3-9. ТЕПЛОВЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И РАСЧЕТЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН. ОСОБЕННОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ
Тепловые расчеты электрических машин и анализ их тепловых схем замещения осуществляются как на ЭЦВМ, так и на моделях-аналогах. В модели-аналоге расчленение задачи производится не на отдельные математические операции, а на физические элементы, физический процесс в которых описывается уравнениями, подлежащими решению, т. е. при использовании модели-аналога сохраняется непосредственное соответствие между элементами системы (тепловой схемы) и модели, все элементы системы дублируются и непосредственно управляются. Это позволяет оценить влияние изменения каждого элемента или группы элементов системы охлаждения и конструкции одновременно на тепловое состояние машин.
Тепловые расчеты серий электрических машин целесообразно проводить на ЭЦВМ. Достоинствами этого метода являются быстрота и точность решения системы уравнений, описывающих тепловые процессы в электрической машине. В настоящее время мы еще не можем использовать высокую точность решения на ЭЦВМ для достижения такой же точности тепловых расчетов, так как исходные данные известны с точностью до 5%. К недостаткам использования ЭЦВМ следует отнести сложность программирования. При этом весьма значительные затруднения возникают в тех случаях, когда необходимо вводить исправления (корректировку) программы по данным экспериментальных исследований при ее отработке. По разработанным авторами методикам тепловые расчеты машин серии ВАО проводятся на ЭЦВМ «Минск-1», «Минск-2» и «Проминь».
В цифровую машину закладываются формуляр исходных данных (куда входят греющие потери, геометрические размеры электрической машины, коэффициенты теплопроводности материалов, расходы охлаждающего воздуха и т. п.), формуляр расчета тепловых сопротивлений машины и система уравнений, описывающих тепловую схему. Расчет проводится в такой последовательности. Сначала рассчитываются тепловые сопротивления (проводимости) электродвигателя, затем система уравнений и определяются превышения температуры узлов машин. Длительность расчета составляет несколько минут.
Программирование методик осуществлялось вручную. Опыт показывает, что среднему программисту необходимо затратить несколько месяцев для программирования задачи теплового расчета электрической машины, тепловая схема замещения которой описывается 28—30 уравнениями.
Поэтому очевидно, что тепловые расчеты отдельных машин со сложной конструкцией и системой охлаждения с целью выигрыша во времени целесообразнее проводить на моделях-аналогах.
В настоящее время отечественная промышленность выпускает малые цифровые вычислительные машины для инженерных расчетов, отличающиеся простотой обслуживания и использования. К таким относятся машины типа «Проминь», на которых, в частности, можно решать системы из семи алгебраических уравнений. Это позволяет полностью механизировать тепловые расчеты машин малой мощности без внутренней циркуляции по упрощенным тепловым схемам замещения. При этом длительность программирования составляет несколько дней, а расчет с учетом времени ввода данных, производится за 15—25 мин.
В табл. 3-2 приведены результаты сопоставительных расчетов испытанных машин с аксиальной внутренней циркуляцией, т. е. исходные данные (греющие потери и расходы воздуха наружного обдува) взяты из опыта. Как видно, расхождение средних превышений температуры с опытными значениями не больше 5%. При расчете по данным электромагнитных и вентиляционных расчетов расхождение может достигать ±10—12%, причиной этого является неточное расчетное определение добавочных потерь при нагрузке, которые сильно влияют на превышение температуры обмотки статора.
В табл. 3-3 приведены результаты тепловых расчетов машин с радиально-встречной внутренней циркуляцией по данным электромагнитных и вентиляционных расчетов (вентиляционный расчет внутреннего цикла выполнялся по методике ЦКБ КЭМ).
Как видно, различие превышений температур расчетных и опытных не превышает 5—6%..
Рассмотрим некоторые результаты анализа тепловых схем замещения машин серии ВАО, позволяющие оценить влияние различных элементов конструкции и системы охлаждения на тепловое состояние электродвигателя.
Анализ проведем методом вариации параметров тепловых схем замещения типичных образцов отрезка серии с определенной системой охлаждения.
а) Машины малой мощности без внутренней циркуляции воздуха*.
* Анализ проведен на модели-аналоге.
Таблица 3-2
Примечания: 1. Расчеты № 1 приведены по расчетным данным; № 2— по опытным данным.
- Опыт —превышение температур по термопарам (в обмотках на поверхности изоляции).
- Средние превышения температуры обмоток по сопротивлению.
Примечание Опыт рассчитан по термопарам (в обмотках—на поверхности изоляции) и средние превышения температуры обмоток по сопротивлению.
В машинах такой конструкции все валяющееся тепло передается окружающей среде через корпус и щиты. Поэтому интересным является вопрос, как влияет изменение теплопередачи с внутренних поверхностей машины на ее тепловое состояние (или при постоянных КТО развитие площади теплоотводящих поверхностей).
Проведенный анализ тепловой схемы макетного образца двигателя ВАО 62-4 показал следующее:
Рис. 3-25. Зависимость превышения температуры обмотки статора от теплоотдачи с ее лобовых частей (1) и оребрения щитов (2).
- Увеличение теплопередачи (т. е. КТО) с лобовых частей обмотки статора в 1,5 раза по сравнению с действительной величиной (αл1=62х10-4 вт/см2-град) приводит к снижению среднего перегрева обмотки статора всего лишь на 3,8% (рис. 3-25).
- Развитие поверхности короткозамыкающих колец позволяет снизить лишь превышение температуры ротора; так, при увеличении поверхности в 2 раза превышение температуры ротора снизится на 15%. Эти меры снижения температур малоэффективны и трудноосуществимы без изменения системы охлаждения. Значительно легче развивать поверхности щитов.
- Развитие внутренней поверхности щитов за счет оребрения в 2 раза приводит к снижению превышения температуры обмотки статора на 8%.
Оребрение щита со стороны привода внутри и снаружи (1,7) приводит к снижению превышения температуры обмотки статора примерно на 5% (по сравнению с неоребренными щитами) и уменьшает перекос перегревов вдоль длины обмотки статора.
- Оребрение концевой части корпуса со стороны привода изнутри при увеличении поверхности вдвое (= 2) приводит к снижению превышения температуры обмотки статора всего на 1,5%.
- Влияние воздушного зазора между корпусом и пакетом статора на превышение температуры обмотки небольшое; так, при полном устранении зазора превышение температуры обмоток статора и ротора соответственно снижается на 5,5 и 4%.
6. Анализ распределения температурных перепадов в двигателе показал, что перепад с поверхности корпуса составляет 48% превышения температуры обмотки статора, суммарный перепад в корпусе, зазоре между корпусом и пакетом и пакете — 22,5%, перепад в изоляции всыпной обмотки — 29,5%; последнее объясняется наличием воздушных промежутков между проводниками.
Поэтому резервами улучшения охлаждения машин с всыпной обмоткой можно назвать различные мероприятия, направленные на удаление воздуха из обмоток (пропитка под вакуумом, использование монолитных секций при открытых пазах и т. д.).
б) Машины средней мощности с аксиальной внутренней циркуляцией воздуха.
У данной системы охлаждения можно выделить несколько параметров, оказывающих значительное влияние на тепловое состояние машины, а именно: 1) число и размеры ребер на корпусе; 2) число и размеры каналов (трубок) охладителя на корпусе; 3) диаметр и число аксиальных каналов в роторе; 4) расход воздуха.
Т а б л и ц а 3-4
* Расчет внутреннего цикла охлаждения проводился по методике, составленной в институте Гипронисэлектрошахт.
Задача состоит в том, чтобы выбрать наиболее эффективное сочетание чисел ребер и трубок охладителя, число и размеры каналов ротора и скорости воздуха.
Эффективные размеры и числа ребер выбраны согласно рис. 3-10 и 3-12.
Вариация числа гнутых трубок охладителя влечет за собой изменение числа ребер на корпусе при сохранении наиболее эффективного шага между ребрами (табл. 3-4), при этом с увеличением числа труб на такое же число уменьшается число ребер.
Как показали расчеты, при изменении числа трубок (внутренний диаметр 4,3 см) от двух до восьми (табл. 3-4) увеличивается расход воздуха внутренней циркуляции в 2,92 раза, что приводит к снижению температуры обмотки статора на 7 град, а ротора — на 32 град.
Т а б л и ц а 3-5
Число канатов ротора, шт. . . . | 6 | 10 | 14 |
Расход воздуха внутреннего цикла Q2, м/сек............................................... | 0,09 | 0,14 | 0,175 |
Превышение температуры обмотки, статора 9Сu2 , град........................... | 93,3 | 89,0 | 87,4 |
Превышение температуры обмотки ротора θCu2, град............................. | 153,0 | 137,4 | 130,0 |
Дальнейшее увеличение числа трубок приводит к увеличению расхода внутреннего воздуха и снижению температуры ротора, однако общая теплоотдающая способность корпуса и охладителя уже снижается и температура обмотки статора даже несколько возрастает. Следовательно, эффективным можно считать число трубок nтр=6-8; в машине принято nтр=7.
Сечение каналов ротора в общем случае выбирается из условия допустимых индукций, в нашем случае в машине принято ΣSкр=100 см2, диаметр каналов принят равным 3 см.
Варьируя число каналов (при пР=22, hр =6 см; nтр= 7), выполняем необходимые расчеты и устанавливаем, что при изменении пкр от 6 до 14 расхода охлаждающего воздуха внутренней циркуляции увеличивается от 0,09 до 0,175 м3/сек, т. е. в 1,94 раза (табл. 3-5), что приводит к снижению превышения температуры статора на 5,9 град, а ротора — на 23 град.
Как видно из табл. 3-5, число каналов наиболее значительно влияет на охлаждение ротора, что особо важно для фазных машин.
Анализ влияния других элементов конструкции и системы охлаждения машин с аксиальной внутренней циркуляцией покажем на примере двигателя ВАО103-4 с коробчатыми каналами охладителя (Р2н=200 кВт, U = = 380 в, Da = 0,66 м, θCU1 = 88 град).
Рис. 3-26. Зависимость превышения температуры обмотки статора электродвигателя ВАО 103-4 от диаметра внутреннего вентилятора.
1. Толщина изоляции обмотки статора не оказывает значительного влияния на превышение температуры обмотки. При уменьшении толщины корпусной изоляции от 1,1 до 0,3 мм (нагревостойкость класса F) превышение температуры обмотки статора уменьшается лишь на 5,3 град. Перепад температуры в ИЗОЛЯЦИИ при δип =1,1 мм составляет 7,5 град, т. е. 8,5% ϴ, и за счет уменьшения ее толщины или увеличения теплопроводности значительного эффекта по снижению температуры обмотки достичь невозможно (при условии сохранения постоянного коэффициента заполнения пазов).
2. Анализ влияния расхода внутреннего воздуха на превышения температур обмоток статора и ротора (рис. 3-26) показывает, что превышение температуры обмотки статора снижается с увеличением расхода, т. е. диаметра внутреннего центробежного реверсивного вентилятора до 0,88—0,93 внутреннего диаметра корпуса (скорости воздуха в каналах ротора достигают 12 м/сек), дальнейшее увеличение диаметра вентилятора влияет лишь на снижение температуры ротора. При этом с ростом расхода воздуха увеличиваются потери на вентиляцию: в нашем случае при D2bв = 0,9 Da потери на вентиляцию и трение бочки ротора о воздух составили 0,42% Р2н.
Таким образом, можно рекомендовать для машин с короткозамкнутыми роторами и с внутренней циркуляцией при 2р≥4 применение внутренних центробежных вентиляторов с наружными диаметрами, равными 0,9— 0,93 внутреннего диаметра корпуса.
Как видно из рис. 3-26, при этом за счет внутренней циркуляции превышение температуры обмотки статора снижается примерно на 20%,
- При расчетных значениях потерь определено влияние марки электротехнической стали на превышение температуры обмотки статора. При этом варьировались тепловые сопротивления пакетов статора и ротора и потери в стали, так как с ростом содержания кремния ухудшается теплопроводность и уменьшаются удельные потери в стали.
Таблица 3-6
Из табл. 3-6 видно, что применение сталей с более высоким содержанием кремния не приводит к существенному изменению температуры обмотки статора. Поэтому марку электротехнической стали следует выбирать из условия получения высоких энергетических и экономических показателей машины.
в) Машины большой мощности с радиально-встречной внутренней циркуляцией воздуха.
Превышение температуры обмотки статора крупного асинхронного пакетированного электродвигателя с распределенным трубчатым охладителем можно представить состоящим из двух основных составляющих, а именно: перепадов температур в двигателе и с его поверхности и перепадов в охладителе, причем вторая составляющая достигает весьма значительной величины.
Поэтому целесообразно оценить, как влияет количество труб охладителя на превышение температур обмоток машины.
1 Необходима экспериментальная проверка, так как опытные значения потерь могут значительно отличаться от расчетных.
Влияние числа труб охладителя на тепловое состояние двигателя АНВ13-62/4 исследовалось расчетным путем. При этом расчеты вентиляции наружного цикла приводились по методике, разработанной на базе исследований, освещенных в гл. 2, а внутреннего цикла — по
Рис. 3-27. Зависимость превышения температуры обмотки статора электродвигателя АНВ 13-62-4 от числа труб охладителя.
методике ЦКБ КЭМ.
При вариации числа труб скорости воздуха в охладителе изменялись в пределах: а) наружный цикл 30—35 м/сек; б) внутренний цикл 5 — 7,5 м/сек. Как видно из рис. 3-27, при увеличении числа трубок охладителя от 150 до 200 превышение температуры обмотки статора снижается на 10 град, при увеличении числа трубок от 200 до 250 дополнительно снижается на 6 град, а увеличение числа труб от 250 до 300 приводит к дополнительному снижению еще на 4 град, т. е. кривая становится положе. Можно сделать вывод, что эффективным является увеличение числа труб до 230—250, что соответствует удельным потерям на единиц у поверхности охладителя в данной машине q = 1,25-1,16 кВт/м2.
Учитывая, что экспериментально установленные эффективные скорости воздуха в трубках составляет 18— 22 м/сек, величину q следует скорректировать до величины q'= 1,1 кВт.
В общем случае выбор числа трубок охладителя необходимо производить исходя из экономических соображений, т. е. из сопоставления возможности увеличения мощности двигателя и стоимости охладителя.
Стремление дальнейшей интенсификации теплообмена в охладителе приводит к мысли использования воды в качестве охлаждающего агента в трубках.
Расчет показал, что это приведет к уменьшению перепада температур на охладителе АНВ13-62/4 (при сохранении числа труб nтр = 213= const) и снижению превышения температуры обмотки статора на 22 град, что позволит увеличить мощность машины до 1 020 кВт при ϴcui= 71 град = const, т. е. на 27,5% Р2н, а при θ= 80 град мощность Р2Н=1 100 кВт.
Анализ влияния толщины изоляции статора показывает, что при ее уменьшении в 2 раза (или увеличении теплопроводности изоляции) среднее превышение температуры обмотки снизится на 8,7 град, т. е. на 12,1%.
Приведенные примеры показывают большие возможности вычислительной техники при анализе влияния различных элементов конструкции и системы охлаждения на тепловое состояние электрической машины.
