Охлаждение электрических машин

Конструктивные формы исполнения электрических машин. Для

предотвращения чрезмерного нагрева электрических машин необходимо обеспечить надлежащие условия отвода выделяющегося в машинах тепла. С ростом мощности электрических машин условия отвода тепла утяжеляются (см. § 4-3), и поэтому в крупных машинах 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 приспособлений 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 приспособления и применяются в закрытых помещениях. Брызгозащищенные машины дополнительно защищены от попадания внутрь машины капель влаги, падающих под углом до 45° к вертикали. В этих машинах на все отверстия, расположенные в их верхних частях, устанавливаются глухие крышки и жалюзи, которые могут иметь прорези, прикрытые козырьками. Машины с таким исполнением весьма распространены и могут быть использованы также на открытом воздухе.

В закрытых электрических машинах внутреннее пространство совершенно отделено от внешней среды. Они применяются в пыльных помещениях, а также на открытом воздухе. Дальнейшим развитием закрытых машин являются взрывозащищенные (взрыво-безопасные) и герметические машины. Первые из них используются для работы во взрывоопасных шахтах и на химических предприятиях, когда требуется, чтобы искрение или взрыв внутри машины не приводили к взрыву или воспламенению газов во внешней среде. Герметические машины выполняются с особе плотным соединением поверхностей разъема, так чте вни могут работать даже под водой.

Способы охлаждения электрических машин. По способу охлаждения 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 машины (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 охлаждающая газообразная или жидкая среда подается с помощью отдельного вентилятора, компрессора или насоса, имеющего собственный привод.

Особенности разных способов охлаждения иллюстрируются ниже на примере машин постоян- л [ j г///?/////*, |=Ш J-i ного тока, но и охлаждение ма-

I _ \~ \ Е5Е J ^{шин пе}Р^{еменного тока} осущест-

И I I ЧбьщяА l=iCL Г вляется подобным же образом.

Машины с естественным охлаждением, в настоящее время строятся лишь на мощности порядка нескольких десятков ватт. В некоторых случаях естественное охлаждение применяется также для закрытых машин мощностью до нескольких сотен ватт, но в этом случае для усиления отдачи тепла поверхность охлаждения увеличивают путем изготовления корпуса машины с ребрами.

Машины с внутренней самовентиляцией имеют наибольшее распространение. При этом различают аксиальную (рис, 8-4) и

Рис. 8-5. Радиальная система вентиляции машины постоянного тока

радиальную (рис. 8-5) системы вентиляции. В первом случае передача тепла воздуху происходит при его движении вдоль охлаждаемых поверхностей в аксиальном направлении, а во втором — в радиальном направлении.

В машинах постоянного тока при аксиальной вентиляции поток воздуха движется между полюсами и вдоль внешней поверхности якоря, а при D_a > 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 — кожух вентилятора

вентиляционным каналам в сердечнике якоря. Потоки воздуха омывают также коллектор. Воздух поступает в машину с одного ее конца и выбрасывается с другого.

Воздух при движении вдоль охлаждаемых частей машины подогревается, и, следовательно, нагрев машины при аксиальной вентиляции 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 вращении якоря ветреницы действуют подобно лопастям вентилятора, и поэтому установка на валу особых вентиляторов иногда оказывается излишней. Воздух при этой системе вентиляции поступает 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 вентилятор, обдувающий наружную поверхность станины (рис. 8-6). При

этом для увеличения поверхности охлаждения наружная поверхность 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 частями машины и станиной (рис. 8-6).

Машины с независимой вентиляцией. Обычно такие машины тоже охлаждаются воздухом, который подается в машину с помощью отдельного вентилятора (рис. 8-7). Такую вентиляцию называют также принудительной. Иногда вентилятор со своим приводным двигателем устанавливается на корпусе вентилируемой машины.

В рассматриваемом случае система вентиляции может быть как аксиальной, так и радиальной. Применяется этот способ вентиляции обычно тогда, когда скорость вращения машины регулируется в широких пределах, так как в этом случае при самовентиляции (с вентилятором на валу машины) нельзя обеспечить необходимого расхода воздуха при низкой скорости вращения. Всасывающая и нагнетательная вентиляция. В схемах рис. 8-4 и 8-7 вентилятор находится в конце вентиляционного тракта машины и через него проходит воздух, подогретый внутри машины. Такая вентиляция называется всасывающей. Если вентилятор 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 происходит дополнительный нагрев воздуха, который в ряде случаев может составить заметную величину (3—8 °С). Поэтому при нагнетательной вентиляции в машину подается уже несколько подогретый воздух. Условия охлаждения при этом ухудшаются и для достижения 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 независимой вентиляцией

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 коллектора.

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 прохождения через машину возвращается в атмосферу (рис. 8-4 и 8-7). Недостаток такой вентиляции заключается в том, что на внутренних поверхностях машины накапливаются пыль и грязь, которые всегда содержатся в воздухе. Это вызывает ухудшение условий охлаждения машины и может быть причиной аварии. Применение фильтров на входе воздуха в машину нерационально, так как их нужно часто очищать и они увеличивают сопротивление движению воздуха. При несвоевременной очистке фильтра условия охлаждения резко ухудшаются. Необходимо иметь в виду, что через самые крупные машины каждый час проходит несколько сотен тонн воздуха, и поэтому даже при незначительном процентном содержании пыли ее абсолютное количество довольно-таки велико.

Для машин малой мощности возникающие затруднения решаются проще. При сильно загрязненной атмосфере можно использовать закрытые машины, охлаждаемые с наружной поверхности. При умеренном содержании пыли в воздухе можно применять машины защищенной конструкции, продувать их регулярно сжатым 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 ^в крупных машинах переменного тока, а в ряде случаев также ^в крупных машинах постоянного тока применяется замкнутая система вентиляции (рис. 8-8). При такой вентиляции воздух циркулирует по замкнутому циклу; проходит через машину М, воздухо-

Рис. 8-8. Замкнутая система вентиляции

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 водорода при атмосферном давлении теплопроводность больше в 7,1 раза и средний коэффициент теплоотдачи при одной и той же скорости больше в 1,7 раза, а при одинаковом весовом расходе — в 11,8 раза. Благодаря этому для достижения такой же эффективности охлаждения, как и воздухом, требуются меньшие весовые расходы водорода, а вентиляционные потери, которые в крупных быстроходных машинах составляют большую часть суммарных потерь, снижаются почти в десять раз. При водородном охлаждении срок службы изоляции увеличивается, так как исключаются окислительные процессы и образование вредных азотистых соединений при коронных разрядах. Поэтому водород находит широкое распространение для охлаждения быстроходных машин переменного тока мощностью 25 000 кет и выше.

При водородном охлаждении применяется замкнутая система вентиляции и во избежание образования взрывчатой смеси давление в системе поддерживается несколько выше атмосферного (1,05 атм). В ряде случаев для усиления интенсивности охлаждения 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 нескольких атмосфер или водой. Можно также использовать вместо водорода или воды трансформаторное масло. Однако теплопроводность 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, установленных на вращающемся роторе. Для подачи воды применяются насосы.

Рассмотренные системы непосредственного охлаждения во всех случаях выполняются замкнутыми, с циркуляцией одной и той же

массы охлаждающего агента и с охлаждением его в предназначенных для этой цели охладителях.

При непосредственном охлаждении обмоток перепады температуры в изоляции исключаются и можно резко увеличить плотность тока.

При водяном охлаждении мощность машины ограничивается в основном уже не условиями нагрева, а другими техническими и экономическими показателями.

Расход охлаждающей среды (ж³), необходимый для отвода тепла из машины, равен

где р — отводимые потери, вт; с — удельная объемная теплоемкость охлаждающей среды, дж1(град-м³); в_в = Ф_г — #_х — превышение температуры выходящей из машины нагретой охлаждающей среды ■&,. над температурой поступающей в машину охлаждающей среды #_х, ° С.

Для воздуха с = 1100 джЦград-м³). Величина в_в в зависимости от системы вентиляции, конструкции машины и ее мощности изменяется в пределах 12—30° С. Таким образом, на 1 кет потерь необходимое количество воздуха

или ПО -н 270 м^ъ1ч.

Для водорода при атмосферном давлении также с — = 1100 джЦград -м³), и поэтому объемный расход водорода такой же, как и в случае воздушного охлаждения. Удельная объемная теплоемкость водорода изменяется пропорционально давлению, и поэтому при повышенном давлении водорода его объемный расход соответственно уменьшается. Однако весовой расход водорода не зависит от давления и будет в 14,4 раза меньше весового расхода воздуха.

Для воды с = 3500-1100 дж/(град -ж³), а для трансформаторного масла с = 1400-1100 дж/(град -м³). Соответственно при прочих равных условиях объемный расход воды в 3500 раз меньше, чем воз-Духа. Это позволяет уменьшить скорости течения воды и сечения каналов.

Более подробно способы охлаждения электрических машин и вопросы их расчета рассматриваются в курсах проектирования ^и конструкции электрических машин [17—23].

Дата добавления: 2015-07-18