Дайте відповіді на ці запитання самостійно

1. Що уявляє собою синхронний компенсатор?

2. Що дає використання синхронних компенсаторів в електричних системах?

3. Які конструктивні особливості синхронних компенсаторів?

4. Пояснити, чому недоцільно компенсувати роботу системи синхронним компенсатором так, щоб її сos j₁ = 1?

5. Зобразити векторну діаграму струмів при ввімкненні паралельно навантаженню компенсатора і пояснити її.

6. Чому спеціальні синхронні двигуни дістали назву синхронних реактивних?

7. Пояснити принцип дії та конструкцію синхронного реактивного двигуна.

8. Як запускаються і де використовуються реактивні синхронні двигуни?

9. Що уявляють собою крокові двигуни, чому вони віднесені до синхронних?

10. Які конструктивні виконання використовуються в синхронних магнітоелектричних двигунах?

11. Пояснити користуючись (рис. 5.40) графіки асинхронних моментів синхронного магнітоелектричного двигуна.

12. Які достоїнства та недопіки синхронних магнітоелектричних двигунів?

13. Які конструктивні виконання використовуються в синхронних генераторах з магнітоелектричним збудженням?

14. Пояснити достоїнства та недопіки синхронних генераторів з магнітоелектричним збудженням.

15. Пояснити конструкцію та використання синхронних генераторів з кігтеподібними полюсами.

ЛЕКЦІЯ 46

РОЗДІЛ 6 НАГРІВАННЯ ТА ОХОЛОДЖЕННЯ ЕЛЕКТРИЧНИХ МАШИН І ТРАНСФОРМАТОРІВ

Робота електричних машин та трансформаторів завжди супроводжується їх нагріванням, що є наслідком втрат, які мають місце при роботі машин. Всі види втрат врешті-решт перетворюються в теплоту, яка частково віддається в навколишнє середовище, а частково іде на нагрівання машини. Важливо, щоб саме ця частина теплоти була якомога меншою, тобто, чим більше теплоти відходить від машини, тим ефективніша і надійніша її робота. З цією метою в сучасних електричних машинах і трансформаторах застосовуються найрізноманітніші системи охолодження.

6.1 НАГРІВАННЯ ЕЛЕКТРИЧНИХ МАШИН

Розглядаючи нагрівання електричних машин умовно вважається, що воно відбувається рівномірно по всьому об’ємі машини, а теплота розсіюється по всій її поверхні. За таких умов рівняння теплового балансу має вигляд:

Q _* dt = c _* G _* dt + l _* S_{п *} t _* dt,(6.1)

де Q – кількість теплоти, що виділяється в машині за одиницю часу, Дж; t – час, с; G – маса машини, кг; с – теплоємкість, Дж/кг; t – перевищення температури машини над температурою навколишнього середовища, ⁰C; S_п – площа поверхні, з якої розсіюється тепло, м²; l – коефіцієнт теплового розсіювання, Дж/(⁰C_*м²)

Кількість теплоти Q _* dt, що виділяється в машині за час dt рівна сумі теплоти, що поглинається частинами машини і витрачається на їх нагрівання c _* G _* dt, та теплоти, що розсіюється з поверхні машини в навколишнє середовище l _* S_{п *} t _* dt.

На початку роботи машини її температура рівна температурі навколишнього середовища, тобто t»0, відповідно l _* S_{п *} t _* dt» 0 і вся теплота, що виділяється в машині іде на нагрівання її частин. Потім кількість теплоти, яка розсіюється, зростає і, нарешті, через деякий час, машина так нагрівається, що вся теплота, яка в ній виділяється, буде розсіюватись в навколишнє середовище. Таким чином наступає усталений режим теплової рівноваги, при якому все тепло, що виділяється в машині, розсіюється з її поверхні назовні.

Q _* dt = l _* S_{п *} t_{уст *} dt, (6.2)

де t_уст – температура усталеного перегріву машини, тобто найбільш можливе перевищення температури машини над температурою навколишнього середовища q₁ за даних умов, ⁰C;

t_уст = q_уст – q₁, (6.3)

де q_уст – температура усталеного нагрівання машини, ⁰C.

Із (6.2.) витікає, що

t_уст = Q /(l _* S_п), (6.4)

тобто температура усталеного перегрівання машини не залежить від маси машини, а пропорційна теплоті, що виділяється в машині за одиницю часу і зворотно пропорційні площі охолодження та коефіцієнту розсіювання.

Залежність температури перегрівання машини від часу має експоненціальний характер:

t = t_{уст *}(1 – е^-t/T), (6.5)

де е = 2,718 – основа натуральних логарифмів; Т – стала нагрівання, що показує час, за який дана машина нагрілась би до q_уст, якби тепло не розсіювалось.

З кривої нагрівання t = f (t), побудованої за рівнянням (6.5), видно, що електрична машина достигає усталеного режиму лише після певного часу (рис. 6.1, а). Провівши дотичну до кривої t = f (t) в її початковій частині, отримаємо відрізок, чисельно рівний постійній нагрівання Т. Якщо машину вимкнути з мережі, то рівняння теплового балансу буде мати вигляд:

0 = c _* G _* dt + l _* S _* t _* dt,

або

– c _* G _* dt = l _* S _* t _* dt, (6.6)

тобто, випромінювання теплоти з поверхні машини буде відбуватись за рахунок накопленого в ній тепла, і тому машина починає охолоджуватись. Зміна температури перегрівання в процесі охолодження машини відбувається згідно з рівнянням

t = t_{уст *} е^-t/T. (6.7)

Крива охолодження t = f (t) подана на (рис. 6.1, б).

Найбільш чутливою до перегрівання є електрична ізоляція обмоток, у якої під дією високих температур відбувається теплове старіння, що погіршує її електричні та механічні властивості.

Електроізоляційні матеріали, які використовують в електричних машинах і трансформаторах, поділяються на п’ять класів, що відрізняються один від одного межею допустимої температури (t): А – 105 (75) ⁰C; Е – 120 (75) ⁰C; В – 130 (75) ⁰C; F – 155 (115) ⁰C; H – 180 (115) ⁰C (в дужках зазначена розрахункова робоча температура). При перевищенні указаної температури строк служби ізоляції різко скорочується. Так, згідно дослідженням німецького електротехніка К. Мондзінгера, перегрівання обмотки на 8 ⁰C скорочує строк служби її ізоляції вдвоє.

Значне перегрівання машини може негативно вплинути і на інші її елементи, наприклад, колектор може втратити циліндричну форму, можуть вийти з ладу підшипники тощо.

Визначення температури нагріву окремих частин машини може проводитись різними методами, наприклад методом опору. Тут при визначенні перевищення температури обмотки проводяться вимірювання опору “холодної” та “нагрітої” обмотки і t_уст = (R₂ – R₁)/(α _* R₁), де R₁ та R₂ – опори до початку та після нагрівання, α = 0,004 1/⁰C – температурний коефіцієнт для міді та алюмінію.

При розрахунках електричних машин і трансформаторів вибираються типові навантаження (густина струму, магнітна індукція) такими, щоб перевищення температури частин всієї машини чи трансформатора були досить близькими до розрахункових робочих, визначених класом нагрівостійкості.

З нагріванням тісно пов’язані і основні номінальні режими роботи електричних машин.

Тривалий номінальний режим (умовне позначенняS1) – це такий режим роботи при незмінному номінальному навантаженні (рис. 6.2, а), який триває такий час, за який перевищення температури всіх частин машини, при незмінній температурі навколишнього середовища, досягає установленого значення t_уст.

Короткочасний номінальний режим (S2) – це режим при якому періоди незмінного номінального навантаження t_н чергуються з періодами відмикання машини від мережі; при цьому в період навантаження машина не встигає нагрітися до установленого значення t_уст, а за період паузи устигає охолонути до температури навколишнього середовища (рис. 6.2, б).

Повторно-короткочасний режим (S3) – це режим роботи, при якому періоди короткочасної роботи з номінальним навантаженням t_н чергуються з періодами вимикання машини t_п; при цьому періоди навантаження короткочасні і машина не встигає нагрітися до t_уст, періоди пауз також короткі, і машина не встигає охолонути до температури навколишнього середовища. При цьому загальний час роботи розбивається на цикли t_ц = t_н + t_п.

Повторно-короткочасний режим характеризується відносною тривалістю ввімкнення у відсотках

(ТВ):

ТВ = (t_н/t_ц)_*100. (6.8)

Передбачаються номінальні повторно-короткочасні режими з ТВ, що складають 15; 25; 60 %. Для тривалого режиму, відповідно, ТВ = 100 %.

6.2 ОХОЛОДЖЕННЯ ЕЛЕКТРИЧНИХ МАШИН І ТРАНСФОРМАТОРІВ

За способом охолодження електричні машини поділяють на машини з природним охолодженням та машини зі штучним охолодженням.

Машини з природним охолодженням. Ці машини не мають вентиляторів чи яких-небудь пристроїв, що покращують охолодження машини. Охолодження в них відбувається природним шляхом за рахунок теплопровідності та конвекції.

Теплопровідність – це здатність передавати тепло в середині нагрітого тіла. Передача теплоти теплопровідністю відбувається від більш нагрітих шарів тіла до менш нагрітих.

Конвекція полягає в тому, що частинки газу (повітря), дотикаючись до нагрітих частин тіла (обмотки машини, корпус), нагріваються, стають легшими і піднімаються догори, а їх місце займають менш нагріті частинки. Така конвекція називається природною. В машині, що обертається, має місце і штучна конвекція, зумовлена вимушеною циркуляцією газу (повітря), що створюється деталями, які обертаються, при цьому ефект конвекції підсилюється. Таке охолодження застосовують у потужних відкритих машинах, або в закритих машинах малої потужності.

Машини зі штучним охолодженням. Такі машини мають спеціальний пристрій, як правило, вентилятор, що створює рух газу в машині, який охолоджує нагріті частини машини. Більшість машин зі штучним охолодженням мають самовентиляцію, коли вентилятор закріплений на валу машини і створює аеродинамічний напір, яким охолоджувальне повітря “перекачується” через машину. Самовентиляція буває зовнішня і внутрішня.

При зовнішній самовентиляції вентилятором обдувається зовнішня поверхня машини, а сам вентилятор закривається спеціальним кожухом.

При внутрішній самовентиляції в конструктивних елементах машини виготовляються спеціальні канали, через які вентилятором, розташованим всередині машини, “перекачується” повітря (рис. 6.3). Нагріте повітря витісняється з машини через спеціальні отвори, що зроблені в підшипникових щитах.

Крупні електричні машини мають замкнену систему вентиляції з використанням водню (водневе охолодження) в якості охолоджувального газу. Таке охолодження, не дивлячись на складність конструкції та експлуатації, має низку переваг:

– технічний водень більш ніж у десять разів легший від повітря, а це знижує втрати на вентиляцію, а отже, підвищує ККД машини;

– підвищена теплопровідність водню, що в (6 – 7) разів більша, ніж у повітря, дозволяє більш інтенсивно охолоджувати машину, що дає змогу знизити габарити машини, у порівнянні з повітряним охолодженням, приблизно на (20-25) %;

– водневе охолодження знижує небезпеку виникнення пожежі в машині, тому що водень не підтримує горіння;

– водневе охолодження подовжує строк служби ізоляції, тому що відсутність азоту в машині не дозволяє виникненню з’єднань, що роз’їдають органічні компоненти ізоляційних матеріалів.

Відсутність у трансформаторів частин, що обертаються, суттєво погіршує їх охолодження, у порівнянні з машинами. Найбільше поширення тут отримали такі способи охолодження:

– природне повітряне охолодження, коли всі частини, що нагріваються, безпосередньо омиваються навколишнім повітрям, і охолодження відбувається за рахунок випромінювання теплоти та

природної конвекції повітря;

– природне масляне охолодження, при якому активна частина трансформатора поміщується в бак, наповнений трансформаторним маслом, що шляхом конвекції передає тепло стінкам бака (трубам навісних радіаторів), а останні передають цю теплоту в навколишнє середовище;

– масляне охолодження з дуттям, коли трансформатори обладнуються радіаторами, що обдуваються вентиляторами і такий вид охолодження дозволяє підвищити одиничну потужність трансформатора на (40 – 50) %, застосовується у трансформаторах потужністю більше 10000 кВ_*А;

– масляне охолодження з дуттям і вимушеною циркуляцією масла (рис. 6.4) дозволяє поліпшити охолодження, в порівнянні з попереднім способом, за рахунок установки насоса 1, яким створюється вимушена циркуляція масла в радіаторах 2, що обдуваються вентиляторами 3;

– масляно-водяне охолодження, найбільш ефективне, тому що масло перекачується насосом у охолоджувач, що омивається водою, а коефіцієнт теплопередачі до води значно вищий, ніж в повітря.

Застосування вище наведених способів охолодження дозволили створити трансформатори зі значними одиничними потужностями. Так у ВАТ “Запоріжтрансформатор” створені і виготовляються силові трансформатори потужністю понад один мільйон кВ_*А.

ЦЕ НЕОБХІДНО ЗАПАМ’ЯТАТИ:

– причиною нагрівання електричних машин є теплота, що виділяється внаслідок втрат енергії при роботі машини;

– основні режими роботи машини (тривалий, короткочасний та повторно-короткочасний) тісно пов’язані з її нагріванням;

– в сучасних електричних машинах і трансформаторах використовується природне та штучне охолодження, а крупні машини можуть мати водневу систему охолодження;

---

Дата добавления: 2015-07-14