Брандина Е.П., Шелудько О.В. Основы теплопередачи в электрических машинах

Подождите немного. Документ загружается.

влиянием вязкости на течение, используют понятие идеальной

жидкости.

В результате изучения основных определений кинематики

жидкости и газа следует знать, что основные уравнения гидромеханики

и газодинамики (уравнения неразрывности и Эйлера) записывают

законы сохранения массы и количества движения в применении к

жидкой частице.

Уравнение Бернулли имеет основополагающее значение для

гидравлических расчетов, поэтому его

усвоению нужно уделить особое

внимание. Нужно знать, чем отличается уравнение Бернулли для потока

реальной жидкости от уравнения для струйки идеальной жидкости. На

использовании уравнения Бернулли основано применение трубки Пито и

расходомера Вентури — наиболее распространенных приборов для

измерения скорости и расхода жидкости и газа.

Для реальной жидкости механическая энергия не остается

постоянной вдоль струйки: она постепенно переводится в теплоту

процессами вязкого трения. Эти потери механической энергий на

участке струйки учитываются потерями напора вдоль длины канала. Эти

потери напора зависят от характера течения жидкости (ламинарного или

турбулентного).

Надо иметь в виду, что кроме потерь напора вдоль длины канала,

возникает и ряд других местных

потерь, обусловленных поворотом,

расширением, сужением, разветвлением канала.

В ЭМ существуют специфические виды потерь напора,

обусловленные как вращением охлаждающих каналов, так и вращением

охлаждающего воздуха, вызванного нагнетательными элементами или

входом потока в камеру по касательной к ее боковой поверхности.

Гидравлическую сеть ЭМ можно представить в виде схемы,

состоящей из последовательно и

параллельно соединенных

гидравлических сопротивлений. Эта схема замещения гидравлической

сети аналогична схеме электрической цепи, где напор соответствует

напряжению, расход − току, а гидравлические сопротивления −

электрическим сопротивлениям.

Вопросы для самопроверки

1. Назовите задачи вентиляционного (гидравлического) расчета ЭМ.

2. В чем состоит принцип неразрывности потока?

3. Запишите вывод уравнения Бернулли для идеальной жидкости.

4. Как

связаны между собой величины напора и расхода охлаждаю -

щего агента?

5. Как рассчитать эквивалентное сопротивление ряда последова -

тельно соединенных гидравлических сопротивлений ?

6. Как рассчитать эквивалентное сопротивление ряда параллельно

соединенных гидравлических соединений ?

7. Как определить гидравлическую характеристику вентиляционной

системы через гидравлические характеристики отдельных участков?

Тема 3. Вентиляторы электрических машин и

вентиляционные расчеты

[1], с. 36...47; [З], с. 175... 212

Различают три типа вентиляторов, встраиваемых в ЭМ: центробежный,

осевой и комбинированный. Наибольшее применение находят

центробежные вентиляторы, так как они создают давление, более всего

соответствующее характеристикам вентиляционных систем ЭМ и

пригодны для реверсивных машин

. Основным недостатком

центробежных вентиляторов является низкий КПД.

Центробежные вентиляторы могут иметь три формы лопаток:

радиальные лопатки и лопатки, отогнутые вперед или назад.

В нормальных электрических машинах применяются, главным

образом, вентиляторы с радиальными лопатками. Необходимо знать

расчет такого вентилятора.

Внешний диаметр вентиляторного колеса выбирается в

соответствии с типом вентиляции и конструкции

машины. При

аксиальной вентиляции его выбирают максимально возможным.

Во встроенных вентиляторах отношение внешнего и внутреннего

диаметров составляет примерно 1,2 ... 1,5.

При вытяжной вентиляции рекомендуется выбирать число

лопаток N

в зависимости от диаметра вентилятора D:

D, мм 200 250 300 350 400

13 17 23 29 31

Вопросы для самопроверки

1. Рассмотрите аэродинамическую характеристику центробежного

вентилятора.

2. Дайте определение энергетического КПД вентилятора и укажите

его величину.

3. Охарактеризуйте последовательность расчета центробежного

вентилятора с радиальными лопатками.

4. Почему номинальный расход вентилятора выбирается вдвое

меньше максимального расхода?

5. Почему число лопаток вентилятора должно быть простым числом?

Тема 4. Основы теории теплообмена электрических машин

[1], с. 47...68; [2], с. 12...56, 80... 112

Теория теплообмена представляет собой учение о процессах

распространения теплоты. В зависимости от вида функционирующего

материального носителя энергии, теплообмен осуществляется одним из

трех способов: теплопроводностью, конвекцией, излучением. Следует

представлять физическую сущность каждого из этих способов.

При изучении темы необходимо усвоить физическую сущность

процесса

теплопередачи, определяемую совместным действием трех

элементарных видов теплообмена. Количественной характеристикой

процесса является коэффициент теплопередачи.

Следует подробно рассмотреть теплопередачу через ребристую

стенку и разобраться в целесообразности оребрения охлаждаемых

поверхностей электрических машин.

При анализе дифференциального уравнения теплопроводности,

характеризующего пространственно-временное изменение температуры

в теле, надо обратить особое внимание на то, что его вывод

базируется

на двух законах: законе сохранения энергии и законе Фурье.

Знание принципиальной сущности и методов теории подобия

необходимо для изучения всех частных случаев конвективного

теплообмена при свободном и вынужденном движении жидкости, а

также при использовании расчетных формул, полученных на основании

опытных данных.

Следует хорошо усвоить метод отыскания числовых

коэффициентов в

уравнениях подобия и в каждом отдельном случае

обращать внимание на выбор определяющих параметров: температуры

и геометрического размера в этих соотношениях. Нужно уметь

пользоваться таблицами и графиками при определении физических

свойств жидкости.

Теплообмен излучением имеет принципиальное отличие от

теплопроводности и конвекции. Следует обратить внимание, что при

излучении в качестве материального носителя

выступает

электромагнитное поле. Излучение всеми телами происходит во всем

диапазоне длин волн, но с различной интенсивностью. Количественно

процесс излучения описывается законами Планка, Вина, Стефана–

Больцмана, Кирхгофа. Потоки лучистой энергии способны вызывать

местные термические напряжения в металлических конструкциях, что

приводит к изменению их геометрии.

При изучении теплообмена в теплообменных аппаратах ЭМ

необходимо

обратить внимание на уравнения теплового баланса и

теплопередачи, которые являются основой теплового расчета

аппаратов.

Надо хорошо разобраться в выводах, относящихся к

определению среднего температурного напора, и овладеть методикой

расчета конечных температур поверхности аппарата. В зависимости от

рода охлаждающей жидкости, в ЭМ применяются теплообменники

различных типов. Основные из них − это воздухо − и газоохладители, в

которых циркулирующий в машине воздух или водород охлаждается

водой. В связи с развитием водяного охлаждения обмоток, все большее

распространение приобретают водо-водяные теплообменники для

охлаждения циркулирующего в каналах обмоток дистиллята или

конденсата. Водяные маслоохладители применяют для охлаждения

масла, циркулирующего в подшипниках.

Вопросы для самопроверки

1. Поясните вывод дифференциального уравнения теплопроводно -

сти.

2. Дайте определение коэффициентов тепло- и температуропровод-

ности, теплопередачи.

3. Сформулируйте закон конвективного теплообмена и факторы,

влияющие на интенсивность процесса.

4. Рассмотрите сущность теории подобия

5. Какие типы теплообменных аппаратов используются в ЭМ ?

Тема 5. Основы теплового расчета электрических машин

[1], с. 68...87; [2], с. 64...80

Электрическая машина — сложный технический объект, и теплота,

выделяющаяся в ее элементах, преодолевает различные тепловые

сопротивления на пути к охлаждающей среде. Тепловые сопротивления

теплопроводности характерны для сплошных (твердых) элементов, в

которых температура непрерывно

изменяется от точки к точке в

направлении теплового потока. Тепловые сопротивления теплоотдачи с

поверхности имеют место при контакте поверхности тела с жидкой или

газообразной средой (хладоагентом). Здесь в тонком пограничном слое

возникает значительный перепад температуры.

В задачи теплового расчета входит определение средней

температуры активных частей машины и максимальных значений

температуры в

зависимости от параметров режима нагрузки, расчет

температурного поля элементов конструкции машины.

Конкретно, в тепловом расчете определяют превышение

температуры сердечника, обмотки якоря и других обмоток машины,

коллектора или контактных колец над температурой входящей в машину

охлаждающей среды.

При изучении темы следует обратить внимание на исходные

данные теплового расчета. Таковыми являются: распределение

потерь

энергии по объему машины, значения физических параметров

(теплоемкость, коэффициент теплопроводности и т.п.) и условия

охлаждения на граничных поверхностях.

Метод эквивалентной замены теплового поля с внутренними

источниками теплоты элементами без внутренних источников был

разработан Р. Зодербергом. Решение одномерного стационарного

уравнения Пуассона заменяется решением одномерного стационарного

уравнения Лапласа при таких преобразованиях линейного размера,

которые приводили бы к искомому

численному результату. Решения

двумерных уравнений на основе одномерных уравнений проводятся по

правилам сложения сопротивлений линейной электрической цепи.

Вопросы для самопроверки

1. Дайте определение термических сопротивлений теплопроводности

и теплоотдачи.

2. Сформулируйте закон старения изоляционных материалов.

3. Объясните закон эквивалентных тепловых схем ЭМ.

4.Сформулируйте последовательность составления тепловых

эквивалентных схем.

Тема 6. Новые направления в

развитии систем охлаждения

электрических машин

[1], с. 88...91

К современным интенсивным и оптимизационным системам

охлаждения относится высокоэффективное непосредственное

охлаждение, применяемое в современных крупных машинах, при

котором жидкость протекает по каналам, выполненным внутри

проводников обмотки.

Перспективным охлаждением является система глубокого

охлаждения (до криогенных температур) токоведущих частей машины,

при котором можно добиться резкого

уменьшения активного

сопротивления обмотки. Для этого используют специальные

проводниковые материалы (сверхпроводники I и II рода).

В настоящее время нашли применение системы жидкостного

охлаждения, в которых жидкость заполняет внутреннюю полость

машины.

В ряде асинхронных двигателях закрытого исполнения

применяется испарительная система охлаждения. В таких машинах

жидкость впрыскивается на активные части машины и здесь же

испаряется

Для охлаждения некоторых типов ЭМ применяют тепловые трубы.

Вопросы для самопроверки

1. Перечислите основные современные интенсивные системы охлаж -

дения электрических машин.

2. Рассмотрите физический механизм теплопереноса в тепловой

трубе при охлаждении ЭМ.

4. ВОПРОСЫ К ТЕОРЕТИЧЕСКОМУ ЗАЧЕТУ

1. Классификация систем охлаждения электрических машин (ЭМ).

Обозначения систем охлаждения согласно ГОСТ.

2. Влияние системы охлаждения на мощность проектируемой ЭМ.

3. Выбор системы охлаждения ЭМ. Связь между конструктивным

исполнением и системой охлаждения ЭМ.

4. Самовентиляция и независимая вентиляция. Область приме-

нения.

5. Аксиальная и радиальная системы вентиляции. Достоинства и

недостатки. Область применения.

6. Нагнетательная и вытяжная вентиляции. Достоинства и недо-

статки. Область применения.

7. Системы охлаждения современных крупных ЭМ.

8. Перспективы дальнейшего развития систем охлаждения ЭМ.

9. Нагревание и охлаждение твердого тела. Постоянная нагрева.

10. Основные номинальные режимы работы ЭМ, их обозначения.

11. Влияние режима работы ЭМ на допустимую температуру

нагрева.

12. Классификация изоляционных материалов по

классу

нагревостойкости.

13. Выбор изоляционного материала по классу нагревостойкости

для проектируемой ЭМ. Допустимые температуры нагрева.

14. Закон старения изоляционных материалов в зависимости от

превышения допустимой температуры (правило десяти градусов). Связь

между тепловым режимом работы ЭМ и сроком службы.

15. Основные виды потерь в ЭМ. Постоянные и переменные

потери.

16. Связь между потерями в

ЭМ и необходимым расходом

хладоагента.

17. Роль теплоемкости хладоагента для системы охлаждения ЭМ.

Сравнение величины теплоемкости различных материалов.

18. Связь напора и расхода хладоагента. Понятие об аэродина-

мическом (гидравлическом) сопротивлении.

19. Вид аэродинамической характеристики ЭМ.

20. Классификация характера течения хладоагента . Критическое

число Рейнольдса.

21. Уравнение Бернулли для идеальной и для реальной жидкости.

22. Потеря напора вдоль длины канала.

23. Виды местных потерь напора . Способы их уменьшения.

24. Аэродинамическое сопротивление последовательно и

параллельно соединенных участков системы вентиляции.

25. Построение эквивалентной гидравлической схемы ЭМ и ее

аналогия с электрической схемой. Величины - аналоги.

26. Графическое построение аэродинамической характеристики

ЭМ.

27.

Типы вентиляторов, их сравнение и применение в ЭМ.

28. Аэродинамическая характеристика вентилятора, определение

рабочей точки.

29. Основные виды теплообмена.

30. Процесс теплопроводности. Закон Фурье. Тепловое сопротивле-

ние теплопроводности. Коэффициент теплопроводности. Сравнение

теплопроводности различных материалов.

31. Процесс теплоотдачи. Закон Ньютона для теплоотдачи.

Тепловое сопротивление теплоотдачи. Коэффициент теплоотдачи.

32. Эквивалентная тепловая схема ЭМ. Аналогия тепловой

схемы с

электрической. Величины - аналоги

33. Приближенные тепловые расчеты ЭМ.

5. 3АДАНИЕ НА КОНТРОЛЬНУЮ РАБОТУ

Задание на контрольную работу включает в себя три задачи,

посвященные тепловому и вентиляционному расчету ЭМ: асинхронного

двигателя (А), синхронной машины (Б), машины постоянного тока (В). Из

этих трех задач: А, Б, В - выполняется только одна задача

по выбору

студента или указанию преподавателя. При этом целесообразно

выбрать тот тип ЭМ, для которой уже был выполнен электромагнитный

расчет при изучении предыдущих дисциплин. Это позволит дополнить

выполненную ранее работу и обеспечит наличие необходимых данных

для расчета задачи, облегчив тем самым ее выполнение, так как целый

ряд параметров будет уже

известен и не потребует выбора или расчета.

Для студентов, которые по каким-либо причинам не могут

воспользоваться ранее выполненными расчетами, необходимые

данные приведены в приложении.

При выполнении задач рекомендуется использовать литературу

[1, 7].

А. Асинхронный двигатель

Произвести тепловой и вентиляционный расчеты асинхронного

двигателя закрытого исполнения IР44, изоляция класса

нагревостойкости F.

Варианты заданий приведены в табл. 1. Там же указан прототип

заданной машины. Предполагается, что необходимые для расчета

параметры известны из ранее выполненных заданий при изучении

предыдущих дисциплин. Если такие данные отсутствуют, то можно

воспользоваться параметрами машины-прототипа, приведенными в

приложении (табл. П1).

Сопротивления обмотки статора г

1 20°

даны при 20°С в виде дроби:

где числитель соответствует напряжению 220/380 В, знаменатель –

380/660 В. Кроме того, следует иметь в виду, что внутренний диаметр

сердечника статора D

можно определить по заданному наружному

диаметру D

из следующих отношений D

0,55 при 2р = 2; 0,65 при 2р = 4; 0,7 при 2р = 6 и 8.

Номер варианта задания (табл.1) определяется двумя последними

цифрами шифра студента. Если число двух последних цифр шифра

находится в пределах 1...50, то напряжение двигателя принимается

220/380 В. Если число двух последних цифр шифра находится в

пределах 51...99, то выполняется расчет двигателя на напряжение

380/660 В. Номер варианта

задания в этом случае определяют

вычитанием 50 из двух последних цифр шифра. Например, при шифре

21587 выполняют вариант задания 37. Если две последние цифры

шифра 00, то номер варианта 50.

Б. Синхронная машина

Произвести тепловой расчет синхронной машины. Выполнение

задачи предполагает предшествующий расчет контрольной работы или

курсового проекта синхронной машины, и таким образом, наличие

студента необходимых исходных данных для теплового расчета.

Задания на контрольную работу содержат 100 вариантов

синхронных машин мощностью от 125 до 800 кВт. В табл. 2 приведены

50 параметров синхронных машин. Если две последние цифры шифра

находятся в пределах 01…50, то выполняется расчет синхронного

генератора. Если две последние цифры шифра находятся в пределах

51…99, то выполняется

расчет синхронного двигателя. В этом случае

номер варианта определяется как разность двух последних цифр

шифра и числа 50. Если две последние цифры шифра 00, то номер

варианта принимается 50.

В табл.2 приведены значения напряжения для синхронных

генераторов. Для двигателей напряжения их следует уменьшить

соответственно до значений 220, 380 и 660 В.

Коэффициент мощности в номинальном режиме соs

= 0,8 для

генератора и cos

= 0,9 для двигателя. В обоих случаях режим

перевозбуждения, соединение обмоток «звезда».

Внутренний диаметр якоря (статора) D

и число пазов z

для вариантов 1... 16: D

= 0,615 м, z

= 72 ;

для вариантов 17... 33: D

= 0,650 м, z

= 90;

для вариантов 34... 36: D

= 0,705 м, z

= 72;

для вариантов 37... 39: D

= 0,728 м, z

= 72;

для вариантов 40... 44: D

= 0,750 м, z

= 90;

для вариантов 45... 50: D

= 0,850 м, z

= 120.

Пазы статора открытые, прямоугольные, класс изоляции — В.

Индекс внизу у числа проводников в пазу указывает число

параллельных (элементарных) проводников n

ЭЛ

. Например, u

П1

ЭЛ

= 2) означает, что в пазу 8 двойных проводников и по ширине паза

укладывается два проводника. Обозначение без индекса (n

ЭЛ

=8)

означает, что параллельных проводников нет и по ширине паза

укладывается один проводник (n

ЭЛ

= 1).

В. Машина постоянного тока

Произвести вентиляционный и тепловой расчеты машины

постоянного тока защищенного исполнения с аксиальной

самовентиляцией, изоляция класса нагревостойкости В, режим работы

продолжительный.

Варианты заданий приведены в табл.3. Там же указан прототип

заданной машины. Вариант задания выбирается по двум последним

цифрам шифра.

Предполагается, что необходимые для расчета параметры

известны из ранее выполненных заданий при изучении предыдущих

дисциплин. Если такие данные отсутствуют, то можно воспользоваться

параметрами машины-прототипа, приведенными в приложении (табл.

П2).

Таблица 1

Исходные данные для расчета асинхронного двигателя (А)

Номер варианта

Номинальная

мощность Р

2Н

кВт

Число пар

полюсов 2р

Коэффициент

полезного

действия

, %

Коэффициент

мощности, cosϕ

Прототип

1 2 3 4 5 6

1 4 2 87,0 0,80 4A100S2

2 5,5 2 87,5 0,90 4A100L2

3 3 4 82,0 0,83 4A100S4

4 4 4 84,0 0,84 4A100L4

5 7,5 2 87,5 0,90 4A112M2

6 5,5 4 85,0 0,85 4A112M4

7 3 6 81,5 0,76 4A112MA6

8 4 6 82,0 0,81 4A112MB6

9 2,2 8 76,5 0,71 4A112MA8

10 3 8 79,0 0,74 4A112MB8

11 11 2 87,5 0,90 4A132M2

12 7,5 4 87,5 0,86 4A132S4

13 11 4 87,5 0,87 4A132M4

14 5,5 6 85,0 0,80 4A132S6

15 7,5 6 85,5 0,82 4A132M6

16 4 8 81,0 0,70 4A132S8

17 5,5 8 82,5 0,74 4A132M8