Тепловая схема электрической машины

9.6. Расчет превышений температуры *

В установившемся режиме вся теплота, выделяющаяся в машине, отводится в атмосферу из-за того, что температура частей машины выше, чем температура окружающего воздуха. Если изолированная медная катушка охлаждается со всех сторон равномерно (рис. 9.15, а), то теплота, выделяющаяся в меди, равномерно отводится в окружающую среду через поверхность катушки S. При этом поверхность катушки имеет превышение температуры над температурой окружающей среды

Рис. 9.15. Сечение медной катушки и направление теплового потока (а) и электрическая схема замещения (б)

а медь имеет превышение температуры над температурой поверхности катушки

* Используются методики А. Е. Алексеева и А. Б. Иоффе.

Превышение температуры меди над температурой окружающей среды

Величина q называется удельным тепловым потоком или плотностью теплового потока. Теплопроводность Л можно представить в виде

где р — толщина изоляции; X — удельная теплопроводность.

Значения удельной теплопроводности приведены в табл. 9.4. Из таблицы видно, что изоляция обладает малой теплопроводностью и поэтому, несмотря на ее малую толщину, перепад температур в ней достаточно велик. Обычно он составляет 1О. 2О°С.

Коэффициент теплоотдачи с поверхности /г_то в спокойном воздухе составляет примерно 15 Вт/(м 2 -град), и может увеличиваться в 3.. 5 раз в зависимости от скорости охлаждающего воздуха (см. рис. 9.3).

В соответствии с этим плотность теплового потока (если перегрев примерно 100°С) допускается примерно 1000 Вт/м 2 при интенсивном охлаждении. Более точные тепловые расчеты производятся в соответствии с приведенной ниже зависимостью X, Вт-см/(м 2 Х Хград), от материала:

Изоляция пазов или катушек, пропитанная лаком . 10

С учетом того, что поверхность имеет различные k_T0 (из-за различного охлаждения), имеются разветвления тепловых потоков на несколько частей и т. п.

Один из наиболее распространенных методов расчета — метод тепловых схем замещения.

Уравнение (9.47) можно представить в виде

где #а=1/(&то5) и /?_р=р/(7,5) — тепловые сопротивления.

Для формулы (9.49) справедлива эквивалентная электрическая схема (рис. 9.15,6), если приравнять тепловое сопротивление электрическому, тепловой поток — току, а превышение температуры т эквивалентно ЭДС.

При наличии вентиляции нагревание катушек статора мало влияет на температуру обмотки якоря и наоборот. Поэтому расчет нагревания полюсов и якоря производится отдельно.

Расчет нагревания катушек главных полюсов. Сначала рассмотрим случай, когда на статоре нет никаких обмоток, кроме обмоток главных полюсов (рис. 9.16). Теплота, выделяющаяся в меди об-

мотки Qcu, отводится от поверхности катушки, омываемой воздухом (поток Qj), и частично передается станине (Q2):

От станины теплота отводится и с внутренней и с внешней поверхностей.

Кроме потерь в меди обмоток имеются поверхностные потери в сердечниках главных полюсов Q_rn, которые отводятся в атмосферу вместе с потоком

Электрическая схема замещения процесса теплоотвода у катушек главных полюсов показана на рис. 9.17, где тепловые сопротивления имеют значения: /?_Pi ===== р/(Я-Si); Si — площадь поверхности катушки, омываемой охлаждающим воздухом; #в2=(У(^>2); ^2 — площадь поверхности катушки, соприкасающейся с сердечником и станиной; Ri = \/(k_TOiS_l); /?₂= 1/(£то2«$з); ^з — площадь внутренней поверхности станины и главных полюсов, охлаждаемой воздухом; /?з= 1/ (^to3«S₄) ; 54 — площадь внешней поверхности станины, охлаждаемой воздухом.

При составлении схемы замещения не учтены перепады температуры в сердечниках полюсов и в станине, так как теплопроводность стали сравнительно высока.

Расчет превышения температуры обмоток главных полюсов имеет невысокую точность из-за того, что коэффициенты теплоотдачи поверхности катушки и станины неопределенные, так как зависят от скорости соприкасающегося воздуха, а эта скорость различна для различных частей статора. Кроме того, конструкция катушки не является, как правило, монолитной. Всякого рода пустоты, недостаточно хорошо заполненные лаком, отставание покровной изоляции на боковых поверхностях и другие причины приводят к появлению воздушных мешков и делают условия расчета неопределенными.

Поэтому значения тепловых сопротивлений должны рассчитываться с учетом результатов, полученных для предшествующих машин сходной конструкции, выполненных по той же технологии.

Рис. 9.16. К расчету нагревания

Рис. 9.17. Полная (а) и упрощенная (б) электрические схемы замещения теплоотво-да катушек главных полюсов

Общие закономерности по введению поправочных коэффициентов рассмотрим на примере конструкций катушек, показанных на рис. 9.18. Поверхности 3 и 4, прилегающие к полюсу, плотно прижаты к нему и поэтому тепловое сопротивление в этих местах невелико. Изоляция поверхности 2 имеет тенденцию к отставанию, что особенно резко сказывается при высоких катушках (рис. 9.18, в). Тепловое сопротивление для поверхности 2 при расчете должно быть увеличено в 2. 3 раза. Теплоотдача через поверхность /

Рис. 9.18. Конструкции катушек главных и добавочных полюсов

сильно зависит от конструкции крепления катушки. При креплении с помощью пружинного фланца (рис. 9.18, а) добавочное тепловое сопротивление почти полностью отсутствует. При креплении катушки с помощью пружинной рамки (рис. 9.18,6) тепловое сопротивление сильно возрастает, так как в этом случае имеются дистанционные прокладки из электрокартона (3. 5 мм толщиной) и небольшой воздушный зазор между катушкой и пружинной рамкой. В связи с этим тепловое сопротивление возрастает в 3. 5 раз. Аналогичное явление происходит и в крупных двигателях с последовательным возбуждением при круглой станине (рис. 9.18, г).

Влияние пульсационных потерь на превышение температуры обмотки обычно невелико из-за их малости; если ими пренебречь, то превышение температуры можно определять по упрощенной схеме замещения (см. рис. 9.17,6):

где р_вит — толщина витковой изоляции; т — число слоев в рассматриваемом направлении.

При наличии на статоре и главных и добавочных полюсов тепловая схема имеет вид, представленный на рис, 9.20. На этой схеме учитывается наличие двух источников тепловых потоков главных и добавочных полюсов Q_rn, Q_an соответственно. Часть этих потоков Q_rni и

Рис. 9.19. Температурное поле ка-тушки

Рис. 9.20. Тепловая схема для катушек главных и добавочных полюсов

Превышения температур обмоток главных и добавочных полюсов тгп и т_Дп находятся из схемы замещения 9.20 после определения тепловых сопротивлений, аналогично тому, как это было показано выше.

Нагревание обмотки якоря. При определении нагревания якоря можно выделить три его части: коллектор, лобовые соединения и часть обмотки, находящуюся в пазах.

Экспериментальные исследования показали, что наиболее сильно нагревается медь, лежащая в пазах якоря, лобовые соединения охлаждаются несколько лучше. Коллектор влияет на нагревание обмотки мало и его наличие при расчете температуры обмотки якоря обычно не учитывают. Значительная часть теплоты из обмотки якоря переходит в сталь якоря и совместно с потерями в стали выводится через внешнюю поверхность стали якоря и вентиляционные каналы. При малых нагрузках возможна и обратная картина: часть потерь в стали переходит в медь и рассеивается обмоткой.

Расчет превышения температуры производится по тепловой схеме замещения якоря (рис. 9.21).

На тепловой схеме якоря Qcu и Qfb — тепловые потоки, равные потерям в меди и стали соответственно;

Скорости v_a и и„ент направлены друг к другу под углом, меньшим 90° и поэтому

Теплота от якоря отводится вентилирующим воздухом, который в машине подогревается и имеет некоторое среднее превышение температуры твент над температурой окружающего воздуха. С учетом подогрева вентилирующего воздуха среднее превышение температуры обмотки якоря над температурой окружающей среды

Значение Твент в зависимости от количества вентилирующего воздуха и суммарных потерь можно определить по рис. 9.22.

Определение максимально нагретой точки обмотки. В обмотках главных и дополнительных полюсов

Рис. 9.22. Зависимость подогрева вентилирующего воздуха от объема воздуха

различие в температуре отдельных частей обмотки невелико и обычно считают, что максимальная температура меди равна средней.

В якоре различие в температуре отдельных частей обмотки более заметно (рис. 9.23), особенно при односторонней осевой вентиляции. В первую очередь нужно учитывать максимальную температуру вентилирующего воздуха:

Так как наиболее нагретая точка обмотки находится обычно в пазовой части, максимальное превышение температуры можно оп-

Рис. 9.23. Диаграммы превышения температуры обмотки и воздуха при односторонней осевой (а) и двусторонней (б) вентиляции

ределить по тепловой схеме рис. 9.24, которая построена в предположении, что не производится отсоса теплоты лобовыми соединениями. В схеме рис. 9.24 Q’cu — полные потери в меди (включая

Экспериментально температура обмоток электрических машин обычно определяется по значению среднего омического сопротивления; температура коллектора измеряется термометром или специальной термопарой.

Источник статьи: http://servomotors.ru/documentation/electromotor/book220/book220p65.html

Тепловые расчеты электрических машин. Поле температуры. Процессы передачи тепла. Дифференциальное уравнение теплопроводности. Понятие тепловых сопротивлений , страница 9

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 ;

2. сердечник статора с потерями ;

3. короткозамкнутый ротор с потерями ;

АлтГТУ 419
АлтГУ 113
АмПГУ 296
АГТУ 267
БИТТУ 794
БГТУ «Военмех» 1191
БГМУ 172
БГТУ 603
БГУ 155
БГУИР 391
БелГУТ 4908
БГЭУ 963
БНТУ 1070
БТЭУ ПК 689
БрГУ 179
ВНТУ 120
ВГУЭС 426
ВлГУ 645
ВМедА 611
ВолгГТУ 235
ВНУ им. Даля 166
ВЗФЭИ 245
ВятГСХА 101
ВятГГУ 139
ВятГУ 559
ГГДСК 171
ГомГМК 501
ГГМУ 1966
ГГТУ им. Сухого 4467
ГГУ им. Скорины 1590
ГМА им. Макарова 299
ДГПУ 159
ДальГАУ 279
ДВГГУ 134
ДВГМУ 408
ДВГТУ 936
ДВГУПС 305
ДВФУ 949
ДонГТУ 498
ДИТМ МНТУ 109
ИвГМА 488
ИГХТУ 131
ИжГТУ 145
КемГППК 171
КемГУ 508
КГМТУ 270
КировАТ 147
КГКСЭП 407
КГТА им. Дегтярева 174
КнАГТУ 2910
КрасГАУ 345
КрасГМУ 629
КГПУ им. Астафьева 133
КГТУ (СФУ) 567
КГТЭИ (СФУ) 112
КПК №2 177
КубГТУ 138
КубГУ 109
КузГПА 182
КузГТУ 789
МГТУ им. Носова 369
МГЭУ им. Сахарова 232
МГЭК 249
МГПУ 165
МАИ 144
МАДИ 151
МГИУ 1179
МГОУ 121
МГСУ 331
МГУ 273
МГУКИ 101
МГУПИ 225
МГУПС (МИИТ) 637
МГУТУ 122
МТУСИ 179
ХАИ 656
ТПУ 455
НИУ МЭИ 640
НМСУ «Горный» 1701
ХПИ 1534
НТУУ «КПИ» 213
НУК им. Макарова 543
НВ 1001
НГАВТ 362
НГАУ 411
НГАСУ 817
НГМУ 665
НГПУ 214
НГТУ 4610
НГУ 1993
НГУЭУ 499
НИИ 201
ОмГТУ 302
ОмГУПС 230
СПбПК №4 115
ПГУПС 2489
ПГПУ им. Короленко 296
ПНТУ им. Кондратюка 120
РАНХиГС 190
РОАТ МИИТ 608
РТА 245
РГГМУ 117
РГПУ им. Герцена 123
РГППУ 142
РГСУ 162
«МАТИ» — РГТУ 121
РГУНиГ 260
РЭУ им. Плеханова 123
РГАТУ им. Соловьёва 219
РязГМУ 125
РГРТУ 666
СамГТУ 131
СПбГАСУ 315
ИНЖЭКОН 328
СПбГИПСР 136
СПбГЛТУ им. Кирова 227
СПбГМТУ 143
СПбГПМУ 146
СПбГПУ 1599
СПбГТИ (ТУ) 293
СПбГТУРП 236
СПбГУ 578
ГУАП 524
СПбГУНиПТ 291
СПбГУПТД 438
СПбГУСЭ 226
СПбГУТ 194
СПГУТД 151
СПбГУЭФ 145
СПбГЭТУ «ЛЭТИ» 379
ПИМаш 247
НИУ ИТМО 531
СГТУ им. Гагарина 114
СахГУ 278
СЗТУ 484
СибАГС 249
СибГАУ 462
СибГИУ 1654
СибГТУ 946
СГУПС 1473
СибГУТИ 2083
СибУПК 377
СФУ 2424
СНАУ 567
СумГУ 768
ТРТУ 149
ТОГУ 551
ТГЭУ 325
ТГУ (Томск) 276
ТГПУ 181
ТулГУ 553
УкрГАЖТ 234
УлГТУ 536
УИПКПРО 123
УрГПУ 195
УГТУ-УПИ 758
УГНТУ 570
УГТУ 134
ХГАЭП 138
ХГАФК 110
ХНАГХ 407
ХНУВД 512
ХНУ им. Каразина 305
ХНУРЭ 325
ХНЭУ 495
ЦПУ 157
ЧитГУ 220
ЮУрГУ 309

Полный список ВУЗов

Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).

Источник статьи: http://vunivere.ru/work21598/page9