где v — скорость движения хладагента; v — кинематический коэффициент вязкости хладагента; / — характерный размер обтекаемого тела или канала, в котором движется хладагент.

По природе возникновения различают два вида движения хладагента — свободное и вынужденное. Свободным называется движение, происходящее вследствие разности плотностей нагретых и холодных частиц жидкостей или газов в гравитационном поле. Свободное движение называют также естественной конвекцией. Вынужденным называется движение, возникающее под действием внешних источников, например вентилятора, насоса и пр. Наряду с вынужденным движением может существовать и развиваться свободное. Его роль возрастает с ростом разности температур в отдельных точках охлаждающей среды и с уменьшением скорости вынужденного движения.

Дифференциальное уравнение теплопроводности, связывающее временное и пространственные изменения температуры в любой точке тела при передаче тепла теплопроводностью, можно представить в виде

2 д'1 д2 д2

где V = —^ + —у + —^ — оператор Лапласа в декартовой

дх ду дг

системе координат; qv — плотность теплового потока внутренних источников тепла (предполагается равномерно распределенным и постоянным во времени), Вт/м3; с — теплоемкость тела, Дж/м3; р — плотность тела, кг/м3; а = Х/ср — коэффициент температуропроводности, физический параметр тела, иногда называемый коэффициентом термической диффузии, м2/с; этот коэффициент харак теризует скорость изменения температуры в теле.

Если тело не содержит внутренних источников тепла, уравнение (1.152) приобретает вид уравнения Фурье:

Если имеются внутренние источники тепла, то процесс стационарен (температура во времени не меняется) и уравнение (1.153) превращается в уравнение Пуассона:

Наконец, для стационарной теплопроводности и отсутствия внутренних источников тепла выражение (1.154) принимает вид уравнения Лапласа:

Для того чтобы найти частные решения уравнений (1.152)—(1.155), соответствующие конкретным случаям, необходимо сформулировать условия однозначности.

Эти условия включают в себя геометрические условия, характеризующие форму и размеры тела, физические условия, определяемые значениями внутренних источников тепла, начальные условия — закон распределения температуры в начальный момент времени — и, наконец, граничные условия. Последние могут быть заданы несколькими способами. Наиболее типичными являются способ, при котором задается распределение температуры на поверхности тела для каждого момента времени (граничные условия первого рода), и способ, при котором задается температура хладагента tm, а также закон теплообмена между поверхностью тела и средой (граничные условия третьего рода). Форма записи граничных условий третьего рода может быть получена из уравнений (1.152) и (1.155):

dt

где — — градиент температуры на поверхности тела.

Von)c

В установившихся в тепловом отношении режимах количество тепла, выделяющегося в объеме тела или поступающего извне, равно количеству тепла, отдаваемого телом во внешнюю среду. Внутренняя энергия тела остается неизменной, и температура в любой точке тела не меняется во времени. В стационарном режиме тело находится в тепловом равновесии с охлаждающей средой.

Для случая стационарного режима при отсутствии внутренних источников тепла в плоском теле решение уравнения (1.156) приводит к линейному распределению температуры по толщине тела. Количество тепла, переданного через тело в единицу времени:

для граничных условий первого рода

для граничных условий третьего рода, при которых задаются температура среды tm и коэффициент теплоотдачи от поверхности тела а,

здесь k — коэффициент теплопередачи, характеризующий эффективность совместной передачи тепла через тело теплопроводностью и от тела к среде конвекцией:

Уравнения (1.157) и (1.158) по форме аналогичны уравнениям закона Ома для электрической цепи. Можно записать их в виде

5

где R} = - — термическое сопротивление теплопроводности

Л,

О I

тела, aR=- + -=Ri+Ra термическое сопротивление л. а

теплопередачи через тело, состоящее из термического сопротивления теплопроводности Rp и термического сопро-

Распределение температуры в полом цилиндре

Рис. 1.89. Распределение температуры в полом цилиндре

1

тивления теплоотдачи R„=

а

Распределение температуры в телах цилиндрической формы описывается логарифмической кривой (рис. 1.89), и количество тепла, переданного через цилиндрическую стенку на единицу ее длины, может быть найдено при учете F = 2nd (/ — длина тела) из выражения

или для граничных условий третьего рода

где

— линейный коэффициент теплопередачи, Вт/(м °С).

Величина, обратная линейному коэффициенту теплопередачи, называется линейным термическим сопротивлением теплопередачи:

Составляющие полного термического сопротивления представляют собой термическое сопротивление теплопроводности через цилиндрическую стенку /?/; и термическое сопротивление теплоотдачи от цилиндрической стенки R/a.

На практике часто встречаются цилиндры, толщина стенок которых мала по сравнению с диаметром. В этом случае можно рассчитывать термические сопротивления как для d2

плоского тела. При — < 2 погрешность не превышает 4%.

«1

При наличии внутренних тепловых источников с плотностью теплового потока qv решение уравнений теплопроводности приводят к нелинейному (параболическому) распределению температуры по толщине плоского тела.

В расчетах часто бывает более удобным вместо тела, в котором внутренние источники тепла рассредоточены по объему, рассматривать некоторое эквивалентное тело, в котором все тепло выделяется на одной из его поверхностей, а изменение температуры происходит по линейному закону. При этом при равенстве тепловых потоков в реальном и эквивалентном телах необходимо выбрать параметры эквивалентного тела таким образом, чтобы максимальное или среднее значение его температуры было равным соответствующему значению реального тела.

Для плоского тела толщиной 5 при равенстве максималь-

* б

пых температур толщина эквивалентного тела оэкв = —, а при

х 5

равенстве средних температур оэкв = —.

В неустановившихся режимах отсутствует тепловое равновесие между телом и окружающей средой, температура в точках тела и его внутренняя энергия меняются во времени. Такие режимы принято называть нестационарными. Нестациопарпость тепловых процессов всегда связана с явлениями нагрева или охлаждения тела. На рис. 1.90, а представлена зависимость температуры тела от времени

где 0уст — установившаяся температура; Т — постоянная времени нагревания тела.

Кривая охлаждения тела дана на рис. 1.90, б.

Изменение температуры во времени рассчитывается в электрических машинах, предназначенных для кратковременных и повторно-кратковременных режимов работы. В машинах, предназначенных для длительного режима, рассчитываются установившиеся температуры. Установившиеся температуры обычно рассчитываются по схеме тепловых цепей машины, состоящей из источников тепла и термических сопротивлений, по которым как бы передаются тепловые потоки от нагретых частей машины к охлаждающей среде.

Тепловые схемы электрической машины составляются по аналогии с электрическими схемами. Температура в тепловых схемах играет роль напряжения в электрических схемах, а термическое сопротивление играет роль активного сопротивления. Обычно тепловая схема состоит из нескольких источников и сопротивлений.

На рис. 1.91 приведена упрошенная тепловая схема замещения статора машины переменного тока. В основу схемы легло условие, согласно которому источниками тепла являются однородные в тепловом отношении части машины: обмотка и стальной сердечник статора. Мощности источников

Упрощенная тепловая схема замещения статора машин переменного тока

Рис. 1.91. Упрощенная тепловая схема замещения статора машин переменного тока

Кривая нагрева тела (а) и охлаждения (б)

Рис. 1.90. Кривая нагрева тела (а) и охлаждения (б)

тепла в них равны электрическим потерям в обмотке Раб и потерям в стали Рст.

Тепловые потоки направлены: от обмотки к стали сердечника QcT через термическое сопротивление пазовой изоляции RH3; от обмотки к охлаждающей среде через термическое сопротивление изоляции обмотки

и сопротивление теплоотдачи от поверхности обмотки Ra5; от поверхности стального сердечника в окружающую среду Отт через термическое сопротивление RCT.

Зная потери и значения термических сопротивлений, нетрудно определить значения тепловых потоков и средних температур частей статора 0об и 0СТ, равных соответствующим превышениям температур, если принять температуру окружающей среды 0Л = 0 (см. рис. 1.91).

Очевидно, что чем большее число конструктивных частей машины может быть выделено в качестве однородных в тепловом отношении тел и заменено эквивалентными элементами тепловой схемы замещения, тем точнее окажутся результаты расчета.

Чтобы отвести тепло из машины, необходимо определить расход охлаждающей среды Q. При гидравлическом расчете определяются напор и скорость охлаждающей среды в отдельных каналах, где проходит охлаждающая среда. Далее рассчитываются напорные элементы вентиляторов или насосов, обеспечивающих необходимый расход, и скорости охлаждающей среды, а также мощность, необходимая для работы вентилятора или другого напорного устройства, обеспечивающего циркуляцию охлаждающей среды.

Система вентиляции во многом определяется свойствами охлаждающей среды — объемной удельной теплоемкостью сг, и плотностью у. В табл. 1.6 приведены значения сг, и у веществ, используемых в электромашиностроении в качестве охлаждающих агентов.

Таблица 1.6

Охлаждающий агент

Дж/(м3-°С)

У.

кг/м3

Воздух (0°С, 10"’ Па)

1,110s

1,3

Водород (0°С, 105 Па)

1,110s

0,09

Трансформаторное масло при 15°С

1,5Т0Г>

850

Вода при 15°С

4,110е

999

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >