5 . Тепловые расчёты электрических машин

В главе рассматриваются практические методы теплового расчета электрических машин. Электрическая машина, в тепловом отношении, может быть представлена в виде эквивалентной тепловой схемы замещения. Тепловые схемы замещения реальных электрических машин могут иметь различный уровень сложности в зависимости от требований и точности теплового расчета. Поэтому широко используются упрощенные методы теплового расчета. Нестационарный нагрев электрической машины также можно выполнить по тепловой схеме замещения, дополненной теплоемкостями. в данном случае также возможно применение упрощенных методов расчета, базирующихся на классической теории нестационарного теплового процесса.

Цель главы – изучение методов теплового расчета электрических машин при установившемся и при стационарных режимах работы.

ПОСЛЕ ИЗУЧЕНИЯ ГЛАВЫ НЕОБХОДИМО ЗНАТЬ

• Методы теплового расчета электрических машин.

• Порядок выполнения теплового расчета при помощи эквивалентных тепловых схем замещения.

• Классическую теорию нестационарного теплового процесса.

• Упрощенные методы тепловых расчетов электрических машин.

• Методику определения термических сопротивлений конкретной электрической машины.

• Особенности типовых эквивалентных тепловых схем замещения (ЭТС) основных видов электрических машин. Методы преобразования ЭТС.

• Основные стандартные режимы работы электрических машин.

• Методы расчёта температуры машины при нестационарном нагреве в стандартных режимах работы электрических машин.

5.1. Задачи и методы теплового расчета

Непосредственной задачей теплового расчета является определение температуры активных частей машины с целью проверки выполнения требований по допустимому уровню нагрева, указанных в ГОСТ или в техническом задании на проектирование.

Тепловой расчёт электрической машины выполняется, как правило, для её номинального режима работы при установившемся состоянии нагрева.

Однако в ряде случаев требуются расчёты для нестационарных режимов нагрева, в том числе при нагрузках, отличных от номинальной.

Наиболее точную картину нагрева электрической машины даёт расчёт температурного поля. Однако значительно чаще бывает достаточно ограничится более простыми расчётами средних превышений температуры.

Активные части машин – обмотки, сердечники, монтажные узлы – являются источниками потерь и рассматриваются как тела с внутренними распределёнными источниками теплоты, которые контактируют между собой и с неактивными деталями конструкции. Тепловой поток передаётся от мест выделения потерь к окружающей среде по кратчайшему пути.

Обычно условия теплоотвода в электрической машине таковы, что тепловой поток, прежде чем достичь поверхности, вынужден преодолевать электрическую изоляцию проводников и катушек.

Поэтому общий перепад температуры ∆ складывается из внутреннего _ и внешнего _ :

 = _ +_ =  R_+R_, (5.1)

где R_ - тепловое сопротивление изоляции, в том числе многослойное;

R_ - конвективное сопротивление внешней поверхности машины.

Основные методы теплового расчёта.

В соответствии с разнообразием условий теплоотвода для теплового расчёта используются различные методы.

Метод точного или приближённого аналитического решения уравнений для трёх- или двухмерных температурных полей обычно применяется при значительной неравномерности температурного поля. При этом требуются определённые упрощения геометрической формы и граничных условий в математической модели.

Численные методы применяются в подобных случаях, но не требуют значительных упрощений формы рассчитываемых областей пространства.

Метод одномерного температурного поля применяется для расчёта распределения температуры по длине обмоток и других частей электрических машин. Основан на приведении трёх- и двухмерных полей к одномерному путём упрощённого представления теплопередачи вдоль всех осей координат, кроме одной, с помощью дискретных параметров (тепловых сопротивлений).

Метод тепловых схем замещения основан на подобии закона Ома для электрической цепи и закона Фурье для тепловой цепи.

Основное уравнение для эквивалентной тепловой схемы следующее:

 = PR_T , (5.2)

где  – разность потенциалов вызывающая поток тепловой энергии, соответствующая перепаду температуры в данном элементе (С);

Р – поток тепловой энергии через элемент (Вт);

R_Т – тепловое сопротивление (К/Вт).

Тепловые сопротивления соединяются в тепловую сеть, имитирующую реальные пути передачи тепловых потоков в машине. Этот метод является логическим продолжением предыдущего, когда упрощение выполняется для всех координатных осей без исключения.

Можно также провести аналогию с численными методами, например, метод сеток, рассматривая тепловую схему как сетку с укрупненными ячейками. Метод ТС получил наиболее широкое распространение ввиду простоты и достаточной точности расчёта. Недостаток метода заключается в том, что он даёт не полную картину температурного поля, а только некоторые средние значения температуры для отдельных элементов машины.

В качестве примера можно рассмотреть тепловую схему при двухмерном поле.

Двухмерная стационарная задача теплообмена.

В соответствии с рис. 5.1 считаем, что в направлениях осей ОХ и ОУ имеются независимые сопротивления:

(5.3)

(5.4)

которые при взаимодействии складываются, как параллельные сопротивления линейной электрической цепи.

В соответствии с этим

(5.5)

Рассмотренные результаты решения простейших задач теплопередачи позволяют выполнять тепловые расчеты различных электрических машин на основе применения эквивалентных тепловых схем замещения (ЭТС).