Основы аэродинамических и тепловых расчетов в электромеханике (стр. 17 )

4 – содержит соотношения для расчета коэффициентов теплоотдачи с различных поверхностей электрических машин, широко используемые в тепловых расчетах.

4.4. Задачи теплового расчета.

Работа электрической машины сопровождается потерями электрической энергии, вследствие чего происходит нагрев частей электрической машины, конструкция которой в общем случае представляет собой анизотропную комбинацию проводниковых, магнитных и конструкционных материалов. Нагрев частей электрической машины определяется режимом её работы – длительным, кратковременным, повторно – кратковременным. При длительном режиме работы электрическая машина нагревается до установившейся температуры, при кратковременном – за период работы до какой – то определенной температуры, а после остановки охлаждается до начальной температуры. В повторно – кратковременных режимах температура электрической машины колеблется в пределах, определяемых максимальным и минимальным значениями температуры. В соответствии с режимами работы различают установившийся и неустановившийся тепловой режим электрической машины.

Наибольшее влияние нагрева электрической машины сказывается на её изоляции, которая и определяет срок службы машины. Предельные значения абсолютных температур и перегревов активных частей электрических машин устанавливаются ГОСТ 183 – 74.

Специфика нагрева электрической машины заключается в том, что существенное значение на срок службы изоляции оказывает на только абсолютное значение температуры, но и разность температур между отдельными частями и охлаждающей средой.

Наиболее полно изучено тепловое воздействие на изоляцию, определяемое температурой. Под влиянием нагрева меняются физические свойства изоляции, она «стареет», в результате чего происходит тепловой или электрический пробой. Влияние абсолютной температуры изучено довольно хорошо и для каждого класса изоляции установлена предельная рабочая температура, превышение которой приводит к сокращению нормированного срока службы изоляции, а следовательно, и электрической машины. Старение изоляционных материалов, применяемых в электромашиностроении, описывается степенным (экспоненциальным) законом старения, установленным экспериментальным путем, в соответствии с которым повышение температуры на определенное число градусов сокращает срок службы в 2 раза по отношению к сроку службы при допустимой температуре ()

,

где: - срок службы машины при температуре ;

- срок службы машины при температуре ;

- постоянное превышение температуры, при котором срок службы сокращается в 2 раза.

Для изоляционных материалов класса А обычно принимают , для классов B, F, H - .

Сложнее вопрос с оценкой влияния разности температур между изоляцией и охлаждающей средой, так как перепад температуры по толщине изоляции между обмотки и сталью сердечника определяет перемещение обмотки в пазу за счет разных значений температур и коэффициентов линейного расширения меди и стали. Это явление получило название: миграция обмоток. За счет миграции обмоток в осевом направлении изоляция подвергается механическому воздействию, что вызывает её разрушение. Миграция обмоток тем больше разрушает изоляцию, чем чаще она проявляется в процессе эксплуатации электрической машины. По этой причине ГОСТ 183-74 и ГОСТы на отдельные виды электрических машин оговаривают допустимое превышение температуры обмоток электрических машин, допустимое число сбросов и набросов нагрузки (особенно для крупных машин с большой длиной сердечника), число пусков и т. д.. Этим же обстоятельством обуславливается целесообразность эксплуатации электрической машины при стабильной температуре.

Таким образом, задачами теплового расчета электрической машины являются:

-  определение максимального (пикового) значения температуры (перегрева) в наиболее нагретой точке;

-  расчет средних значений температур (перегревов) активных частей;

-  расчет распределения температур (температурное поле).

Исходными данными являются: распределение потерь энергии по объему машины, геометрические размеры, значения физических величин (в первую очередь – теплопроводность и теплоёмкость материалов) и условия теплообмена на граничных поверхностях. Точность расчета в наибольшей степени определяется достоверностью задания распределения потерь и условий теплообмена на границах сред.

4.5. Тепловой расчет электрических машин.

В соответствии с разнообразием условий теплоотвода для электрических машин используются различные методы, краткая характеристика основных из них приводится ниже [3, 4, 5].

Метод расчета поля температуры базируется на непосредственном решении дифференциального уравнения теплопроводности. Однако, при применении этого метода следует учитывать следующие обстоятельства:

-  решения дифференциального уравнения являются громоздкими и очень сложными, что затрудняет их анализ;

-  эти решения в сильной степени схематизируют реальный процесс теплообмена, что позволяет считать их вполне точными лишь в самых редких случаях.

Метод эквивалентных тепловых схем основан на использовании понятий тепловых сопротивлений, соединяемых в схему, соответствующую реальной картине передачи тепла. Разработка принципов составления эквивалентных тепловых схем замещения базируется на эквивалентной замене элементов с внутренними источниками тепла на элементы без источников тепла и сводится к двум основным положениям:

-  замене решения уравнения Пуассона для одномерного стационарного поля решением уравнения Лапласа с эквивалентным преобразованием размеров элемента, обеспечивающим одинаковость результатов;

-  получение двухмерных (и трехмерных) решений на базе одномерных по правилам сложения сопротивлений линейной электрической цепи.

Недостатком этого метода следует считать то, что он позволяет определить среднее значение температуры отдельных частей электрической машины, но не дает полную картину распределения температурного поля.

Тем не менее, метод эквивалентных тепловых схем является основой теплового расчета электрических машин всех типов в виду его простоты и обеспечения достаточной степени точности расчетов.

Метод расчета неустановившихся тепловых режимов базируется на положениях классической теории нестационарного нагрева, рассматривающих электрическую машину или её отдельные элементы как однородные тела с бесконечной теплопроводностью и отдающие тепло в окружающее пространство, характеризуемое бесконечной теплоемкостью.

Этот метод позволяет рассчитать с достаточной точностью тепловое состояние электрической машины для многих неустановившихся тепловых процессов (например, повторно-кратковременный режим, режим пуска и т. д.).

4.5.1. Принципы составления эквивалентных тепловых схем замещения. Расчет установившегося теплового режима.

Эквивалентные тепловые схемы замещения используются для расчета нагрева (перегрева) частей электрической машины в установившемся тепловом режиме. В основу синтеза тепловых схем положено решение дифференциального уравнения теплопроводности для одномерного поля.

где: - разность температур в теле между точками 1 и 2;

- тепловой поток (потери), передаваемый в направлении от точки 1 к точке 2;

- тепловое сопротивление на пути передачи тепла.

Приведенное уравнение аналогично закону Ома для электрической цепи, вследствие чего в эквивалентных тепловых схемах справедливы все законы, используемые при решении задач электротехники.

При построении эквивалентных тепловых схем замещения электрическая машина разбивается на отдельные элементы, включающие источники тепловыделения, устанавливаются их связи и направления тепловых потоков. Принципы составления эквивалентных тепловых схем замещения рассмотрены на примере асинхронного электродвигателя и синхронной машины с различными системами охлаждения.

Независимо от типа электрической машины и системы охлаждения при составлении схемы приняты допущения:

-  электрическая машина разбивается на условно-однородные части, условия передачи тепла в которых являются практически одинаковыми;

-  распределенные потери в активных объемах заменяются сосредоточенными и расположенными в центре объема.

При составлении эквивалентной тепловой схемы конкретной электрической машины могут применяться и другие допущения.

4.5.1.1 Эквивалентная тепловая схема замещения асинхронного электродвигателя закрытого исполнения с внешним обдувом (электродвигатели типа А4, АИ, исполнение IР – 44).

Для данного типа электрических машин дополнительными допущениями являются:

-  передачей тепла в сердечнике вдоль оси пренебрегают ввиду отсутствия радиальных каналов;

-  не учитывается передача тепла через вал в виду незначительности теплового потока.

С учетом принятых допущений электродвигатель разбит на 7 условно-однородных частей:

1.  пазовая часть обмотки статора с потерями ;