Стартовая >> Оборудование >> Эл. машины >> Нагрев и охлаждение электродвигателей взрывонепроницаемого исполнения

Применение метода схем замещения для теплового расчета - Нагрев и охлаждение электродвигателей взрывонепроницаемого исполнения

Оглавление
Нагрев и охлаждение электродвигателей взрывонепроницаемого исполнения
Исследование, сопоставление и выбор систем охлаждения
Исследования и экспериментальные сопоставления теплового состояния
Исследования теплового состояния с воздушно-воздушным трубчатым холодильником
Исследования теплового состояния с водяным косвенным охлаждением
Рекомендации по определению основных размеров вновь проектируемых электродвигателей
Вентиляционные исследования и расчеты
Результаы исследования и расчеты вентиляторов
Исследования и расчет центробежных реверсивных вентиляторов наружного обдува оребренных электродвигателей
Исследование осевых вентиляторов
Исследование вентиляторов с меридионально-ускоренным потоком
Рекомендации по выбору и расчету вентиляторов различных типов
Сравнение теплоотдающих способностей оребренных охладителей
Исследование турбулентности охлаждающего потока в межреберных каналах статора
Исследование и расчет вентиляторов электродвигателей трубчатой конструкции
Методы тепловых расчетов
Применение метода схем замещения для теплового расчета
Моделирование тепловых полей электрических машин
Исследование теплопередачи и выбор оптимальных параметров оребрения корпусов
Исследование и расчет температурных полей на поверхности обдуваемых корпусов
Исследование и расчет теплового сопротивления воздушного зазора между корпусом и пакетом статора
Косвенный метод исследования тепловых сопротивлений электрической машины
Тепловые исследования и расчеты электрических машин
Датчики для измерения коэффициентов теплоотдачи с теплообменных поверхностей
Схемы включения датчиков теплоотдачи
Исследование работы датчиков теплоотдачи
Измерение давлений охлаждающих воздушных потоков в электродвигателях
Измерение скоростей теплоносителей
Испытания вентиляторов электрических машин

Метод тепловых схем замещения основан на представлении машины в виде системы однородных тел, связи между которыми определяются соответствующими процессами теплообмена [Л. 59]. По этому методу машина расчленяется на тела простой геометрической формы, в пределах размеров которых условия охлаждения остаются примерно постоянными. Следовательно, точность описания теплового поля машины возрастает с увеличением числа тел, на которые расчленяется машина. С другой стороны, это приводит к усложнению тепловых схем и увеличению количества уравнений, описывающих их.
Развитие вычислительной техники в наши дни позволяет составлять тепловые схемы замещения электрических машин с учетом всех существенных факторов, влияющих на их тепловое состояние. Тепловые схемы замещения электрических машин составляются следующим образом. Машина и наличный в ней охлаждающий воздух делятся на определенное количество тел; в центре (плоскости симметрии) каждого тела устанавливается узел и с ним соединяются сопротивления теплообмена с другими телами и воздухом; в узлы вводятся греющие потери, возникающие в данной части электрической машины. Простейшая тепловая схема замещения электрической машины, составленная без учета охлаждающего агента и изменения греющих потерь при изменении температуры обмотки, описывается системой однородных алгебраических уравнений с симметричной диагональной матрицей.
При этом уравнения системы удовлетворяют следующим условиям:

Тепловая схема, составленная с учетом изменения греющих потерь в обмотках при изменении их температуры, описывается системой линейных алгебраических уравнений с недиагональной матрицей, у которых главные коэффициенты меньше суммы побочных, т. е.

При дополнительном учете подогрева охлаждающего агента тепловая схема замещения описывается системой алгебраических уравнений с несимметричной недиагональной матрицей, т. е.

Покажем это, рассмотрев корпус электрической машины (на примере асинхронного обдуваемого электродвигателя) и подогрев проходящего воздуха в трех точках над корпусом.
Аппроксимируем подогрев воздуха в межреберном канале вдоль длины машины ломаной линией на рис. 3-1. Это позволяет упростить математическое описание процесса и использовать элементы направленного действия — катодные повторители — при решении задач на сеточных моделях — аналогах.

Рис. 3-1. Схема подогрева воздуха в межреберном канале закрытого электродвигателя.

Составим для этого случая уравнения теплового баланса.

(3-3)

Ввиду того что воздушный поток перемещается от точки 1 (t1) к точке 3, а также в связи с малой его теплопроводностью можем считать

Тогда a21= a32=a10=aB3=QC, а обратные проводимости равны нулю.
Рассмотрим применение данного метода для теплового расчета машин взрывонепроницаемого исполнения.
При этом ввиду большой сложности процессов теплопередачи в машинах и для упрощения решения тепловой схемы замещения принимаем ряд допущений, дающих незначительную погрешность:
а)        в поперечном сечении электродвигателя отсутствует перетекание тепла, что позволяет рассматривать плоскую задачу в продольном сечении машины;
б)        в поперечном сечении обмотки превышения температуры отдельных проводников равны среднему превышению температуры в данном сечении;
в)        коэффициенты теплопроводности материалов я воздуха считаем постоянными, в расчетах их значения принимаем средними для диапазона рабочих температур электродвигателей;
г)         в машинах с воздушным охлаждением пренебрегаем теплопередачей через вал или учитываем косвенно увеличением теплоотдачи с боковых поверхностей пакетов или короткозамыкающих колец ротора.

Тепловой расчет создаваемой машины сводится к расчету температурного поля (средних температур) всех узлов машины и определению в случае необходимости (для среды групп T4 и Т5 взрывоопасности) максимальных температур обмоток и корпуса; последние рассчитываются согласно [Л. 55, 59 и 68].

а) Тепловая схема замещения электродвигателей без внутренней циркуляции охлаждающего агента.

Электродвигатели единой серии в габаритах 0,116—0,458 м выполнены в ребристом корпусе без внутренней циркуляции воздуха. Для расчетов закрытых машин аналогичной конструкции в настоящее время большинство авторов используют тепловые схемы из шести — восьми тел, составляя их на половину длины машины [Л. 59]. Вследствие изменения КТО вдоль длины корпуса, подогрева охлаждающего воздуха в межреберных каналах и различного охлаждения щитов возникают значительные перекосы температур (до 20—25%) вдоль длины обмотки статора и корпуса, особенно на длинных тихоходных машинах, что необходимо учитывать при тепловом расчете. Поэтому составляем тепловую схему для всей машины. При этом принимаем дополнительное упрощающее допущение, что пакеты статора и ротора проводят тепло только в радиальном направлении (т. е. пренебрегаем потоками, протекающими поперек пакета, так как поперечное тепловое сопротивление пакета в десятки раз больше продольного).
Тепловая схема (рис. 3-2) состоит из 20 узлов, следовательно, описывается 20 уравнениями. Запишем некоторые из них:
(3-4)
Температуру окружающего воздуха при расчете принимаем равной нулю, т. е. температуры всех узлов машины представлены как превышения температуры над температурой окружающей среды. Главные коэффициенты матрицы этой системы уравнений

(3-5)

Несимметричные коэффициенты матрицы

Коэффициенты, обратные им, равны нулю.
Тепловая схема замещения электродвигателя малой мощности
Рис. 3-2. Тепловая схема замещения электродвигателя малой мощности.

Как видно из тепловой схемы замещения (рис. 3-2), греющие потери в стали разделены на три составляющие и введены в середины зубцов (по высоте) статора и ротора и в спинку пакета статора; потери в обмотках разделены также на три составляющие и введены в элементы тепловой схемы, моделирующие лобовые и внутрипазные части обмоток; потери наружного вентилятора введены в элементы, моделирующие подогрев воздуха. Механические потери в подшипниках и от трения ротора о воздух следует вводить соответственно в элементы схемы, моделирующие щиты (точки 13, 14), и в элементы внутреннего воздуха (точки 15, 16). Однако в машинах малой мощности при  n≤1 500 об/мин эти потери составляют незначительную величину и ими обычно пренебрегают.

б) Тепловая схема замещения электродвигателей с аксиальной внутренней циркуляцией охлаждающего воздуха.

Эту схему (рис. 3-3) можно представить состоящей из 27 узлов в случае короткозамкнутого ротора и 29 узлов в случае фазного ротора. Схема составлена при тех же допущениях, что и для машин без внутренней циркуляции.
Приведенная схема содержит 11 источников тепла, учитывает подогрев наружного воздуха (точки 5, 14, 3, 13), охлаждение и подогрев внутреннего воздуха (точки 19, 9, 6, 2, 4, 18, 8, 20).
Тепловая схема замещения электродвигателя с аксиальной внутренней циркуляцией воздуха
Рис. 3-3. Тепловая схема замещения электродвигателя с аксиальной внутренней циркуляцией воздуха.

Отличительной особенностью системы уравнений, описывающих данную тепловую схему, является увеличение числа несимметричных коэффициентов, т. е. цепочка подогрева и охлаждения внутреннего воздуха.
При этом несимметричные коэффициенты матрицы

Коэффициенты, обратные им, равны нулю.
Сопротивления теплоотдачи от внутреннего воздуха к наружному через трубчатый охладитель можно объединить в одно сопротивление, в котором суммируются сопротивления теплоотдачи от внутреннего воздуха к трубкам, от трубок к наружному воздуху и сопротивление теплопроводности трубок.
Греющие потери задаются в узлы тепловой схемы аналогично тепловой схеме машин малой мощности, кроме того в поток внутреннего воздуха задаются потери внутреннего вентилятора.

в)         Тепловая схема замещения крупных электродвигателей серии ВАО.

Крупные машины высокого напряжения серии ВАО в габаритах Da=0,66-0,99 м выполнены пакетированными (рис. 1-3). В двигателях применена радиально- встречная внутренняя система охлаждения, как одна из прогрессивных.
Как видно из рис. 1-3, крупные машины отличаются сложной конструкцией и наличием разветвленной вентиляционной сети. При этом каждый пакет и части обмоток в радиальных каналах омываются потоками воздуха с различными скоростями и, следовательно, перегревы пакетов различны.
При составлении тепловой схемы замещения указанных машин возникает вопрос о выборе числа элементов схемы (числа тел, на которые расчленяем машину). Моделировать тепловые процессы в каждом из пакетов не представляется возможным, так как при этом тепловая схема становится очень громоздкой и описывается системой с большим числом уравнений (50—60), которую сложно программировать и рассчитывать на вычислительных машинах.
В результате анализа опытных кривых распределения нагрева по длине машины выяснилось, что обмотку статора (ротора) можно разделить на три участка (машина симметрична в тепловом отношении вдоль длины, поэтому рассматриваем половину длины), в пределах каждого из них считая нагревы постоянными и равными средним значениям, а именно: лобовая часть обмотки, часть обмотки в крайних пакетах и часть в центральных. При этом в 1-й расчетной зоне (со стороны лобовой части) следует принимать число пакетов п'= 1-2 в зависимости от общего числа пакетов. Число пакетов во 2-й зоне

По условиям охлаждения охладитель также можно разделить на три зоны, которые лежат соответственно под лобовой частью обмотки и над 1-й и 2-й зонами пакетов.
При учете отмеченных предпосылок составлена тепловая схема замещения (рис. 3-4) на половину длины машины. Схема составлена с учетом дополнительного допущения, что механические потери в подшипниках отводятся щитами и ввиду их незначительной величины в схему не вводятся. Величины греющих потерь в обмотках определяются из электромагнитного расчета и вводятся в узлы схемы (рис. 3-4).
Потери в обмотке статора: в лобовой части — узел 1; на длине 1-й и 2-й расчетных зон — узлы 2 и 3.
Потери в обмотке ротора: в короткозамыкающем кольце (лобовой части) обмотки—узел 10, на длине 1-й и 2-й расчетных зон — узлы 11, 12.
Тепловая схема замещения электродвигателя с радиальновстречной внутренней циркуляцией воздуха
Рис. 3-4. Тепловая схема замещения электродвигателя с радиальновстречной внутренней циркуляцией воздуха.

Расчетные значения потерь в стали (в том числе и добавочных) вводятся соответственно в узлы схемы статора 4, 5, 8, 9 и в узлы схемы ротора 11, 12 в случае короткозамкнутого ротора и 29, 31 в случае фазного ротора. Вентиляционные потери внутреннего и наружного циклов охлаждения вводятся соответственно в узлы 27 и 28. Таким образом, тепловая схема двигателя с пакетированными статором и ротором описываются 32 линейными алгебраическими уравнениями с несимметричной недиагональной матрицей в случае фазной машины и 28 уравнениями в случае короткозамкнутой.



 
« Муфты, шпонки, центровка валов муфты при монтаже электрических машин   Нагревание и охлаждение электрических машин и трансформаторов »
электрические сети