Лекции / Лекция 36 Нагревание и охлаждение ЭМ

чале вентиляционного тракта машины, то через него проходит холодный воздух, при этом воздух нагнетается в машину, и вентиляция называется нагнетательной. К. п. д. вентилятора не равен единице, и в вентиляторе происходит дополнительный нагрев воздуха, который в ряде случаев может составить заметную величину (3..8 °С). Поэтому при нагнетательной вентиляции в машину подается уже несколько подогретый воздух. Условия охлаждения при этом ухудшаются и для достижения такого же эффекта, как и при всасывающей вентиляции, расход воздуха необходимо увеличить на 15..20 %, что вызывает увеличение вентиляционных потерь на 50..70 %. По этим причинам следует предпочитать всасывающую вентиляцию, если она не вызывает усложнения конструкции машины. Однако всасывающей вентиляции также присущи некоторые недостатки. Например, в схеме рис. 7.4 внутрь машины засасывается пыль с коллектора.

Протяжная и замкнутая вентиляция. Как самовентиляция, так и независимая вентиляция могут быть двух родов: протяжная и замкнутая.

При протяжной вентиляции охлаждающий воздух поступает в машину из окружающего внешнего пространства и после прохождения через машину возвращается в атмосферу (рис. 7.4 и 7.7). Недостаток такой вентиляции заключается в том, что на внутренних поверхностях машины накапливаются пыль и грязь, которые всегда содержатся в воздухе. Это вызывает ухудшение условий охлаждения машины и может быть причиной аварии. Применение фильтров на входе воздуха в машину нерационально, так как их нужно часто очищать и они увеличивают сопротивление движению воздуха. При несвоевременной очистке фильтра условия охлаждения резко ухудшаются. Необходимо иметь в виду, что через самые крупные машины каждый час проходит несколько сотен тонн воздуха, и поэтому даже при незначительном процентном содержании пыли ее абсолютное количество довольнотаки велико.

Для машин малой мощности возникающие затруднения решаются проще. При сильно загрязненной атмосфере можно использовать закрытые машины, охлаждаемые с наружной поверхности. При умеренном содержании пыли в воздухе можно применять машины защищенной конструкции, продувать их регулярно сжатым воздухом и для периодических чисток разбирать машину один-два раза в год.

Рис. 7.8. Замкнутая система вентиляции

Применительно к крупным машинам эти меры непригодны. Такие машины невозможно охлаждать с наружной поверхности, так как эта поверхность возрастает пропорционально квадрату линейных размеров, а потери в машине – пропорционально кубу линейных размеров. Разборка и сборка крупной машины, ее чистка являются весьма трудоемкими и дорогими операциями. Поэтому в крупных машинах переменного тока, а в ряде случаев также в крупных машинах постоянного тока применяется замкнутая система вентиляции (рис. 7.8). При такой вентиляции воздух циркулирует по замкнутому циклу; проходит через машину М , воздухоохладители О , вентилятор В и снова попадает в машину. Возможно использование как нагнетательной (рис. 7.8, а), так и всасывающей I вентиляции (рис. 7.8, б).

Водородное охлаждение. Водород является более эффективным охлаждающим агентом, чем воздух. По сравнению с воздухом у водорода при атмосферном давлении теплопроводность больше в 7,1 раза и средний коэффициент теплоотдачи при одной и той же скорости больше в 1,7 раза, а при одинаковом весовом расходе – в 11,8 раза. Благодаря этому для достижения такой же эффективности охлаждения, как и воздухом, требуются меньшие весовые расходы водорода, а вентиляционные потери, которые в крупных быстроходных машинах составляют большую часть суммарных потерь, снижаются почти в десять раз. При водородном охлаждении срок службы изоляции увеличивается, так как исключаются окислительные процессы и образование вредных азотистых соединений при коронных разрядах. Поэтому водород находит широкое распространение для охлаждения быстроходных машин переменного тока мощностью 25000 кВт и выше.

При водородном охлаждении применяется замкнутая система вентиляции и во избежание образования взрывчатой смеси давление в системе поддерживается несколько выше атмосферного (1,05 атм). В ряде случаев для усиления интенсивности охлаждения давление водорода в системе охлаждения увеличивается до 3..5 атм. При этом необ-

ходимо иметь надежные уплотнения, чтобы не допустить значительной утечки водорода из машины.

Непосредственное или внутреннее охлаждение обмоток. Для электрических машин мощностью 300..500 тыс. кВт и больше замкнутая система вентиляции с водородным охлаждением также оказывается недостаточной. Поэтому в таких машинах обмотка изготовляется из полых проводников и применяется внутреннее охлаждение этих проводников водородом при давлении до нескольких атмосфер или водой. Можно также использовать вместо водорода или воды трансформаторное масло. Однако теплопроводность и коэффициент теплоотдачи воды значительно больше, чем у трансформаторного масла. Поэтому масло используется реже.

Так как подвод воды в обмотку вращающегося ротора связан с определенным усложнением конструкции, то применяется также смешанное внутреннее охлаждение: обмотки ротора охлаждаются водородом, а обмотки статора – водой. Водород подается в обмотки при помощи компрессоров или особых газозаборников, установленных на вращающемся роторе. Для подачи воды применяются насосы.

Рассмотренные системы непосредственного охлаждения во всех случаях выполняются замкнутыми, с циркуляцией одной и той же массы охлаждающего агента и с охлаждением его в предназначенных для этой цели охладителях.

При непосредственном охлаждении обмоток перепады температуры в изоляции исключаются и можно резко увеличить плотность тока.

При водяном охлаждении мощность машины ограничивается в основном уже не условиями нагрева, а другими техническими и экономическими показателями.

Расход охлаждающей среды. Расход охлаждающей среды (м3), необходимый для отвода тепла из машины, равен

V p , c в

где p – отводимые потери, Вт; c – удельная объемная теплоемкость охлаждающей среды, дж/(град м3); в г х – превышение темпе-

ратуры выходящей из машины нагретой охлаждающей среды г над температурой поступающей в машину охлаждающей среды х , °С .

Для воздуха с 1100 дж/(град м3). Величина в в зависимости от системы вентиляции, конструкции машины и ее мощности изменяется в пределах 12..30 ºС. Таким образом, на 1 кВт потерь необходимое количество воздуха

дж/(град м3), и поэтому объемный расход водорода такой же, как и в случае воздушного охлаждения. Удельная объемная теплоемкость водорода изменяется пропорционально давлению, и поэтому при повышенном давлении водорода его объемный расход соответственно уменьшается. Однако весовой расход водорода не зависит от давления и будет в 14,4 раза меньше весового расхода воздуха.

Для воды с 3500 1100 Дж/(град м3), а для трансформаторного масла 1400·1100 Дж/(град м3). Соответственно при прочих равных условиях объемный расход воды в 3500 раз меньше, чем воздуха. Это позволяет уменьшить скорости течения воды и сечения каналов.

Более подробно способы охлаждения электрических машин и вопросы их расчета рассматриваются в курсах проектирования и конструкции электрических машин.