Лекции / Лекция 36 Нагревание и охлаждение ЭМ

согласно ГОСТ 183–66, электрические машины изготовляются для трех основных номинальных режимов работы.

Продолжительным номинальным режимом работы электрической машины называется режим работы при неизменной номинальной нагрузке, продолжающейся столько времени, что превышения температуры всех частей электрической машины при неизменной температуре охлаждающей среды достигают практически установившихся значений.

Кратковременным номинальным режимом работы электрической машины называется режим работы, при котором периоды неизменной номинальной нагрузки при неизменной температуре охлаждающей среды чередуются с периодами отключения машины: при этом периоды нагрузки не настолько длительны, чтобы превышения температуры всех частей электрической машины могли достигнуть практически установившихся значений, а периоды остановки электрической машины настолько длительны, что все части ее приходят в практически холодное состояние.

Согласно ГОСТ 183 – 66, машины с кратковременным режимом работы изготовляются с длительностью рабочего периода 15, 30, 60 и 90 мин.

Повторно-кратковременным номинальным режимом работы электрической машины называется режим работы, при котором кратковременные периоды неизменной номинальной нагрузки (рабочие периоды) при неизменной температуре охлаждающей среды чередуются с кратковременными периодами отключения машины (паузами), причем как рабочие периоды, так и паузы не настолько длительны, чтобы превышения температуры отдельных частей электрической машины могли достигнуть установившихся значений.

Повторно-кратковременный номинальный режим работы характеризуется относительной продолжительностью включения (ПВ), т.е. отношением продолжительности рабочего периода к продолжительности цикла (суммарной продолжительности рабочего периода и паузы).

ГОСТ 183–66 предусматривает изготовление машин с повторнократковременным режимом работы с продолжительностью включения

(ПВ) 15, 25, 40 и 60 %.

Кроме перечисленных трех основных номинальных режимов работы, в ГОСТ 183–66 имеются в виду еще четыре дополнительных номинальных режима работы, при которых нагрузка имеет циклический характер.

Большинство электрических машин изготовляется для продолжительного режима работы.

Допустимые превышения температуры частей электрических машин. С целью обеспечения нормальных сроков службы электрических машин температуры отдельных частей машины, и в особенности температура изоляции обмоток, должны быть ограничены.

Рабочая температура изоляции и отдельных частей машины

зависит не только от нагрузки машины, но и от температуры окружающей или охлаждающей среды 0 . От нагрузки машины зависит только превышение температуры отдельных ее частей. Между перечисленными величинами существует зависимость

0 .

По изложенным причинам ГОСТ 183–66 и стандарты на отдельные типы машин нормируют предельно допустимые превышения температуры доп и одновременно фиксируют значение максимально

допустимой температуры окружающей среды 0 40 °С.

Способы определения превышений температур обмоток не гарантируют получения их максимальных значений, а метод сопротивления позволяет установить только среднее превышение температуры обмотки. Поэтому в стандартах в зависимости от способа измерения температуры и конструкции обмотки устанавливаются значения доп ,

которые на 5..15 °С меньше доп 0 .

Наиболее надежные результаты дает метод сопротивления и метод заложенных термодетекторов. Последние представляют собой термометры сопротивления или термопары, заложенные между катушками в пазах и в других частях машины при ее изготовлении. Термометры сопротивления изготовляются из тонкой медной проволоки, и температура определяется по изменению ее сопротивления.

Для указанных методов измерения стандарты устанавливают при0 40 °С в большинстве случаев допустимые превышения темпера-

туры: 60 °С – для класса изоляции А, 70 °С – для класса Е, 80 °С – для класса В, 100 °С – для класса F, 125 °С – для класса Н. Если температура окружающей среды больше или меньше 40 °С, то стандарты разрешают определенные изменения допустимых превышений температуры. Допустимые кратковременные перегрузки электрических машин также нормируются стандартами.

Нагревание электрических машин при различных режимах работы. Нагревание при продолжительном режиме работы. Такое

нагревание происходит по кривой рис. 7.1, а или 7.2. При этом должно быть доп для данного класса изоляции.

При проектировании электрических машин производятся также тепловые расчеты с целью установления превышений температуры отдельных частей машины. Тепловой расчет для продолжительного режима работы является основным, так как он лежит в основе расчетов превышений температур при кратковременном и повторнократковременном режимах работы.

Тепловые расчеты электрических машин достаточно сложны и рассматриваются подробнее в курсах проектирования электрических машин. Здесь укажем только ход расчета для продолжительного режима работы, когда превышения температуры достигают установившихся значений.

Величины потерь в определенных частях машины известны из электрического расчета машины. Из конструктивной схемы устанавливаются направления тепловых потоков и количество тепла, отдаваемое с охлаждаемых поверхностей. Затем определяются скорости воздуха или другой охлаждающей среды у отдельных охлаждаемых поверхностей и вычисляются: 1) по формуле (7.1) перепад температуры в изоляции обмоток из 1 2 ; 2) по этой же формуле (7.1) перепад температуры в сердечнике на участке от обмотки до охлаждаемой поверхности с ; 3) по формуле (7.8) превышение температуры охлаж-

даемой поверхности над температурой охлаждающей среды по . Кроме того, при движении газов и жидкостей по каналам необходимо учесть средний подогрев самой охлаждающей среды охл . Превышение температуры обмотки над температурой поступающей в машину охлаждающей среды обм выражается суммой

Величина об не должна превышать допустимого значения по

ГОСТ 183–66 и др.

Скорости охлаждающей среды у тех или иных поверхностей, а также величины соответствующих коэффициентов теплоотдачи удается установить лишь приблизительно ввиду сложности аэродинамических явлений и картины распределения тепловых потоков в машине. Поэтому тепловые расчеты дают достаточно точные результаты лишь при наличии достаточных экспериментальных данных.

Нагревание при кратковременном режиме работы. Чтобы опре-

делить превышение температуры различных частей машины кр при

кратковременном режиме работы, сначала находят по способу, указанному выше, превышение температуры в случае, если бы машина

работала при заданной мощности продолжительно, а также устанавливают постоянные времени нагревания Т . Зная продолжительность кратковременного режима tкр . можно вычислить достигаемые при

этом режиме превышения температуры по формуле (7.19):

Значения кр должны укладываться в установленные пределы.

Очевидно, кр , и так как допустимые превышения темпера-

туры доп для всех режимов одинаковы, то при кратковременном ре-

жиме можно допустить значения в

1

tкр

1 e T

раз больше, чем при продолжительном режиме работы. Во столько же раз могут быть больше допустимые значения потерь в машине. Поэтому при данных габаритах машин и расходе материалов мощности машин с кратковременным режимом работы больше мощностей машин с продолжительным режимом работы.

Нагревание при повторно-кратковременном режиме работы.

Предположим, что машина начинает работу в режиме повторнократковременной нагрузки с холодного состояния. Пусть время рабочего периода равно tр , а время паузы t0 .

Нагревание машины в первый рабочий период идет по участку 0–1 кривой нагревания 1 (рис. 7.3), которая может быть начерчена, если известны постоянная времени нагревания Тн и установившееся

превышение температуры при работе в продолжительном режиме

с данной мощностью.

Затем наступает пауза, и машина начинает охлаждаться. Охлаждение идет по участку 1 2 кривой 11 (рис. 7.3). Эта кривая может

быть также начерчена, если известны и постоянная времени охла-

ждения Тохл . Если условия вентиляции во время паузы такие же, как и в рабочем периоде, то Тохл Тн . Если же, например, во время паузы машина стоит и не вентилируется, то Тохл Тн . Охлаждение после первого периода работы идет по такому участку кривой II, начало которого соответствует значению , достигнутому в конце этого периода работы. Перенеся участок 1 2 кривой II параллельно самому себе в положение 1–2, получим участок кривой 0–1–2 изменения за время первого цикла работы.

Рис. 7.3. построение кривой нагревания при повторнократковременном режиме

Во время второго периода работы нагревание идет по тому участку кривой 1, начало которого соответствует значению , достигнутому в конце первой паузы в работе.

Подобным образом можно построить зубчатую кривую III нагревания машины при повторно-кратковременном режиме работы. Она состоит из участков кривых I и II, смещенных параллельно самим себе на соответствующие интервалы времени работы tp и пауз t0 , поме-

ченные в нижней части рис. 7.3.

Спустя некоторое время температурный режим повторнократковременной работы практически устанавливается и общий подъем кривой III прекращается. Превышение температуры машины при

этом колеблется в пределах от макс до мин (рис. 7.3). Значение макс не должно превышать значения доп для данного класса изоляции.

Как видно из рис. 7.3, макс при продолжительном режиме

работы. В соответствии с этим при повторно-кратковременном режиме работы при тех же габаритах машины и тех же условиях вентиляции можно допустить в макс раз большие потери и соответственно

большую мощность. При желании использовать машину, предназначенную для продолжительного режима работы, в повторнократковременном режиме ее мощность можно увеличить, если это допустимо по другим условиям работы, например по коммутации, или перегрузочной способности по моменту вращения.

Охлаждение электрических машин. Конструктивные формы исполнения электрических машин. Для предотвращения чрезмерного нагрева электрических машин необходимо обеспечить надлежащие условия отвода выделяющегося в машинах, тепла. С ростом мощности электрических машин условия отвода тепла утяжеляются, и поэтому в крупных машинах необходимо применять более интенсивные способы охлаждения.

Способы охлаждения в свою очередь зависят от конструктивных форм исполнения электрических машин, из которых здесь укажем лишь наиболее типичные.

Открытые электрические машины не имеют специальных приспособлений для предохранения от случайного прикосновения к вращающимся и токоведущим частям, а также для предотвращения попадания внутрь машины посторонних предметов. Такие машины находят применение только в машинных залах и лабораториях. Защищенные электрические машины имеют указанные приспособления и применяются в закрытых помещениях. Брызгозащищенные машины дополнительно защищены от попадания внутрь машины капель влаги, падающих под углом до 45° к вертикали. В этих машинах на все отверстия, расположенные в их верхних частях, устанавливаются глухие крышки и жалюзи, которые могут иметь прорези, прикрытые козырьками. Машины с таким исполнением весьма распространены и могут быть использованы также на открытом воздухе.

В закрытых электрических машинах внутреннее пространство совершенно отделено от внешней среды. Они применяются в пыльных помещениях, а также на открытом воздухе. Дальнейшим развитием закрытых машин являются взрывозащищенные (взрывобезопасные) и герметические машины. Первые из них используются для работы во взрывоопасных шахтах и на химических предприятиях, когда требует-

ся, чтобы искрение или взрыв внутри машины не приводили к взрыву или воспламенению газов во внешней среде. Герметические машины выполняются с особо плотным соединением поверхностей разъема, так что они могут работать даже под водой.

Способы охлаждения электрических машин. По способу охлаж-

дения различаются:

1)машины с естественным охлаждением, в которых нет никаких специальных приспособлений для охлаждения;

2)машины с внутренней самовентиляцией, охлаждение которых происходит с помощью вентиляторов или других вентиляционных устройств, укрепленных на вращающихся частях вентилируемой машины и осуществляющих вентиляцию внутренних полостей машины (открытые и защищенные машины);

3)машины с наружной самовентиляцией, в которых путем самовентиляции охлаждается внешняя поверхность машины, а внутренние части машины закрыты для доступа внешнего воздуха (закрытые машины);

4)машины с независимым охлаждением, в которые охлаждающая газообразная или жидкая среда подается с помощью отдельного вентилятора, компрессора или насоса, имеющего собственный привод. Особенности разных способов охлаждения иллюстрируются ниже на примере машин постоянного тока, но и охлаждение машин переменного тока осуществляется подобным же образом. Машины с естественным охлаждением в настоящее время строятся лишь на мощности порядка нескольких десятков ватт. В некоторых случаях естественное охлаждение применяется также для закрытых машин мощностью до нескольких сотен ватт, но в этом случае для усиления отдачи тепла поверхность охлаждения увеличивают путем изготовления корпуса машины с ребрами. Машины с внутренней самовентиляцией имеют наибольшее распространение. При этом различают аксиальную (рис. 7.4) и радиальную (рис. 7.5) системы вентиляции. В первом случае передача тепла воздуху происходит при его движении вдоль охлаждаемых поверхностей в аксиальном направлении, а во втором – в радиальном направлении.

Рис. 7.4. Аксиальная система вентиляяции машины постоянного тока

Рис. 7.5. Радиальная система вентиляции машины постоянного тока

В машинах постоянного тока при аксиальной вентиляции поток воздуха движется между полюсами и вдоль внешней поверхности якоря, а при Da 200 мм также по выполняемым в этом случае аксиаль-

ным каналам между якорем и валом или по аксиальным вентиляционным каналам в сердечнике якоря. Потоки воздуха омывают также коллектор. Воздух поступает в машину с одного ее конца и выбрасывается с другого.

Воздух при движении вдоль охлаждаемых частей машины подогревается, и, следовательно, нагрев машины при аксиальной вентиляции будет в аксиальном направлении неравномерным. Поэтому аксиальная вентиляция применяется обычно при активной длине маши-

ны до 200..250 мм.

При радиальной системе вентиляции сердечник якоря имеет радиальные каналы с ветреницами. При вращении якоря ветреницы действуют подобно лопастям вентилятора, и поэтому установка на валу особых вентиляторов иногда оказывается излишней. Воздух при этой системе вентиляции поступает внутрь машины с торцов и выбрасывается по бокам станины или через отверстия в ней.

Машины с наружной самовентиляцией – это машины закрытой конструкции, у которых на валу установлен наружный вентилятор, обдувающий наружную поверхность станины (рис. 7.6). При этом для увеличения поверхности охлаждения наружная поверхность станины часто снабжается продольными ребрами. Часто машина имеет также внутренний вентилятор или вентиляционные крылышки для создания более интенсивного движения воздуха внутри машины и усиления теплообмена между внутренними частями машины и станиной (рис. 7.6).

Машины с независимой вентиляцией. Обычно такие машины тоже охлаждаются воздухом, который подается в машину с помощью отдельного вентилятора (рис. 7.7). Такую вентиляцию называют также принудительной. Иногда вентилятор со своим приводным двигателем устанавливается на корпусе вентилируемой машины.

В рассматриваемом случае система вентиляции может быть как аксиальной, так и радиальной. Применяется этот способ вентиляции обычно тогда, когда скорость вращения машины регулируется в широких пределах, так как в этом случае при самовентиляции (с вентилятором на валу машины) нельзя обеспечить необходимого расхода воздуха при низкой скорости вращения.

Рис. 7.6. Машина постоянного тока с наружной самовентиляцией 1 – внутренний вентилятор (мешалка); 2 – наружный вентилятор; 3 – кожух вентилятора

Рис. 7.7. Машина постоянного тока с независимой вентиляцией

Всасывающая и нагнетательная вентиляция. В схемах рис. 7.4 и 7.7 вентилятор находится в конце вентиляционного тракта машины и через него проходит воздух, подогретый внутри машины. Такая вентиляция называется всасывающей. Если вентилятор установлен в на-