книги из ГПНТБ / Борисенко А.И. Аэродинамика и теплопередача в электрических машинах

с водяным охлаждением ротора. Дальнейший расчет совпадает с расчетом статора при водяном охлаждении ротора.

ж) Система вентиляции ротора турбогенератора с непосредственным газовым охлаждением обмотки

Вентиляционный расчет ротора турбогенератора с аксиальным охлаждением обмотки выполняется со­ гласно схеме замещения, приведенной на рис. 6-20. Коэффициенты гидравлических сопротивлений можно определять по данным [Л. 357, 359]. Коэффициент сопро­ тивления входа газа в витки обмотки ротора при рас­ сматриваемой системе охлаждения пазов и лобовой ча­ сти ротора должен учитывать вихрь, вызванный усло­ виями течения газа в подбандажном пространстве [Л. 357]. Изменение этого коэффициента по виткам рото­ ра показано на рис. 6-21. Коэффициент трения в венти­ ляционных каналах меди ротора может быть определен по формуле (6-21).

Выражения для гидравлических сопротивлений пазо­

(6-52)

В этих формулах и на рис. 6-20 верхний индекс при z означает номер витка обмотки, первая цифра в ниж­

250

Рис. 6-20, Схема замещения системы вентиляции ротора турбогене­ ратора с непосредственным газовым охлаждением.

Рис. С-21. Коэффициенты гидравлического сопротивления входа газа в витки пазовой и лобовой частей обмотки ротора.

ные скорости соответственно на среднем диаметре вы­ ходных окон ротора и на внешнем диаметре бочки ро­ тора. Для преодоления гидравлических сопротивлений ротора при заданном расходе газа с учетом самовенти­ лирующего эффекта используется встроенный вентиля­ тор, напор которого определяется формулой

251

Г л а в а с е д ь м а я

ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ КРУПНЫХ АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЁЙ

7-1. Задача теплового расчета

Тепловой расчет состоит в определений тепловых по­ токов и распределения температуры в активных элемен­ тах машин. Это позволяет в ходе проектирования рацио­ нально выбирать электромагнитные нагрузки и влиять на конструкцию машины.

Основное требование к тепловому расчету — точность при определении максимальной и средней температур обмоток, так как максимальная температура при приня­ том классе изоляции лимитирует мощность машины, а средняя температура является очень удобным экс­ плуатационным показателем и легко определяется по сопротивлению обмотки.

7-2. Предельные допускаемые превышения

температуры. Классы нагревостойкости изоляции

Надежность активных частей электрической маши­ ны определяется изоляцией обмоток, срок службы кото­ рой зависит прежде всего от температуры и, как пока­ зывает опыт, уменьшается экспоненциально при увели­ чении температуры.

Изоляционные материалы, применяемые в электри­ ческих машинах, разделяются по теплостойкости на шесть классов.

Класс А: хлопок, шелк, бумага и другие органические материалы с масляной пропиткой либо погруженные в масло; к этому классу ■относят и эмаль, применяемую для изоляции обмоточных проводов.

:ком, асбест, стекловолокно, миканит, етеклослюдинит и подобные неорганические материалы в изделиях, содержащих органические івяжущие вещества. Класс F: материалы класса В, содержащие [неорганические связующие, за исключением соединений кремнийорганической группы, например асбест с неорганической подложкой и термостабильным пропиточным лаком, стеклопласт, миканит с кремнийорганической пропиткой. Класс Н: материалы класса В, содержа­ щие связующие кремнийорганической группы или других веществ, имеющих эквивалентные свойства, например стеклоизделия с кремнийорганическим.и лаками в качестве пропиточного средства, кремнийорганические соединения в виде резины и подобные им материалы.

В настоящее время разработано большое количество новых изоляционных монолитных композиций на основе литой эпоксидной смолы с наполнителями, стеклопластовой и других композиций, данные которых приводятся в гл. 2.

252

Принято считать для открытых Машин температурой окружающей среды Тж температуру воздуха того поме­ щения, в котором работает машина, причем Гж согласно нормам эксплуатации измеряется на высоте, равной по­ ловине высоты машины, и на расстоянии 1—2 м от нее.

Для продуваемых электрических машин превышение температуры рассматриваемого элемента АТ определяет­ ся относительно температуры воздуха, измеренной в месте входа воздуха в машину. За предельную допу­

Рабочей температурой отдельной части электрической машины называется установившаяся температура, со­ храняющая неизменным свое значение в течение часа, когда нагрузка электрической машины и температура охлаждающего воздуха поддерживаются также неизмен­ ными.

За условную расчетную рабочую температуру прини­ мается температура 75°С для изоляции классов А, Е, В и 115°С для изоляции классов F и Н. К этой темпе­ ратуре приводятся температуры всех частей электриче­ ской машины, нагревание которых влияет на величину потерь.

При испытании электрических машин на нагревание температуру наружных неподвижных частей электриче­ ских машин измеряют термометром. Для измерения среднего значения температуры обмоток машин приме­ няют метод сопротивления. В трудно доступных местах машины, например в пазу статора, устанавливают тем­ пературные индикаторы.

Предельная допускаемая температура частей элек­ трических машин при температуре газообразной охлаж­ дающей среды +40 °С и высоте не более 1 км над уров­

различных частей машин, предназначенных для продол­ жительного номинального режима работві, над темпера­ турой охлаждающего воздуха + 4 0 °С (ГОСТ 183-66) в зависимости от класса нагревостойкости изоляции да­ ны в табл. П-1. Для турбогенераторов они заданы ГОСТ 533-68, для гидрогенераторов — ГОСТ 5616-63 и для синхронных компенсаторов — ГОСТ 609-66. Температура для изоляции класса С не нормируется, хотя на прак­ тике принимается равной 200°С.

253

В электрических машинах, предназначенных для кратковременного номинального режима работы (двига­ тели стиральных машин, кофемолок и т. п.), допустимые превышения температуры по ГОСТ 183-66 могут превы­ шать значения, указанные в табл. П-1, на 10 °С.

Для обмоток машин переменного тока с номинальным напряжением выше 11 кв предельные допускаемые тем­ пературы должны быть снижены из расчета 1,5 °С при измерении термометром и 1,0 °С при измерении индика­ тором на каждый 1 кв сверх 11 кв.

Для турбогенераторов с косвенным охлаждением об­ моток на номинальные напряжения от 11 до 17 кв пре­ дельные допускаемые превышения температуры должны

обмоток, указанные в пп. 2 и 4 табл. П-1, измеренные методом сопротивления, для закрытых машин на напря­ жение не более 1 500 в допускается повышать на 5°С.

Если в дополнение к значениям температуры, полу­ ченным по методу сопротивления, желательно иметь от­ счет по методу термометра, то превышения температуры, измеренные в наиболее нагретой доступной точке, не должны превышать: 65 °С для изоляции класса А; 80 °С— класса Е; 90°С — класса В; 110°С — класса F и 135 °С— класса Н.

Предельные допускаемые превышения температуры для обмоток электрических машин с непосредственным охлаждением жидкостью устанавливаются в стандартах или в технических условиях на эти машины.

Поправки на предельные допускаемые превышения температуры частей электрических машин, работающих при температуре газообразной охлаждающей среды, от­ личной от +40 °С, или на высоте более і км над уров­ нем моря, определяются ГОСТ 183-66.

Водяные охладители электрических машин должны обеспечить разность между температурой газообразной охлаждающей среды, выходящей из охладителя, и тем­ пературой воды, поступающей в охладитель, не более 10°С, а для машин, температура охлаждающей воды которых принята +33 °С, — не более 7°С. Температура

254

охлаждающей воды при этом не должна превышать со­

= 0,088°С_1. Таким образом, изоляция класса А может надежно работать в течение 11 —17 лет при предельной температуре Гиз= 100+95 °С. При каждом увеличении температуры на 8°С сверх установленной нормы срок службы изоляции класса А сокращается вдвое.

При расчете и испытании машин следует учитывать влияние температуры и плотности окружающей среды на тепловое состояние обмоток, если эти параметры отличны от значений, регламентированных ГОСТ. Необ­ ходимо учитывать также условия эксплуатации электро­ машин: высоту установки над уровнем моря, влажность, загрязненность и тому подобные параметры среды. Исследования С. Т. Бояджана [Л. 102], И. В. Третьяко­ вой [Л. 103] и наши (см. § 8-12) показывают, что при повторных, сравнительных испытаниях машин увеличе­ ние температуры охлаждающей среды Гж на каждые

4АО превышение температуры обмотки статора на каж­ дые 2°С увеличения Гж составляет 0,8—1 °С. Для машин более высоких классов нагревостойкости это влияние еще выше — в асинхронных двигателях с изоляцией класса Н повышение Тт на 2—2,5°С вызывает увеличе­ ние температуры обмоток на 1—1,1 °С. Эти результаты надо учитывать при сравнении опытных и расчетных температур обмоток.

7-3. Обзор современных методов теплового расчета электрических машин

В настоящее время применяются три метода: 1) теп­ ловых параметров, 2) эквивалентных тепловых схем и

3)температурного поля.

Метод тепловых параметров (МТП) использует прин­

цип наложения, согласно которому установившееся пре­ вышение температуры меди обмотки, так же как и лю-

2§5

бой другой части машины, представляют в виде суммы частичных превышений АТы, обусловленных соответст­ вующими частичными потерями, выделяющимися в дру­ гих частях машин. Например, при расчете асинхронного двигателя по методу МТП его рассматривают как систе­ му из трех однородных тел — обмотки статора, стали статора и ротора. Тогда превышение температуры обмо­ ток статора равно:

Если бы нагревание обмотки статора происходило только за счет джоулевых потерь Рми то эти потери при теплоотдаче меди обмотки статора окружающей среде определили бы собой превышение температуры обмотки статора

где В — эквивалентное тепловое сопротивление.

Однако нагрев обмотки происходит не только от соб­ ственных потерь, но и от потерь, выделяемых в других частях машины. Здесь делается допущение: доля потерь, идущих на нагревание обмотки статора, постоянна и не зависит от превышений температуры, вызываемых в об­ мотке статора другими потерями. Таким образом, рас­ сматривая машину как систему трех тел, относительную долю потерь, выделяемых в стали статора Р с и в роторе Яр, и нагревающих обмотку статора, можно установить путем введения соответствующих коэффициентов подо­ грева kc и kp, которые постоянны для данных условий вентиляции. Тогда частичные превышения температуры меди обмотки статора, обусловливаемые потерями в ста­ ли статора и потерями в роторе, могут быть соответст­ венно определены как

Таким образом, с учетом (7-1) и (7-2) превышение температуры меди обмотки статора при нормальном установившемся тепловом режиме определяется выражедием

ДГ м = . Рм + ^Яс + ^рРр.,

256

Выражения типа (7-5) можно составить для случая несимметричной нагрузки и с учетом температурной за­ висимости потерь, а также для режимов с повторно-крат­ ковременными нагрузками, когда нагрев колеблется око­ ло некоторого среднего значения. При этом необходимо определить виды потерь и тепловых параметров для каждого цикла.

Используя основные положения теории тепловых па­ раметров, П. А. Суйский, О. А. Некрасов, В. В. Шевчен­ ко и Г. Г. Рекус разработали расчет нагрева асинхрон­ ных машин [Л. 104—106). Аналогично построены методы теплового расчета с использованием эквивалентных теп­ ловых схем применительно к машинам постоянного тока, предложенные Н. А. Панфиловым [Л. 107].

Метод эквивалентных тепловых схем (метод ЭТС).

Разработка этого метода связана со стремлением обой­ ти трудности расчета двухмерных и трехмерных темпе­ ратурных полей в активных частях электрических ма­ шин, так как зачастую решение уравнения Пуассона для таких полей довольно затруднительно, а если возможно, то дает чрезвычайно громоздкие формулы. С теоретиче­ ским обоснованием упрощения решений двухмерных процессов теплопроводности в электрических машинах выступил в 1931 г. Зодерберг ![Л. 108], предложивший рассматривать двухмерное течение тепла в пластине как результат взаимодействия двух одномерных потоков, каждый из которых испытывает сопротивление в рас­ сматриваемом направлении. Результирующий тепловой поток встречает на своем пути эквивалентное сопротив­ ление, определяемое как сумма двух параллельных сопротивлений по осям х и у. Суммирование сопротив­ лений осуществляется в соответствии с правилами сло­ жения сопротивлений в электрических цепях. При этом предполагается аналогия тепловых и электрических по­ токов, основанная на единой форме уравнений теплооб­ мена (закон Фурье):

и электрического тока (закон Ома)

где Sep — средняя площадь теплопередающей поверх­ ности; К— коэффициент теплопроводности; k — удельная

электрическая проводимость; А Т — падение температуры на длине. 6; AU — разность потенциалов на длине I про­ водника с сечением Sp, R — тепловое сопротивление

данного участка пути теплового потока; R3 — электри­ ческое сопротивление.

В эквивалентных тепловых схемах разность темпера­ тур соответствует разности потенциалов AU, тепловые

Второе уравнение метода эквивалентных тепловых схем аналогично уравнению первого закона Кирхгофа и выражает факт, что при стационарных режимах в узлах цепи не может происходить накопления тепловой энер­ гии

р —

г=і

Здесь Р — мощность теплового источника; qi — тепло­ вой поток в і-й ветви, отходящей от теплового источника.

Основные допущения метода эквивалентных тепловых схем, позволяющие применить к нему хорошо разрабо­ танную теорию электрических цепей, состоят в том, что действительные распределенные источники тепла и рас­ пределенные тепловые сопротивления заменяются не­ большим количеством сосредоточенных источников тепла и сосредоточенных эквивалентных тепловых сопротивле­ ний, причем последние предполагаются не зависящими от величины теплового потока. Такой подход дает воз­ можность свести метод ЭТС к линейным тепловым цепям и пользоваться обычными алгебраическими мето­ дами. Так как тепловые сопротивления, определяемые через параметры среды (коэффициенты теплопроводно­ сти и теплоотдачи, кинематическую вязкость, теплоем­ кость и т. п.), зависят от температуры, то при расчете по методу ЭТС задаются заранее ориентировочные темпе­ ратуры, по которым определяют все теплотехнические параметры охлаждающей среды и материалов.

Следует также помнить, что в электрических цепях обычно определяют ток, считая напряжение известным; в методе ЭТС ставится обратная задача — по известным величинам тепловых источников определить температу­ ру. В отличие от электрических цепей тепловые цепи всегда изображаются разомкнутыми,

258

Составление ЭТС является важным этапом теплового расчета. При этом должны по-возможности учитываться все основные факторы, влияющие на температуру маши­ ны, однако не следует допускать чрезмерного усложне- , ния ЭТС. Схема составляется на основании анализа опытных данных о распределении тепловых потоков и предварительных оценок величин отдельных тепловых сопротивлений. Если в ЭТС, состоящей из нескольких параллельных цепей, удается выяснить, что тепловое сопротивление одной из ветвей значительно больше, чем остальных (например, если на предполагаемом пути теп­ лового потока находится прослойка неподвижного воз­ духа), то эту цепь можно почти всегда считать разорван­ ной и теплопередачу в этом направлении не учитывать. Если источников тепла немного (не более пяти), то расчет получается простым и нетрудоемким (решается система алгебраических уравнений, число которых равно числу источников). При этом следует иметь в виду, что в качестве источников, температуру которых определяет расчет, выступают довольно крупные элементы электри­ ческой машины, не всегда равномерно нагретые. Повы­ шения точности расчета по методу ЭТС достигают за счет увеличения числа рассматриваемых элементов, на которые разбивается электрическая машина. При этом можно найти распределение температуры в машинах и значение максимальной температуры. Но, с другой сто­ роны, при большом числе элементов существенно возрас­ тает объем вычислений, так как растет порядок системы алгебраических уравнений. В настоящее время сущест­ вуют методики расчета схем из 20—40 элементов, но при таком количестве источников теряется основное достоинство метода — простота и малая трудоемкость

вычислений.

Ниже будут рассмотрены ЭТС для машин с различ­ ными схемами охлаждения.

Большое значение для совершенствования метода эквивалентных тепловых схем имели работы А. Е. Алек­ сеева, И. Гака и др. [Л. 15, 109—112]. Уточнению расче­ та тепловых сопротивлений, построению и уточнению способов осреднения, применению метода эквивалент­ ных тепловых схем в комбинации с другими методами посвящено много работ, выполненных при решении раз­ личных задач нагрева и охлаждения электрических ма­ шин.