Вольдек А.И. Электрические машины

Подождите немного. Документ загружается.

и паузы не настолько длительны, чтобы превышения температуры

отдельных частей электрической машины могли достигнуть уста-

новившихся значений.

Повторно-кратковременный номинальный режим работы харак-

теризуется относительной продолжительностью включения (ПВ),

г. е. отношением продолжительности рабочего периода к продол-

жительности цикла (суммарной продолжительности рабочего пе-

риода и паузы).

ГОСТ 183—66 предусматривает изготовление машин с повторно-

кратковременным режимом работы с продолжительностью вклю-

чения (ПВ) 15, 25, 40 и 60%.

Кроме перечисленных трех основных номинальных режимов

работы, в ГОСТ 183—66 имеются в виду еще четыре дополнительных

номинальных режима работы, при которых нагрузка имеет цикли-

ческий характер.

Большинство электрических машин изготовляется для продол-

жительного режима работы.

Допустимые превышения температуры частей электрических

машин. С целью обеспечения нормальных сроков службы электри-

ческих машин температуры отдельных частей машины, и в осо-

бенности температура изоляций обмоток, должны быть огра-

ничены.

В § В-4 были указаны предельно допустимые температуры

работы О

доп

для различных классов изоляции. Однако рабочая тем-

пература изоляции и отдельных частей машины д зависит не только

от нагрузки машины, но и от температуры окружающей или охлаж-

дающей среды д

. От нагрузки машины зависит только превышение

температуры © отдельных ее частей. Между перечисленными ве-

личинами существует зависимость

д = д

По изложенным причинам ГОСТ 183—66 и стандарты на отдель-

ные типы машин нормируют предельно допустимые превышения

температуры ©

доп

и одновременно фиксируют значение максимально

допустимой температуры окружающей среды = 40° С.

Способы определения превышений температур обмоток не гаран-

тируют получения их максимальных значений, а метод сопротивле-

ния позволяет установить только среднее превышение температуры

обмотки. Поэтому в стандартах в зависимости от способа измере-

ния температуры и конструкции обмотки устанавливаются значе-

ния 0

ДОП

, которые на 5—15° С меньше д

доп

— д

Наиболее надежные результаты дает метод сопротивления и

•стод заложенных термодетекторов. Последние представляют собой

гермомеГры сопротивления или термопары, заложенные между

ьл ушками в пазах и в других частях машины при ее изготовлении.

Термометры сопротивления изготовляются из тонкой медной про-

волоки, и температура определяется по изменению ее сопротивления.

Для указанных методов измерения стандарты устанавливают при

Оо = 40° С в большинстве случаев допустимые превышения темпе-

ратуры: 60° С — для класса изоляции А, 70° С — для класса Е,

80° С — для класса В, 100° С — для класса F, 125° С — для класса

Н. Если температура окружающей среды больше или меньше 40° С,

то стандарты разрешают определенные изменения допустимых пре-

вышений температуры. Допустимые кратковременные перегрузки

электрических машин также нормируются стандартами.

§ 8-4. Нагревание электрических машин при различных

режимах работы

Нагревание при продолжительном режиме работы происходит

по кривой рис. 8-1, а или 8-2. При этом должно быть ©^ < ©

доп

для данного класса изоляции.

При проектировании электрических машин производятся также

тепловые расчеты с целью установления превышений температуры

отдельных частей машины. Тепловой расчет для продолжительного

режима работы является основным! так как он лежит в основе

расчетов превышений температур при кратковременном и повторно-

кратковременном режимах работы.

Тепловые расчеты электрических машин достаточно сложны и

рассматриваются подробнее в курсах проектирования электриче-

ских машин. Здесь укажем только ход расчета для продолжительного

режима работы, когда превышения температуры достигают устано-

вившихся значений.

Величины потерь в определенных частях машины известны из

электрического расчета машины. Из конструктивной схемы уста-

навливаются направления тепловых потоков и количество тепла,

отдаваемое с охлаждаемых поверхностей. Затем определяются ско-

рости воздуха или другой охлаждающей среды у отдельных охла-

ждаемых поверхностей и вычисляются: 1) по формуле (8-1) перепад

температуры в изоляции обмоток ©

из

= ^ — fly, 2) по этой же

формуле (8-1) перепад температуры в сердечнике на участке от

обмотки до охлаждаемой поверхности 0

; 3) по формуле (8-8) пре-

вышение температуры охлаждаемой поверхности над температурой

охлаждающей среды © = ©

п0

. Кроме того, при движении газов

и жидкостей по каналам необходимо учесть средний подогрев самой

охлаждающей среды A©

0Jjl

Превышённе температуры обмотки над температурой поступаю-

щей в машину охлаждающей среды ©об выражается суммой

о6

=е

з+е

+е

+Д0

охл

. (8-23)

Величина ©

о6

не должна превышать допустимого значения по

ГОСТ 183—66 и др.

Скорости охлаждающей среды у тех или иных поверхностей,

а также величины соответствующих коэффициентов теплоотдачи

удается установить лишь приблизительно ввиду сложности аэро-

динамических явлений и картины распределения тепловых потоков

в машине. Поэтому тепловые расчеты дают достаточно точные ре-

зультаты лишь при наличии достаточных экспериментальных дан-

ных.

Нагревание при кратковременном режиме работы. Чтобы опре-

делить превышение температуры различных частей машины ©

кр

при кратковременном режиме работы, сначала находят по способу,

указанному выше, превышение температуры ©«, в случае, если бы

машина работала при заданной мощности продолжительно, а также

устанавливают постоянные времени нагревания Т. Зная продол-

жительность кратковременного режима t

, можно вычислить до-

стигаемые при этом режиме превышения температуры по фор-

муле (8-19):

Значения 0

кр

должны укладываться в установленные пределы.

Очевидно, ©

кр

< ©оо, и так как допустимые превышения тем-

пературы ©

доп

для всех режимов одинаковы, то при кратковремен-

ном режиме можно допустить значения ©оо в

раз больше, чем при продолжительном режиме работы. Во столько

же раз могут быть больше допустимые значения потерь в машине.

Поэтому при данных габаритах машин и расходе материалов мощ-

ности машин с кратковременным режимом работы больше мощно-

стей машин с продолжительным режимом работы.

Нагревание при повторно-кратковременном режиме работы.

Предположим, что машина начинает работу в режиме повторно-

кратковременной нагрузки с холодного состояния. Пусть время

рабочего периода равно t

, а время паузы t

Нагревание машины в первый рабочий период идет по участку

0—1 кривой нагревания I (рис. 8-3), которая может быть начерчена,

если известны постоянная времени нагревания Т

и установившееся

превышение температуры ©<» при работе в продолжительном ре-

жиме с данной мощностью.

(8-24)

Затем наступает пауза, и машина начинает охлаждаться. Охлаж-

дение идет по участку 1'—2' кривой 11 (рис. 8-3). Эта кривая

может бьггь также начерчена, если известны ©оо и постоянная вре-

мени охлаждения Т

окл

. Если условия вентиляции во время паузы

такие же, как и в рабочем периоде, то Г

охл

= Т

. Если же, например,

во время паузы машина стоит и не вентилируется, то Т

а%я

> Т

Охлаждение после первого периода работы идет по такому участку

кривой II, начало которого соответствует значению 0, достигну-

тому в конце этого периода работы. Перенеся участок 1' — 2' кри-

вой II параллельно самому себе в положение 1—2, получим

участок кривой 0—1—2 измене-

ния 0 за время первого цикла

работы.

Во время второго периода

работы нагревание идет па тому

участку кривой I, начало кото-

рого соответствует значению 0,

достигнутому в конце первой

паузы в работе.

Подобным образом можно

построить зубчатую кривую III

нагревания машины при по-

вторно-кратковременном режи-

ме работы. Она состоит из

участков кривых I и II, сме-

щении х параллельно самим

себе на соответствующие интер-

валы времени работы /

и пауз t

, помеченные в нижней

части рис. 8-3.

Спустя некоторое время температурный режим повторно-кратко-

временной работы практически устанавливается и общий подъем

кривой III прекращается. Превышение температуры машины при

этом колеблется в пределах от ©

макс

до 0

МИН

(рис. 8-3). Значение

©макс не должно превышать значения ©

доп

для данного класса изо-

ляции.

Как видно из рис. 8-3, ©

макс

< 0

при продолжительном ре-

жиме работы. В соответствии с этим при повторно-кратковременном

режиме работы при тех же габаритах машины и тех же условиях

вентиляции МОЖНО допустить В ©оо/0

акс Р

аз

большие потери и

соответственно большую мощность. При желании использовать ма-

шину, предназначенную для продолжительного режима работы,

в повторно-кратковременном режиме ее мощность можно увеличить,

если это допустимо по другим условиям работы, например по

коммутации или перегрузочной способности по моменту вра-

щения.

Рис. 8-3. Построение кривой нагрева-

ния при повторно-кратковременном

режиме работы

§ 8-5. Охлаждение электрических машин

Конструктивные формы исполнения электрических машин. Для

предотвращения чрезмерного нагрева электрических машин необ-

ходимо обеспечить надлежащие условия отвода выделяющегося

в машинах тепла. С ростом мощности электрических машин условия

отвода тепла утяжеляются (см. § 4-3), и поэтому в крупных маши-

нах необходимо применять более интенсивные способы охлаждения.

Способы охлаждения в свою очередь зависят от конструктивных

форм исполнения электрических машин, из которых здесь укажем

лишь наиболее типичные.

Открытые электрические машины не имеют специальных при-

способлений для предохранения от случайного прикосновения

к вращающимся и токоведущим частям, а также для предотвращения

попадания внутрь машины посторонних предметов. Такие машины

находят применение только в машинных залах и лабораториях.

Защищенные электрические машины имеют указанные приспособ-

ления и применяются в закрытых помещениях. Брызгозащищенные

машины дополнительно защищены от попадания внутрь машины ка-

пель влаги, падающих под углом до 45° к вертикали. В этих машинах

на все отверстия, расположенные в их верхних частях, устанавли-

ваются глухие крышки и жалюзи, которые могут иметь прорези,

прикрытые козырьками. Машины с таким исполнением весьма рас-

пространены и могут быть использованы также на открытом воздухе.

В закрытых электрических машинах внутреннее пространство

совершенно отделено от внешней среды. Они применяются в пыль-

ных помещениях, а также на открытом воздухе. Дальнейшим раз-

витием закрытых машин являются взрывозащищенные (взрыво-

безопасные) и герметические машины. Первые из них используются

для работы во взрывоопасных шахтах и на химических предприя-

тиях, когда требуется, чтобы искрение или взрыв внутри машины

не приводили к взрыву или воспламенению газов во внешней среде.

Герметические машины выполняются с особо плотным соединением

поверхностей разъема, так что они могут работать даже под водой.

Способы охлаждения электрических машин. По способу охлажде-

ния различаются:

1) машины с естественным охлаждением, в которых нет никаких

специальных приспособлений для охлаждения;

2) машины с внутренней самовентиляцией, охлаждение которых

происходит с помощью вентиляторов или других вентиляционных

устройств, укрепленных на вращающихся частях вентилируемой

машины и осуществляющих вентиляцию внутренних полостей ма-

шины (открытые и защищенные машины);

3) машины с наружной самовентиляцией, в которых путем

самовентиляции охлаждается внешняя поверхность машины, а

внутренние части машины закрыты для доступа внешнего воздуха

(закрытые машины);

Рис. 8-4. Аксиальная система вентиляции машины постоянного

тока

4) машины с независимым охлаждением, в которые охлаждаю-

щая газообразная или жидкая среда подается с помощью отдель-

ного вентилятора, компрессора

или насоса, имеющего собствен-

ный привод.

Особенности разных способов

охлаждения иллюстрируются

ниже на примере машин постоян-

ного тока, но и охлаждение ма-

шин переменного тока осущест-

вляется подобным же образом.

Машины с естественным

охлаждением в настоящее время

строятся лишь на мощности

порядка нескольких десятков

ватт. В некоторых случаях есте-

ственное охлаждение приме-

няется также для закрытых

машин мощностью до несколь-

ких сотен ватт, но в этом

случае для усиления отдачи

тепла поверхность охлаждения

увеличивают путем изготовле-

ния корпуса машины с ребрами.

Машины с внутренней самовентиляцией имеют наибольшее

распространение. При этом различают аксиальную (рис. 8-4) и

Рис. 8-5. Радиальная система венти-

ляции машины постоянного тока

радиальную (рис. 8-5) системы вентиляции. В первом случае пере-

дача тепла воздуху происходит при его движении вдоль охлаждае-

мых поверхностей в аксиальном направлении, а во втором — в ра-

диальном направлении.

В машинах постоянного тока при аксиальной вентиляции поток

воздуха движется между полюсами и вдоль внешней поверхности

якоря, а при D

> 200 мм также по выполняемым в этом случае

аксиальным каналам между якорем и валом или по аксиальным

Рис. 8-6. Машина постоянного тока с наружной самовентиляцией

/ — внутренний вентилятор (мешалка), 2 — наружный вентилятор 3 — ко-

жух вентилятора

вентиляционным каналам в сердечнике якоря. Потоки воздуха омы-

вают также коллектор. Воздух поступает в машину с одного ее

конца и выбрасывается с другого.

Воздух при движении вдоль охлаждаемых частей машины подо-

гревается, и, следовательно, нагрев машины при аксиальной вен-

тиляции будет в аксиальном направлении неравномерным. Поэтому

аксиальная вентиляция применяется обычно при активной длине

машины до 200—250 мм.

При радиальной системе вентиляции сердечник якоря имеет

радиальные каналы (см. § 1-2 и рис. 1-9) с ветреницами. При вра-

щении якоря ветреницы действуют подобно лопастям вентиля-

тора, и поэтому установка на валу особых вентиляторов иногда

оказывается излишней. Воздух при этой системе вентиляции посту-

пает внутрь машины с торцов и выбрасывается по бокам станины

или через отверстия в ней.

Машины с наружной

самовентиляцией

— это машины закрытой

конструкции, у которых на валу установлен наружный вентиля-

тор. обдувающий наружную поверхность станины (рис. 8-6). При

этом для увеличения поверхности охлаждения наружная поверх-

ность станины часто снабжается продольными ребрами. Часто

машина имеет также внутренний вентилятор или вентиляционные

крылышки для создания более интенсивного движения воздуха

внутри машины и усиления теплообмена между внутренними ча-

стями машины и станиной (рис. 8-6).

Машины с независимой вентиляцией. Обычно такие машины

тоже охлаждаются воздухом, который подается в машину с помо-

щью отдельного вентилятора (рис. 8-7). Такую вентиляцию назы-

вают также принудитель-

ной. Иногда вентилятор со

своим приводным двигате-

лем устанавливается на

корпусе вентилируемой ма-

шины.

В рассматриваемом слу-

чае система вентиляции

может быть как аксиаль-

ной, так и радиальной.

Применяется этот способ

вентиляции обычно тогда,

когда скорость вращения

машины регулируется в ши-

роких пределах, так как

в этом случае при само-

вентиляции (с вентилято-

ром на валу машины)

нельзя обеспечить необхо-

димого расхода воздуха при

низкой скорости вращения.

Всасывающая и нагнетательная вентиляция. В схемах рис. 8-4

и 8-7 вентилятор находится в конце вентиляционного тракта ма-

шины и через него проходит воздух, подогретый внутри машины.

Такая вентиляция называется всасывающей. Если венти-

лятор установлен в начале вентиляционного тракта машины, то

через него проходит холодный воздух, при этом воздух нагнетается

в машину, и вентиляция называется нагнетательной.

К. п. д. вентилятора не равен единице, и в вентиляторе проис-

ходит дополнительный нагрев воздуха, который в ряде случаев

может составить заметную величину (3—8 °С). Поэтому при нагне-

тательной вентиляции в машину подается уже несколько подогре-

тый воздух. Условия охлаждения при этом ухудшаются и для до-

стижения такого же эффекта, как и при всасывающей вентиляции,

расход воздуха необходимо увеличить на 15—20%, что вызывает

увеличение вентиляционных потерь на 50—70%. По этим причи-

Рис. 8-7. Машина постоянного тока с неза-

висимой вентиляцией

Гл. 8] Нагревание и охлаждение

169

нам следует предпочитать всасывающую вентиляцию, если она не

вызывает усложнения конструкции машины. Однако всасывающей

вентиляции также присущи некоторые недостатки. Например,

в схеме рис. 8-4 внутрь машины засасывается пыль с кол-

лектора.

Протяжная и замкнутая вентиляция. Как самовентиляция, так

и независимая вентиляция могут быть двух родов: протяжная

и замкнутая.

При протяжной вентиляции охлаждающий воздух поступает

в машину из окружающего внешнего пространства и после прохож-

дения через машину возвращается в атмосферу (рис. 8-4 и 8-7).

Недостаток такой вентиляции заключается в том, что на внутрен-

них поверхностях машины накапливаются пыль и грязь, которые

всегда содержатся в воздухе. Это вызывает ухудшение условий

охлаждения машины и может

быть причиной аварии. Приме-

нение фильтров на входе воз-

духа в машину нерационально,

так как их нужно часто очищать

и они увеличивают сопротивле-

ние движению воздуха. При не-

своевременной очистке фильтра

условия охлаждения резко

ухудшаются. Необходимо иметь

в виду, что через самые

крупные машины каждый час проходит несколько сотен тонн воз-

духа, и поэтому даже при незначительном процентном содержании

пыли ее абсолютное количество довольно-таки велико.

Для машин малой мощности возникающие затруднения ре-

шаются проще. При сильно загрязненной атмосфере можно исполь-

зовать закрытые машины, охлаждаемые с наружной поверхности.

При умеренном содержании пыли в воздухе можно применять

машины защищенной конструкции, продувать их регулярно сжа-

тым воздухом и для периодических чисток разбирать машину один-

два раза в год.

Применительно к крупным машинам эти меры непригодны.

Такие машины невозможно охлаждать с наружной поверхности,

так как эта поверхность возрастает пропорционально квадрату

линейных размеров, а потери в машине — пропорционально кубу

линейных размеров. Разборка и сборка крупной машины, ее чистка

являются весьма трудоемкими и дорогими операциями. Поэтому

крупных машинах переменного тока, а в ряде случаев также

крупных машинах постоянного тока применяется замкнутая сис-

тема вентиляции (рис. 8-8). При такой вентиляции воздух цирку-

лирует по замкнутому циклу; проходит через машину М, воздухо-

Рис. 8-8. Замкнутая система венти-

ляции

охладители О, вентилятор В и снова попадает в машину. Возможно

использование как нагнетательной (рис. 8-8, а), так и всасывающей

вентиляции (рис. 8-8, б).

Водородное охлаждение. Водород является более эффективным

охлаждающим агентом, чем воздух. По сравнению с воздухом у во-

дорода при атмосферном давлении теплопроводность больше в 7,1

раза и средний коэффициент теплоотдачи при одной и той же ско-

рости больше в 1,7 раза, а при одинаковом весовом расходе —

в 11,8 раза. Благодаря этому для достижения такой же эффектив-

ности охлаждения, как и воздухом, требуются меньшие весовые

расходы водорода, а вентиляционные потери, которые в крупных

быстроходных машинах составляют большую часть суммарных по-

терь, снижаются почти в десять раз. При водородном охлаждении

срок службы изоляции увеличивается, так как исключаются окис-

лительные процессы и образование вредных азотистых соединений

при коронных разрядах. Поэтому водород находит широкое рас-

пространение для охлаждения быстроходных машин переменного

тока мощностью 25

ООО

кет и выше.

При водородном охлаждении применяется замкнутая система

вентиляции и во избежание образования взрывчатой смеси давле-

ние в системе поддерживается несколько выше атмосферного

(1,05 атм). В ряде случаев для усиления интенсивности охлажде-

ния давление водорода в системе охлаждения увеличивается до

3—5 атм. При этом необходимо иметь надежные уплотнения, чтобы

не допустить значительной утечки водорода из машины.

Непосредственное, или внутреннее, охлаждение обмоток. Для

электрических машин мощностью 300—500 тыс. кет и больше

замкнутая система вентиляции с водородным охлаждением также

оказывается недостаточной. Поэтому в таких машинах обмотка

изготовляется из полых проводников и применяется внутреннее

охлаждение этих проводников водородом при давлении до несколь-

ких атмосфер или водой. Можно также использовать вместо водо-

рода или воды трансформаторное масло. Однако теплопровод-

ность и коэффициент теплоотдачи воды значительно больше,

чем у трансформаторного масла. Поэтому масло используется

реже.

Так как подвод воды в обмотку вращающегося ротора связан

с определенным усложнением конструкции, то применяется также

смешанное внутреннее охлаждение: обмотки ротора охлаждаются

водородом, а обмотки статора — водой. Водород подается в обмотки

при помощи компрессоров или особых газозаборников, установлен-

ных на вращающемся роторе. Для подачи воды применяются

насосы.

Рассмотренные системы непосредственного охлаждения во всех

случаях выполняются замкнутыми, с циркуляцией одной и той же