Тепловой расчет асинхронного двигателя

Нагревание электрических машин. Нагрузочная способность электрических машин в большинстве случаев определяется условиями нагревания, так как повышение температуры является главной причиной, ограничивающей мощность машины при длительных нагрузках. С увеличением нагрузки возрастают потери энергии в машине, увеличивается количество выделяющегося тепла и при чрезмерной нагрузке температура отдельных ее частей может превысить допустимые пределы.

Процессы нагревания и охлаждения в электрических машинах всех типов подчиняются общим законам, так как любую электрическую машину можно в первом приближении рассматривать как некоторое однородное тело. Тепло, выделяющееся в электрической машине, частично затрачивается на повышение температуры машины, а частично отдается в окружающую среду. Чем больше превышение температуры машины 8 над температурой окружающей среды, тем энергичнее идет теплоотдача, поэтому при некотором определенном превышении температуры устанавливается тепловое равновесие; в машине выделяется столько тепла, сколько она отдает в окружающую среду.

Рис. 4. Кривые нагревания и охлаждения электрической машины

Превышение температуры, при котором наступает тепловое равновесие, называется установившимся превышением температуры. После достижения теплового равновесия машина может работать при данной нагрузке сколь угодно долгое время без дальнейшего повышения температуры.

При увеличении нагрузки машины возрастают потери мощности АР и количество выделяемого тепла, а также повышается значение. Следовательно, чем больше мощность, отдаваемая машиной, тем выше ее температура. При снятии нагрузки температура машины постепенно снижается.

Для более наглядного представления о характере изменения превышения температуры во времени по опытным данным строят кривые нагревания и охлаждения электрических машин.

В процессе нагревания и охлаждения превышение температуры машины над температурой окружающей среды изменяется. При нагревании (например, при увеличении нагрузки) величина возрастает (кривая 1 на рис. 4, а) от некоторого начального значения, постепенно приближаясь к установившемуся значению. При охлаждении (например, при уменьшении нагрузки) величина уменьшается (кривая 2) до другого установившегося значения.

Температура, при которой может нормально работать электрическая машина, строго ограничена теплостойкостью ее деталей. Особенно чувствительны к повышению температуры изоляционные материалы, применяемые в электрических машинах, в частности, изоляция проводов их обмоток. Поэтому тепловое равновесие в машине должно устанавливаться при такой температуре, которая не вызывает разрушение изоляции, однако постепенный износ изоляции (ее старение) неизбежен. Чем выше допустимая предельная температура отдельных частей, тем меньше срок службы электрической машины вследствие старения ее изоляции и тем менее надежна она в эксплуатации. С другой стороны, чем выше эта температура, тем больше можно нагрузить данную машину. Государственными стандартами на электрические машины установлены предельные значения температуры отдельных их деталей. Эти температуры выбраны на основании опытов. Их соблюдение позволяет обеспечить длительную (примерно 15—20 лет) и надежную работу машины при хорошем использовании материалов.

Нормируются превышения температуры различных частей электрической машины по отношению к температуре окружающей среды. Предельные превышения температуры определяются теплостойкостью изоляции, применяемой в электрической машине.

1) Методы решения теплового расчета;

2) Выбор коэффициентов теплоотдачи.

Расчет нагрева проводят, используя значения потерь, получен­ных для номинального режима, но потери в изолированных обмот­ках статора и фазного ротора несколько увеличивают по сравнению с расчетными, предполагая, что обмотки могут быть нагреты до предельно допустимой для принятого класса изоляции температу­ры: при классе нагревостойкости изоляции В — до 120° С, при клас­се нагревостойкости изоляции F — до 140° С и при классе нагрево­стойкости изоляции Н — до 165° С. При этом коэффициент увеличения потерь k_p по сравнению с полученными для расчетной температуры составит для обмоток с изоляцией класса нагревостой­кости В k_p = р₁₂₀/р₇₅ = 1,15, для обмоток с изоляцией класса нагрево­стойкости F k_p = p₁₄₀/p₁₁₅ = 1,07, для обмоток с изоляцией класса на­гревостойкости Н k_p = p₁₆₅/p₁₁₅ = 1,45.

Электрические потери в обмотке статора делятся на потери в па­зовой части Р'_э.п, и потери в лобовых частях катушек Р'_э.л1:

Р'_э.п = k_p P_э1 ; (1)

Р'_э.л1 = k_p P_э1 (2)

Превышение температуры внутренней поверхности сердечника статора над температурой воздуха внутри машины, ° С,

Δυ_пов1 = К (3)

где α₁ — коэффициент теплоотдачи с поверхности, определяемый по [2] в зависимости от исполнения машины; К — коэффици­ент, учитывающий, что часть потерь в сердечнике статора и в пазовой части обмотки передается через станину непосредственно в окружаю­щую среду.

Перепад температуры в изоляции пазовой части обмотки статора,°С,

(4)

где П_п1 — расчетный периметр поперечного сечения паза статора, равный для полузакрытых трапецеидальных пазов:

П_п1 = 2h_п.к + b₁ + b₂ (5)

(h_п.к, b₁, b₂ — размеры паза в штампе); для прямоугольных открытых и полуоткрытых пазов

П_п1 = 2(h_п + b_п);

b_из1 — односторонняя толщина изоляции в пазу; для высыпной обмот­ки b_из1 берется по соответствующим таблицам [1]. Для обмоток из прямоугольного провода

b_из1 = (b_п - n_элb)0,5 (6)

где n_эл и b — число и ширина неизолированных элементарных проводников, расположенных в одном слое по ширине паза; λ_экв — сред­няя эквивалентная теплопроводность пазовой изоляции; для классов нагревостойкости В, F и Н λ_экв = 0,16 Вт/(м°С); λ'_экв, — среднее значение коэффициента теплопроводности внутренней изоляции катушки всыпной обмотки из эмалированных проводников с учетом неплот­ности прилегания проводников друг к другу; для обмоток из прямоугольного провода в (11.4) принима­ют

Перепад температуры по толщине изоляции лобовых частей

, (7)

где П_л1 — периметр условной поверхности охлаждения лобовой час­ти одной катушки; П_л1 ≈ П_п1; b_из.л1 — односторонняя толщина изо­ляции лобовой части катушки (по табл. [1]). При отсутствии изоляции в лобовых частях b_из.л1 = 0; Для катушек из прямоугольного провода при­нимают h_п1/(12 λ'_экв) = 0.

Превышение температуры наружной поверхности изоляции лобо­вых частей обмотки над температурой воздуха внутри машины, ° С,

(8)

Среднее превышение температуры обмотки над температурой обмотки статора над температурой воздуха внутри машины, ° С,

(9)

Превышение температуры воздуха внутри машины над температурой окружающей среды определяется в предположении, что температура корпуса равна температуре воздуха внутри машины. При этом условии ° С,

(10)

где – сумма потерь, отводимых в воздух внутри двигателя, Вт;

α_в – коэффициент подогрева воздуха, Вт/(м²·°С), учитывающий теплоотдающую способность поверхности корпуса и интенсивность перемешивания воздуха внутри машин;

S_кор – эквивалентная поверхность охлаждения корпуса, м².

Для двигателей со степенью защиты IP 44 при расчете не учитывают также мощность, потребляемую наружным вентилятором, которая составляет примерно 0,9 суммы полных механических потерь:

где

При расчете S_кор учитывают поверхность ребер станины:

S_кор=(πDa+8П_р) (l₁+2l_выл1), (11)

где П_Р– условный периметр поперечного сечения ребер станины; значение П_Р может быть взято приближенно по кривой [2].

Среднее превышение температуры обмотки статора над температурой окружающей среды, ° С,

(12)

Из-за приближенного характера расчета должно быть по крайней мере на 10% меньше, чем допускаемое превышение температуры для принятого класса изоляции.

Расчет вентиляции. Для двигателей, спроектированных на базе серии 4А со степенью защиты IP 23, требуемый для охлаждения расход воздуха, м³/с,

(13)

– превышение температуры выходящего из двигателя воздуха над температурой входящего; приближенно .

Расход воздуха, который может быть получен при данных размерах двигателя, оценивается по эмпирической формуле

, (14)

Где n_к и b_к– число и ширина радиальных вентиляционных каналов, м;

n– частота вращения двигателя, об/мин;

m– коэффициент (m=2,6 для двигателя с 2р=2; m=3,15 для двигателя с 2р≥4).

Для двигателей, спроектированных на базе серии 4А со степенью защиты IP44, требуемый для охлаждения расход воздуха, м³/с,

(15)

k_m– коэффициент, учитывающий изменение условий охлаждения по длине поверхности корпуса, обдуваемого наружным вентилятором:

Коэффициент m=2,6 для двигателя с 2р=2 при h≤132 мм и m=3,3 при h≥160 мм; m=1,8 для двигателей с 2р≥4 при h≤132 мм и m=2,5 при h≥160 мм.

Расход воздуха, обеспечиваемый наружным вентилятором при конструктивном исполнении и размерах, принятых в двигателях серии 4А, может быть приближенно определен по следующей формуле:

(17)

Расход воздуха должен быть больше требуемого для охлаждения машины.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПОДГОТОВКИ

1. Какие приняты классы изоляции температу­ры?

2. Как проводят расчет нагрева?

3. Каким должен быть расход воздуха?