Содержание
Предыдущий § Следующий
3.4. Охлаждение электрических машин
Превышение температуры поверхности охлаждения электрической машины над температурой охлаждающей среды определяется выражением
ДЭ = £р/(а50хл),
где S0XJI — поверхность охлаждения машины; Y,P — сумма потерь, отводимых с поверхности охлаждения; а — коэффициент теплоотдачи с поверхности.
Уменьшение нагрева машины может быть достигнуто снижением использования активного объема машины (уменьшением £Р), увеличением эффективности теплоотдачи (увеличением коэффициента а) и увеличением поверхности охлаждения. Снижение использования активного объема экономически невыгодно, так как приводит к неоправданному увеличению габаритов и массы машины, поэтому задача улучшения охлаждения электрических машин, как правило, решается путем увеличения коэффициента теплоотдачи и площади поверхности охлаждения.
В современном электромашиностроении коэффициент теплоотдачи повышают путем организации интенсивного обдува охлаждаемых поверхностей воздухом и применением для охлаждения водорода, воды или масла. Поверхность охлаждения увеличивают оребрением корпусов машин и созданием систем вентиляционных каналов для пропуска охлаждающего агента (воздуха, водорода или жидкости) внутрь машины непосредственно к элементам ее объема, в которых происходит наиболее интенсивное выделение тепла,— к активной стали и обмоткам. В последнем случае достигается также уменьшение нагрева внутренних зон машины из-за уменьшения теплового потока от места выделения тепла к внешней поверхности машины.
Классификация систем вентиляции в зависимости от расположения вентиляторов
Рис. 3.3. Классификация систем вентиляции электрических машин
и преимущественного направления вентиляционных каналов внутри машины применительно к воздушному охлаждению приведена на рис. 3.3.
В электрических машинах с естественным охлаждением отсутствуют как вентилятор, так и какие-либо иные конструктивные элементы, создающие направленное движение воздуха для отвода тепла от частей машины. Охлаждение осуществляется за счет свободной конвекции воздуха, вызванной разницей температур нагретой поверхности машины и охлаждающей среды.
Большинство электрических машин имеет искусственное охлаждение, при котором обязательным является наличие каких-либо конструктивных элементов или отдельных устройств (вентиляторов, компрессоров, вентиляционных лопаток или ковшей и т. п.), создающих аэродинамический или гидравлический напор, необходимый для обеспечения направленного движения охлаждающего газа или жидкости по вентиляционным каналам или обдува внешней поверхности машины.
Системы вентиляции в зависимости от привода устройства, создающего напор для движения охлаждающего агента, подразделяют на самовентиляцию и принудительную или независимую вентиляцию. Наиболее распространена самовентиляция электрических машин, т. е. система вентиляции, при которой вентилятор или другое устройство, обеспечивающее движение охлаждающего агента, непосредственно связаны с ротором или валом машины (установлены на роторе, насажены на вал машины или связаны с валом
Рис. 3.4. Схема движения охлаждающего воздуха при внешнем обдуве асинхронного двигателя серии 4A, h = 160 мм, исполнение IP44, способ охлаждения IC041
клиноременной или какой-либо иной передачей). Такая система вентиляции достаточно проста по конструкции, но имеет существенный недостаток: движение хладагента происходит только при вращении вала машины, а скорость его движения меняется с изменением частоты вращения вала. В двигателях с широким регулированием частоты вращения самовентиляция часто оказывается недостаточно эффективной. В таких машинах применяют принудительную систему вентиляции, при которой вентилятор приводится во вращение посторонним вспомогательным двигателем с постоянной и не зависящей от режима работы охлаждаемой машины частотой вращения.
В зависимости от исполнения машины по степени защиты от влияния окружающей среды поток охлаждающего воздуха может быть направлен либо только на внешнюю поверхность машины (внешний обдув), либо в вентиляционные каналы внутрь машины (внутреннее охлаждение) к обмоткам, стали магнитопровода и другим нагревающимся ее частям.
Внешний обдув несмотря на меньшую эффективность охлаждения широко применяется для машин, работающих в загрязненной атмосфере, например в запыленных помещениях. Так, все асинхронные двигатели серии 4А до высоты вращения 160 мм выполняются с внешним обдувом статора
(рис. 3.4). Для усиления теплоотдачи внешнюю поверхность их корпусов делают ореб-ренной. При внешнем обдуве улучшение теплоотдачи от частей машины, непосредственно не соприкасающихся с внутренней поверхностью корпуса, достигается организацией направленного движения воздуха, находящегося внутри корпуса машины, при помощи внутреннего вентилятора или вентиляционных лопаток на роторе. Этим обеспечивается перенос тепла, например, от ротора и лобовых частей обмотки статора к внутренней поверхности корпуса.
Внутренняя вентиляция может быть нагнетательной или вытяжной. При нагнетательной вентиляции воздух проходит по вентиляционному тракту за счет напора, создаваемого на входе в тракт. При вытяжной вентиляции движение воздуха осуществляется за счет разрежения, создаваемого на выходе из вентиляционного тракта.
По преимущественному направлению вентиляционных каналов и направлению движения охлаждающего воздуха относительно оси машины различают аксиальную (рис. 3.5), радиальную (рис. 3.6) и смешанную (аксиально-радиальную) системы вентиляции. Применение той или иной системы определяется размерами машины, специфическими особенностями конструкции машин различных типов и условиями распределения потерь по их объему.
Рис. 3.5. Схема движения охлаждающего воздуха при вытяжной аксиальной вентиляции двигателя постоянного тока серии 2П, h — 180 мм, исполнение IP22, способ охлаждения IC01
Рис. 3.6. Схема движения охлаждающего воздуха при радиальной вентиляции асинхронного двигателя серии 4А, h = 180 мм, исполнение IP23, способ охлаждения IC01
Внутренняя вентиляция электрических машин может осуществляться при разомкнутых или замкнутых циклах циркуляции охлаждающего воздуха. При разомкнутом цикле воздух из окружающей машину среды проходит по вентиляционному тракту, нагревается в процессе охлаждения машины и выбрасывается вновь в окружающую среду. Это наиболее распространенная система. Основным ее достоинством является отсутствие каких-либо дополнительных устройств помимо системы вентиляционных каналов и вентилятора. К недостаткам разомкнутого цикла следует отнести зависимость температуры охлаждающего воздуха от температуры окружающей среды, возможность загрязнения вентиляционных каналов внутри машины пылью или повреждения изоляции обмоток агрессивными газами или парами, находящимися в окружающем машину воздухе. При замкнутом цикле вентиляции (рис. 3.7) нагретый воздух или газ, находящийся внутри машины, не выбрасывается наружу, а пропускается через охладительные устройства и, охлажденный, снова поступает на вход охладительного тракта. Это позволяет изолировать его от окружающего ма-
шину воздуха и обеспечить охлаждение до нужной температуры независимо от температуры окружающей среды. Замкнутый цикл требует устройств охладителей и применения надежных уплотнений, препятствующих проникновению внешнего воздуха внутрь корпуса машины или утечке охлаждающего газа в атмосферу. Такие системы применяются лишь в машинах специальных назначений, например для интенсивного охлаждения машин, работающих во взрывоопасных помещениях, и, как правило, во всех крупных турбогенераторах, гидрогенераторах, синхронных компенсаторах и т.» п.
Для охлаждения крупных турбогенераторов и некоторых синхронных компенсаторов применяют водородное охлаждение, при котором корпус машины заполняется водородом, имеющим приблизительно в 14 раз меньшую плотность, чем воздух. При этом существенно уменьшаются потери на трение вращающихся частей о газ, что особенно важно для быстроходных синхронных турбогенераторов, улучшаются условия работы изоляции (она находится в среде, лишенной кислорода) и увеличивается коэффициент теплоотдачи с охлаждаемых поверхностей.
Рис. 3.7. Схема движения охлаждающего воздуха в синхронной машине СДНЗ-2 при замкнутом цикле вентиляции, способ охлаждения IC37A81
Водородное охлаждение может быть осуществлено только по замкнутому циклу. Охлаждение нагретого водорода происходит в охладителях, вмонтированных в корпус машины.
Более интенсивное охлаждение достигается при так называемой непосредственной или форсированной системе, при которой охлаждающий газ не омывает внешнюю поверхность изолированных катушек обмотки, а пропускается непосредственно к меди ее проводников. При этом превышение температуры обмотки над температурой охлаждающего газа определяется только термическим сопротивлением на поверхности охлаждающих каналов в проводниках и не зависит от термического сопротивления изоляции обмоток. Форсированное водородное охлаждение имеют турбогенераторы серии ТВФ.
Использование для непосредственного охлаждения обмоток электрических машин воды или масла еще более повышает эффективность системы. Во многих современных турбогенераторах обмотка статора охлаждается водой, которую пропускают по полым проводникам, а ротор имеет непосредственное водородное охлаждение.
В последние годы начала развиваться система испарительного охлаждения электрических машин, в которой перенос тепла от внутренних областей машины к периферии осуществляется с помощью тепловых труб, заполненных теплоносителем — веществом, находящимся в жидком состоянии при температуре окружающей среды и имеющим низкую температуру парообразования. При нагреве части тепловой трубы, расположенной в активной зоне машины,
теплоноситель, находящийся внутри этой части, испаряется, охлаждая ее, и, расширяясь, вытесняет жидкость, находящуюся в холодном конце трубы. Жидкий теплоноситель перемещается к ее горячему участку, а на его место поступает нагретый газ. Газ охлаждается с помощью внешнего вентиляционного устройства, обдувающего холодный конец трубы, и конденсируется.
Приведенная на рис. 3.3 классификация рассматривает лишь основные системы охлаждения. В практике электромашиностроения они имеют те или иные разновидности, условные обозначения которых установлены ГОСТ 20459-75 (СТ СЭВ 1953-79). Согласно этому ГОСТ полное обозначение способов охлаждения электрических машин должно содержать буквы 1С и группу знаков из одной буквы и двух цифр. Буква обозначает вид хладагента, используемого для охлаждения: воздух — А, водород — Н, азот — N, двуокись углерода — С, фреон — F, вода — W, масло — V, керосин — Кг. Если в качестве хладагента используются другие, не поименованные выше жидкость или газ, то в обозначении приводится их полное наименование. Первой цифрой условно обозначается устройство цепи для циркуляции хладагента. Обозначение и характеристика некоторых наиболее часто встречающихся цепей приведены в табл. 3.3. Вторая цифра цифровой части условного обозначения — способ перемещения хладагента. Примеры обозначений и краткое наименование наиболее распространенных способов перемещения хладагента приведены в табл. 3.4.
Если машина имеет две и более цепи охлаждения, как, например, обдуваемые двигатели исполнения IP44 или машины с замк-
Таблица 3.3. Условное обозначение цепи для циркуляции хладагента (первая цифра в условном
обозначении системы охлаждения)
Продолжение табл. 3.3
Таблица 3.4. Условное обозначение способа перемещения хладагента (вторая цифра в условном обозначении системы охлаждения)
Продолжение табл. 3.4
Таблица 3.5. Примеры условных обозначений систем охлаждения электрических машин
Продолжение табл. 3.5
нугой системой охлаждения при наличии охладителей, то в обозначении следует указывать характеристики каждой из цепей, начиная с цепи со вторичным хладагентом, т. е. имеющим более низкую температуру. Характеристику цепи, относящуюся к непосредственному охлаждению обмоток, следует ставить в обозначении способа охлаждения в скобки. Примеры полных обозначений способов охлаждения приведены в табл. 3.5. ГОСТ допускает в условных обозначениях
способов охлаждения наиболее распространенных электрических машин применение упрощенной системы. Так, если во всех цепях охлаждения машины используется только воздух, то буква А в обозначении может быть опущена. Если способом перемещения хладагента является самовентиляция, то в обозначении допускается сохранить только первую цифру, характеризующую устройство цепи охлаждения, например обозначать ICO вместо ICO1, как при полном обозначении.
 |
|
|
|