Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

0018940_41F33_goldberg_o_d_i_dr_proektirovanie_elektricheskih_mashin / Глава 05 - ТЕПЛОВОЙ И ВЕНТИЛЯЦИОННЫЙ РАСЧЕТЫ

.doc
Скачиваний:
100
Добавлен:
23.02.2016
Размер:
462.34 Кб
Скачать

Глава 5

ТЕПЛОВОЙ И ВЕНТИЛЯЦИОННЫЙ РАСЧЕТЫ

§ 5-1. Общие положения

После выполнения электромагнитных расчетов машины необходимо провести тепловой расчет для определения ожидаемого установившегося превышения температуры обмоток и коллектора (у машины постоянного тока) при продолжительном режиме работы (S1).

Распределение температуры в обмотках электрических машин не равномерно, а измерение методом сопротивления или термометра не дает возможность определить температуру в наиболее горячей точке обмотки. Поэтому пределы температуры в обмотках, допускаемые по ГОСТ 183, ниже регламентированных на изоляционные материалы*:

Класс нагревостойкости изоляции

B

F

H

Предельно допускаемые температуры, 0С

изоляционных материалов

обмоток машин (ГОСТ 183)

130

155

180

120

140

165

Предельно допускаемые превышения температуры обмоток машин, оС

80

100

125

*Допускаемые превышения температуры обмоток указаны при температуре охлаждающей среды 40 0С и при измерении методом сопротивления.

Для однорядных обмоток возбуждения с неизолированными поверхностями допускаемые температуры и превышения температуры на 10 0С выше.

Для коллекторов и контактных колец предельно допускаемые превышения температуры при измерении методом термометра составляют для класса нагревостойкости изоляции В - 80 0С, для класса F – 90 0C и для класса H – 100 0С.

Тепловой расчет обмоток производят, исходя из наиболее неблагоприятных условий, для чего потери на обмотках рассчитывают, исходя из сопротивлений обмоток, приведенных 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 m'Т:

Класс нагревостойкости

изоляции

В

F

Н

Значение коэффициента m'Т

1+ 0,004(120 -20) = 1,4

1+ 0,004 (140 -20) = 1,48

1+ 0,004(165 -20) = 1,58

§ 5-2. Теплоотдача и теплопередача

Возникающие в машине потери выделяются в виде теплоты и передаются охлаждающей среде (воздух, масло, вода, водород, гелий и т. п.) через поверхность отдельных частей непосредственно или через другие граничащие с ними части машин. В машинах общего назначения, проектирование которых рассматривается в данной книге, охлаждающей средой является воздух.

Передаваемый через поверхность тепловой поток (Вт)

(5-1)

где — коэффициент теплоотдачи поверхности, Вт/(мм2 · град); — превышение температуры поверхности над температурой охлаждающего воздуха, °С; SП — площадь поверхности охлаждения, мм2.

По аналогии с электрической цепью представим (5-1) в виде

(5-2)

где .

Здесь падению напряжения соответствует превышение (перепад) температуры , току - потери (тепловой поток) , сопротивлению электрической цепи - тепловое сопротивление .

По пути к охлаждаемой поверхности тепловой поток встречает дополнительное тепловое сопротивление в изоляции и в металлах. При тепловом расчете учитывают только тепловое сопротивление изоляционных материалов, обладающих малым коэффициентом теплопроводности; тепловым сопротивлением металлов (медь, сталь, чугун) пренебрегают ввиду их высокой теплопроводности. Тепловой поток (Вт), протекающий через изоляцию,

, (5-3)

где - коэффициент теплопроводности изоляционного материала, Вт/(мм · град); - перепад температуры в изоляции, 0С; - площадь односторонней поверхности изоляции, мм2, - толщина изоляции, мм.

Уравнение (5-3) представим в следующем виде:

(5-4)

где .

Потери в машине, передаваемые охлаждаемому воздуху внутри машины, подогревают проточный воздух в защищенной машине или воздух в замкнутом объеме в закрытой машине.

Тепловой поток (Вт), передаваемый воздуху внутри машины,

, (5-5)

где - коэффициент подогрева воздуха, Вт/ (мм2 · град); - среднее превышение температуры воздуха внутри машины, °С; - условная поверхность охлаждения машины, мм2.

Уравнение (5-5) представим в следующем виде:

. (5-6)

У закрытых машин все потери (кроме потерь в наружном вентиляторе) передаются изнутри машины наружному охлаждающему воздуху. При этом тепловое сопротивление должно включать в себя тепловое сопротивление поверхности машины наружному охлаждающему воздуху.

§ 5-3. Методы теплового расчета

Метод экспериментального моделирования. Применяется в тех случаях, когда проектируемая электрическая машина не имеет схожих в тепловом отношении аналогов. Для получения требуемых при расчете параметров необходимо проведение экспериментов на моделях или на макетах. Для определения искомых превышений температур отдельных частей электрических машин находят перепады температур, происходящие на пути движения тепловых потоков от источников теплоты к охлаждающей среде. Перепады температур происходят в изоляции, в активных частях, а также между охлаждающими поверхностями машины и охлаждаемой средой. Кроме того, необходимо учитывать подогрев охлаждающей среды от нагретой машины.

Температурный перепад в изоляции может быть определен по (5-3). Изоляцию обычно выполняют из нескольких слоев. Тепловое сопротивление многослойной изоляции равно сумме тепловых сопротивлений ее n слоев, включая воздушные промежутки. Для расчета теплового сопротивления изоляции, состоящей из n слоев, необходимо знать ее эквивалентный коэффициент теплопроводности , который определяется экспериментально на соответствующих макетах обмоток.

Теплопередача с поверхности обычно происходит тремя путями: лучеиспусканием, теплопроводностью и конвективной теплопередачей. Первые два пути менее эффективны, чем конвективная теплопередача, поэтому ими можно пренебречь.

Температурный перепад на охлаждаемой поверхности может быть определен по (5-1). Коэффициент теплоотдачи поверхности определяют экспериментально на моделях. Чтобы экспериментальные данные можно было использовать для широкого класса охлаждаемых поверхностей, их обычно выражают с помощью безразмерных чисел (критериев). Одним из них является число Нуссельта Nu, которое связывает коэффициент теплоотдачи нагретой поверхности с коэффициентом теплопроводности охлаждающей среды, движущейся относительно этой поверхности:

, (5-7)

где d1 - параметр, характеризующий геометрию исследуемой поверхности охлаждения.

Этот параметр для канала круглого сечения является диаметром сечения d1; для каналов поперечного сечения произвольной формы:

, (5-8)

где S и П - соответственно площадь и периметр поперечного сечения канала;

для канала прямоугольного сечения со сторонами b и h

; (5-9)

для каналов узких прямоугольных (h>>b)

; (5-10)

для охлаждаемых открытых поверхностей d1 принимается равной длине или высоте охлаждаемой поверхности.

Другим безразмерным критерием является число Рейнольдса Re, определяющее характер движения охлаждающей среды, обладающей кинематической вязкостью движущейся со скоростью :

. (5-11)

Свойства охлаждающей среды могут быть охарактеризованы числом Прандтля

, (5-12)

где

(5-13)

- температуропроводность, м2 / с; С - удельная теплоемкость окружающей среды при постоянном давлении, Дж / (° С · кг); - плотность окружающей среды, кг/ м3.

Для наиболее часто применяемой в электромашиностроении охлаждающей среды - воздуха в табл. 5 -1 приведены его физические параметры при =0,1 МПа.

Таблица 5 -1

Температура,

0С

Параметры

Вт/(0С·м)

,кг/м3

·10-82

Ср, Дж/(0С·кг)

·10-82

20

0,0252

1,164

1568

1015

2123

30

0,0258

1,127

1660

1015

2260

40

0,0266

1.092

1752

1020

2394

50

0,0272

1,057

1847

1020

2536

60

0,02795

1,020

1943

1020

2678

70

0,0285

0,996

2045

1020

2827

Значения Re < 1,5·105 соответствуют ламинарному течению частиц воздуха. Для этого случая критериальное уравнение теплообмена имеет вид

. (5-14)

Значения Re > 5·105 соответствуют турбулентному течению воздуха. В этом случае

(5-15)

Из (5-7), (5-11), (5-14) и (5-15) можно найти коэффициент теплоотдачи поверхности нагретой стенки, обдуваемой воздухом вдоль ее длины :

для ламинарного течения

; (5-16)

для турбулентного течения

. (5-17)

Значения и выбирают из табл. 5 -1 для средней температуры воздуха

, (5-18)

где to и tн - соответственно температура холодного и нагретого воздуха.

При принудительном движении охлаждающей среды в канале машины и ламинарном течении Re < 2300, а при турбулентном - Re > 10 000.

Для турбулентного течения

. (5-19)

Коэффициент теплоотдачи для стенки канала [Вт/(град·см2)]

. (5-20)

Расчет коэффициентов теплоотдачи для стенки канала не всегда дает хорошее совпадение с опытными данными, поэтому предпочтительнее определять экспериментально. Определив экспериментально коэффициент теплоотдачи для охлаждаемой поверхности , можно рассчитать по (5 -1) температурный перепад на этой поверхности.

Искомая средняя установившаяся температура обмотки электрической машины

, (5-21)

где , - перепады температур в изоляции и на охлаждаемой поверхности соответственно; - среднее превышение температуры воздуха; t0 - температура окружающей среды.

Метод расчета с помощью тепловых схем замещения. Тепловые процессы в электрических машинах могут быть представлены по аналогии с электрическими цепями тепловых схем замещения. Уравнения (5-2) и (5-4) показывают связи, характерные для каждой части тепловой схемы замещения: перепад температуры равен произведению теплового потока Р на тепловое сопротивление R. Использование тепловых схем замещения позволяет определять среднюю температуру частей электрической машины, принимаемых за однородные тела.

На рис. 5-1,а представлена для примера тепловая схема замещения асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором закрытого обдуваемого исполнения (степень защиты IР44). Кружками на схеме показаны источники теплоты, а прямоугольниками — тепловые сопротивления между источниками теплоты или узлами теплопроводности.

Используя закон теплопроводности Фурье, из уравнений теплового баланса для каждого источника теплоты и каждого узла можно составить число уравнений, равное числу искомых превышений температуры 1-7:

;

;

; (5 -22)

;

;

;

.

Здесь и - потери в обмотке статора соответственно в активной и лобовых частях обмотки; - потери в стали сердечника статора; и - потери в обмотке ротора соответственно в активной и лобовых частях обмотки; - потери механические; - тепловые сопротивления.

В связи со сложностью решения этой системы уравнений с семью неизвестными часто идут на упрощение схемы, неизбежно теряя при этом в точности расчета. Так, тепловую схему замещения, представленную на рис. 5-1,а, можно упростить (рис. 5-1,б), приняв ряд упрощающих допущений. Упрощения производятся за счёт объединения источников теплоты; совмещения узлов теплопроводности и разрыва контуров.

Рис. 5-1. Тепловая (а) и упрощенная тепловая (б) схемы замещения асинхронного короткозамкнутого двигателя закрытого обдуваемого исполнения (степень защиты IР44).

Если имеется возможность пренебречь действием тепловых потоков одних узлов электрической машины на другие, то могут быть составлены тепловые схемы замещения и для отдельных узлов электрических машин. Ниже будут приведены схемы замещения для статора машины переменного тока, фазного ротора, якоря машины постоянного тока, для обмоток возбуждения машины постоянного тока и синхронной, а также для компенсационной обмотки машины постоянного тока.

В статоре машины переменного тока (рис. 5-2,а) потери, возникающие в активной части обмотки статора, передаются сердечнику, преодолевая тепловое сопротивление изоляции проводов, катушек и паза; при этом в изоляции создается перепад температуры . Эти потери, а также потери, возникающие в стали сердечника, передаются охлаждаемой поверхностью сердечника и вентиляционных каналов (при их наличии) воздуху внутри машины, преодолевая при передаче тепловое сопротивление ; при этом создается превышение температуры поверхности активной части статора над температурой воздуха внутри машины . Потери, возникающие в лобовых частях обмотки статора, передаются через изоляцию проводов и катушек, преодолевая тепловое сопротивление изоляции ; при этом в изоляции создается перепад температуры . Затем указанные потери передаются охлаждаемой поверхностью лобовых частей воздуху внутри машины, преодолевая при передаче тепловое сопротивление и создавая при этом превышение температуры поверхности лобовых частей над температурой воздуха внутри машины .

Потери, возникающие внутри машины, передаются через станину и подшипниковые щиты охлаждающему воздуху, преодолевая при этом тепловое сопротивление и создавая превышение температуры воздуха внутри машины над температурой наружного охлаждающего воздуха.

Тепловая схема замещения фазного ротора асинхронного двигателя (рис. 5-2,б) отличается от тепловой схемы замещения статора отсутствием в ней источника потерь в стали сердечника ротора, которыми пренебрегают из-за их незначительной величины при номинальной частоте вращения. Тепловая схема замещения якоря машины постоянного тока (рис. 5-2,в) аналогична тепловой схеме замещения статора машины переменного тока. Тепловая схема замещения обмоток возбуждения синхронных машин и машин постоянного тока приведена на рис. 5-2,г

Рис. 5-2. Тепловые схемы замещения статора машины переменного тока (а), фазного ротора асинхронного двигателя (б), якоря машины постоянного тока (в), обмоток возбуждения синхронной машины и машины постоянного тока (г), компенсационной обмотки машины постоянного тока (д)

Основная часть потерь в обмотке возбуждения синхронной машины и в обмотках возбуждения главных и добавочных полюсов машины постоянного тока передается наружной поверхности катушек, преодолевая тепловое сопротивление изоляции проводов и катушек; при этом в изоляции создается перепад температуры . Затем потери передаются охлаждаемой поверхностью катушек воздуху внутри машины, преодолевая при передаче тепловое сопротивление; при этом создается превышение температуры поверхности катушек над температурой воздуха внутри машины . Далее потеря, преодолевая тепловое сопротивление между воздухом внутри машины и наружным охлаждающим, создают превышение температуры .

Тепловая схема замещения компенсационной обмотки приведена на рис. 5-2,д. Потеря в этой обмотке передаются сердечникам полюсов, преодолевая тепловое сопротивление изоляции проводов, секции и паза; при этом в изоляции создается перепад температуры . Затем основная часть этих потерь передается охлаждаемой поверхностью сердечников воздуху внутри машины, преодолевая при передаче тепловое сопротивление; при этом создается превышение температуры поверхности сердечников полюсов над температурой воздуха внутри машины . Потеря, возникающие в лобовых частях секционной компенсационной обмотки, передаются через изоляцию проводов и секций, преодолевая тепловое сопротивление; при этом в изоляции создается перепад температуры . Затем указанные потери передаются охлаждаемой поверхностью лобовых частей воздуху внутри машины, преодолевая тепловое сопротивление и создавая при этом превышение температуры поверхности лобовых частей над температурой воздуха внутри машины . При стержневой компенсационной обмотке потери в соединительных дугах передаются охлажденной поверхностью дуг непосредственно воздуху внутри машины, преодолевая тепловое сопротивление . Далее потери преодолевают тепловое сопротивление , создавая превышение температуры воздуха внутри машины над температурой охлаждающего воздуха .