Материал: Гидравлические и тепловые расчеты в электрических машинах. Писаревский Ю.В., Писаревский А.Ю

 Конвективный теплоперенос. Понятие о тепловом пограничном слое. Дифферен-циальные уравнения конвективного процесса. Применение теории физического подобия к расчёту теплоотдачи конвекцией.

 Критериальные уравнения. Теплообмен оболочки закрытых ЭМ. Результирующий коэффициент теплоотдачи при совместном действий конвекции и излучения.

 Тепловые расчёты электрических машин. Задачи тепловых расчётов ЭМ. Исходные данные для расчёта: распределение потерь, геометрические размеры основных частей, теплофизические свойства материалов, расходы и скорости охлаждающей среды.

 Режимы работы электрических машин и их учёт при тепловых расчётах. Роль теплового расчёта в проектировании ЭМ. Предварительный учёт условий охлаждения при выборе удельных электромагнитных нагрузок.

 Тепловые расчёты на основе методов температурного поля. Примеры расчёта температурных полей в обмотках и сердечниках ЭМ методом сеток с помощью современной вычислительной техники.

 Сущность метода эквивалентных схем и его связь с методом поля. Тепловые схемы защищённой электрической машины постоянного тока. Принципы расчёта тепловых сопротивлений различных элементов ЭМ. Тепловые схемы машин закрытого исполнения. Тепловые расчёты в трансформаторах.

 Системы уравнений теплового баланса для тепловых схем и способы их решения. Аналогия между тепловыми и электрическими схемами. Учёт в тепловых схемах зависимости потерь в обмотках ЭМ от температуры. Учёт подогрева охлаждающих потоков. Применение вычислительной техники для расчёта сложных тепловых схем; анализ результатов расчёта.

 Упрощённые тепловые расчёты по методам эквивалентных греющих потерь и удельных тепловых потоков.

 Система дифференциальных уравнений теплового баланса элементов ЭМ при нестационарном тепловом режиме. Постоянные времени теплового процесса. Принципы определения допустимой нагрузки ЭМ в кратковременном и повторно кратковременном режимах работы. Общие методы решения систем дифференциальных уравнений нагрева.

 Тепловые испытания ЭМ, методы измерений, обеспечение требуемой точности. Анализ результатов испытаний.

1.2. Самостоятельная работа и контроль знаний студентов

1.3. Учебно-методические материалы по дисциплине

1. Сипайлов Г. А. Тепловые, гидравлические и аэродинамические расчёты в электрических машинах: учебник. для вузов по спец. «Электромеханика» / Г. А. Сипайлов, Д. И. Санников, В. А. Жадан.  М: Высш. шк., 1989. – 239с.

2. Филиппов И. Ф. Теплообмен в электрических машинах / И. Ф. Филиппов. – Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние., 1986. – 256 с.

3. Борисенко А. И. Охлаждение промышленных электрических машин / А. И. Борисенко, О. Н. Костиков, А. И. Яковлев. – М.: Энергоатомиздат, 1983. –297 с.

4. Гуревич Э. И. Тепловые испытания и исследование электрических машин / Э. И. Гуревич. – Л.: Энергия, 1977.

5. Проектирование электрических машин: учеб. пособие для вузов / И.П. Копылов, Ф. А. Горяинов, Б. Н. Клоков и др.; под ред. И. П. Копылова. – М.: Энергия, 1980. – 496 с.

1 . Общие вопросы теплообмена в электрических машинах

Раздел посвящен рассмотрению общих вопросов теплообмена в электрических машинах. Теплообмен или теплопередача вызвана перепадом температур, который возникает при работе электрической машины из-за потерь энергии. Государственными стандартами устанавливаются определенные требования к электрическим машинам по уровню нагрева, являющиеся ограничениями при проектировании любой электрической машины. Поэтому в электрических машинах применяются различные виды, способы и системы охлаждения в зависимости от её назначения и с целью повышения эффективности преобразования энергии при минимальных затратах. Создание новых электрических машин и прогрессивных систем охлаждения к ним не мыслимо без обобщения накопленного опыта проектирования машин, который эффективно реализуется при помощи теории подобия. Таким образом, создание электромеханического преобразователя энергии возможно лишь при ясном понимании взаимосвязи электромагнитного, теплового, вентиляционного расчётов и технико-экономических показателей машины, определяющих её конкурентоспособность.

ПОСЛЕ ИЗУЧЕНИЯ ГЛАВЫ НЕОБХОДИМО ЗНАТЬ

• Пределы температур в обмотках электрических машин, допускаемые по ГОСТ 183-74 для основных классов изоляции.

• От чего зависит температура активных частей электрической машины.

• Основные процессы старения изоляции (правило Монтзингера).

• Принципы рационального размещения теплостоков.

• Критерии эффективности и экономичности систем охлаждения.

• Критерии подобия, наиболее часто использующиеся в прикладной теплофизике и прикладной гидродинамике.

1.1. Требования к электрическим машинам

по уровню нагрева

Цель создания и применения любой электрической машины – электромеханическое преобразование энергии. Электромеханическое преобразование энергии в электрической машине (ЭМ) сопровождается необратимыми потерями энергии, проявляющимися в виде тепла. Тепловая энергия потерь нагревает части электрической машины, передается окружающей среде, рассеивается и безвозвратно теряется. Передача теплоты от мест её выделения к окружающей среде, т.е. теплообмен или теплопередача, вызывается превышением температуры, приобретённой частями машины, над температурой окружающей среды.

Чем интенсивнее осуществляется отвод выделяющихся в ЭМ тепловых потерь, тем большую мощность можно получить от машины заданных габаритов. Предельные допустимые температуры активных частей электрической машины относятся к числу ограничений, которые необходимо соблюдать при создании электрических машин, наряду с максимальными допустимыми механическими и электрическими напряжениями.

Требуется помнить, что распределение температуры в обмотках ЭМ не равномерно, а измерение методом сопротивления или термометра не даёт возможности определить температуру в наиболее горячей точке обмотки. Поэтому пределы температуры в обмотках, допускаемые по ГОСТ 183-74, ниже регламентированных в СТ СЭВ 782-77 на изоляционные материалы (табл.1.1).

Таблица 1.1

Классы нагревостойкости изоляции

Примечание.

Допускаемые превышения температуры обмоток указаны при температуре охлаждающей среды 40 ˚С и при измерении методом сопротивления. Для однорядных обмоток возбуждения с изолированными поверхностями допускаемые температуры и превышения температур на 10 ˚С выше. Для коллекторов и контактных колец предельно допускаемые превышения температуры при измерении методом термометра составляют: B – 80 ˚C, F – 90 ˚C, H – 100 ˚C.

Рис.1.1. Шар с равномерно распределенными источниками тепла q

Тепловой расчёт обмоток производят, исходя из наиболее неблагоприятных условий, для чего потери в обмотках рассчитывают, исходя из сопротивлений обмоток, приведённых к максимально допускаемой температуре при выбранном классе нагревостойкости изоляции (за исключением обмоток возбуждения машин постоянного и переменного тока). Для этого сопротивления обмоток, рассчитанные для температуры 20 ^С, умножают на коэффициент .

Традиционно большее внимание вопросам охлаждения уделяется в крупных электрических машинах большой мощности.

Это связано с тем, что с увеличением размеров машины всё более затрудняется её охлаждение. Проиллюстрировать этот процесс можно на примере шара с равномерно распределёнными источниками тепла (рис. 1.1).

Пусть шар радиусом R содержит равномерно распределённые источники тепла q. Если в единице объёма выделяется тепло q [Вт/м³], то наружная поверхность шара должна рассеивать , ватт тепловых потерь. Т.е. тепловой поток в единицу времени с единицы поверхности равен

, Вт/м², (1.1)

где р – удельный тепловой поток с единицы поверхности или плотность теплового потока.

В свою очередь Р – определяет превышение температуры поверхности шара над температурой окружающей среды ΔΘ

, К (1.2)

где α – коэффициент теплоотдачи поверхности шара.

Следовательно, при неизменной удельной мощности внутренних источников тепла q с возрастанием размеров (увеличением R) возрастает и превышение температуры. Для того, чтобы превышение температуры не увеличивалось нужно снижать величину потерь на единицу объёма q. В ЭМ это связано с уменьшением электромагнитных нагрузок, т.е. плотности тока и магнитной индукции, что в свою очередь приводит к увеличению размеров машины и её стоимости.

Во избежание увеличения удельных расходов материалов в машине необходимо сохранить величину q [Вт/м³] неизменной при возрастающих размерах машины, а это достигается увеличением интенсивности охлаждения.

Чем лучше и с наименьшими затратами это удается сделать тем выше можно выбирать электрические и магнитные нагрузки и соответственно меньше затрачивать активных материалов. Следовательно, тепловые и гидравлические или аэродинамические процессы в машине тесно связаны с экономическими вопросами производства электрических машин.

Правильное решение тепловых и гидравлических (аэродинамических) вопросов в электрической машине позволяет гарантировать её высокую надежность и меньшую стоимость.

Примечание. Следует заметить, что существует оптимальное значение КПД для каждого типа машин, при котором общие энергетические затраты на производство материалов и самой машины окупаются за время срока службы машины.

Требования, которые предъявляются к тепловым характеристикам электрических машин, включают не только допустимые значения температуры машины в целом или её частей, но и разность температур отдельных элементов конструкции, а так же охлаждающей среды и обмоток. Как абсолютные значения температур, так и температурные превышения или разности температур связаны с условиями работы машины и долговечностью изоляционных материалов. Повышенная температура нагрева вызывает тепловое старение изоляции обмоток, приводящее к необратимому снижению электрической и механической прочности.

Для некоторых классов изоляционных материалов действителен степенной закон старения, установленный экспериментально (правило Монтзингера)

, (1.3)

где D_ – срок службы машины при увеличенной температуре ; D_ – срок службы при температуре , определяемый опытным путём;  – постоянное приращение температуры (8  10 С).

Правило Монтзингера гласит, что повышение температуры на каждые 8-10^о градусов сокращает срок службы изоляции в два раза. Это правило позволяет на основании опытных данных назначить допустимый уровень температуры изоляции исходя из требуемого срока службы машины.

При этом необходимо учитывать, что местные значения температуры обмотки могут превышать средний уровень её нагрева. Кроме того в процессе работы машины встречаются аварийные режимы и перегрузки, сопровождающиеся относительно кратковременным, но большим повышением температуры. При этом изоляция подвергается термомеханическим напряжениям, возникающим в обмоточно-изоляционных конструкциях. Термомеханические напряжения обусловлены разностью температурного расширения различных материалов при нагревании и особенно сильно сказываются при быстрых изменениях температуры – тепловых ударах (пуск, короткое замыкание и т.п.), которые сильно сокращают срок службы изоляции.

1.2. Общая характеристика физических процессов

тепловыделения и теплопередачи

Источники тепла электрической машины находятся главным образом в активных частях, т.е. в материале обмотки и пакетах стали. Но в образовании тепла могут также участвовать и неактивные, конструктивные материалы. Так переменные потоки рассеяния вызывают в стальных частях добавочные потери; благодаря диэлектрическим потерям, в изолирующих материалах также может выделяться заметная доля тепловой энергии.

Интересующее нас, прежде всего, распределение и уровень температур электрических машинах зависят в первую очередь от мощности источников тепла и их распределения. Благодаря теплопроводности и теплопередаче происходит также повышение температуры частей машины, не содержащих источников тепла.

При соприкосновении тел, условием возникновения теплообмена является разность температур рассматриваемых тел. В результате соприкосновения происходит обмен энергией движения структурных частиц, в результате которого интенсивность движения атомов и молекул более холодного тела возрастает, а более горячего убывает. Кроме этого теплообмен может происходить в результате перемещения объёмов среды, состоящих из большого числа молекул, а также за счёт электромагнитного излучения.

Таким образом, существуют три способа передачи теплоты: теплопроводность (кондукция), перемещение объёмов среды (конвекция), излучение (радиация).

При этом конвекция может быть естественной и вынужденной. При естественной конвекции жидкость или газ движется за счёт разности плотностей холодной и горячеё сред например в гравитационном поле; при вынужденной за счёт давления (напора) нагнетателя – насоса или вентилятора.

Таким образом, источниками тепловыделения в электрических машинах являются: активные части (обмотки, сердечники, подшипники, щёточно-коллекторный узел). Кроме этого тепловыделение происходит при трении вращающихся частей машины о среду внутри машины, сюда же входят и вентиляционные потери. Для правильного формирования теплового поля машины источники тепловыделения должны быть дополнены рациональной системой стоков теплоты.

Чтобы рационально разместить теплостоки, достаточно знать усреднённые во времени потери в конкретных частях машины. В ответственных случаях учитывают зависимость плотности потерь (тепловыделений) от координат.

Потери в электрических машинах делят на четыре группы:

электрические (в обмотках и щёточно-колекторном узле);

магнитные (на гистерезис и вихревые токи);

добавочные (в стали и обмотках);

механические (на трение и перемещение охлаждающей среды).

Основная часть потерь определяется в ходе электромагнитного расчёта и при анализе электрической машины как тепловой системы предполагается заданной.

Для достижения стационарного режима электрической машины система тепло источников дополняется системой стоков теплоты суммарные мощности, которых равны.

Сток теплоты обеспечивается в основном за счёт процессов теплопроводности и конвекции и осуществляется путём контакта границ тепловыделяющих элементов с охлаждающей (внешней) средой.

Очевидно, что при проектировании электрических машин оказываются связанными четыре вида расчетов: электромагнитный, тепловой и аэродинамический. В наиболее простом случае можно подойти к этим расчетам с единой позиции, проведя аналогию между электрическими, магнитными, тепловыми и гидравлическими цепями (табл. 1.2).

Таблица 1.2

Аналогия между электрическими, магнитными, тепловыми

и гидравлическими цепями