Общие сведения об электрических машинах - Нагрев вращающихся машин переменного тока

Теплоотдача в электрических машинах

Потери энергии, неизбежные при работе электрических машин, переходя в тепло, вызывают нагрев отдельных частей машины. Передача тепла от более нагретых частей машины к менее нагретым и в охлаждающую среду происходит путем теплопроводности, конвекции и лучеиспускания. Конвекция может быть естественной и искусственной. Искусственная конвекция возникает при принудительной циркуляции охлаждающей среды. В большинстве электрических машин такую циркуляцию создают при помощи вентиляторов.
В современных вентилируемых электрических машинах отвод тепла путем искусственной конвекции значительно преобладает над отводом тепла лучеиспусканием, позволяя мало считаться с последним в пределах тех температур, которые свойственны электрическим машинам при любом роде изоляции.
Передача тепла путем теплопроводности применительно к электрическим машинам имеет значение главным образом для передачи тепла внутри твердых тел (медь, сталь, изоляция), в то время как в газах (воздух, водород) и жидкостях (масло, вода) главное значение имеет конвекция. Теплопроводность металлов достаточно велика, электроизоляционных материалов, наоборот, мала. Вследствие этого перепады температуры в изоляции обмоток электрических машин получаются значительными, что затрудняет охлаждение обмоток и ограничивает величину плотности тока в них.

Изолирующие материалы и их теплостойкость

Допустимый предел нагрева машины зависит от примененного в ней рода изоляции. Характеристикой изоляционных материалов, решающим образом влияющей на надежность работы и срок службы электрических машин, является их теплостойкость. По теплостойкости изоляционные материалы, используемые в электрических машинах, согласно ГОСТу 8865—58, делятся на семь классов со следующими предельно допустимыми температурами:

Изоляция класса А удовлетворяет условиям эксплуатации электрических машин без перегрузок в сравнительно сухих помещениях (относительная влажность <80% при температуре 25°С), воздух которых не содержит агрессивных химических реагентов. Данные о сроке службы изоляции класса А приведены в справочных материалах.
В электромашиностроении изоляция класса А находила и продолжает находить применение для электрических машин мощностью до 100 кет. Все большее применение в электрических машинах мощностью до 100 кет и выше получает изоляция класса Е, основанная на новых синтетических материалах.
Помимо необходимой нагревостойкости, изолирующие материалы должны удовлетворять ряду дополнительных требований, из которых главные: высокая электрическая прочность в нагретом состоянии машины, стойкость в отношении акустических воздействий, необходимая степень эластичности, сохраняемая при длительном воздействии рабочих нагревов.

Нагрев электрических машин

При рассмотрении тепловых процессов электрическую машину приближенно принимают за однородное тело бесконечной теплопроводности. Уравнение теплового баланса при этом имеет вид
(136)
где Р—мощность потерь в виде тепла, выделяемая телом в единицу времени;
S — площадь тела;
k — коэффициент теплоотдачи с поверхности;
т—превышение температуры тела над температурой окружающей среды;
G — масса тела;
с — удельная теплоемкость тела.
Анализ уравнения (136), его решение и анализ полученных результатов даны выше.
Достоинство метода — его простота, недостаток — упрощенная физическая картина процессов, что в ряде случаев, например при переменной и кратковременной нагрузке, приводит к значительному расхождению между опытными данными и расчетом.
В то же время, если теплопроводность реальных тел достаточно велика (металлы) и если скорость выделения тепла умеренная, как это обычно и бывает при нормальных нагрузках электрических машин, то процесс нагревания реальных тел подчиняется закону нагревания однородного тела.
В действительности в электрической машине, представляющей соединение разнородных тел, температуры отдельных частей (обмоток, сердечников и т. д.) отличаются друг от друга. Поэтому при втором приближении рассматривают машину как систему -нескольких однородных тел бесконечной теплопроводности. Простейший случай — это нагрев двух тел независимо — статора и ротора. Теория нагрева двух тел применима к нагреву машин с большим вентилируемым воздушным зазором, у которых взаимное тепловое влияние ротор — статор мало (машины синхронные и постоянного тока).
В машинах с малым воздушным зазором (асинхронные машины) взаимное тепловое влияние статор — ротор значительное, и в этом случае теория нагрева двух тел часто не может быть применена.
Влияние ротора на нагрев статора можно учесть, прибавляя к потерям в обмотке статора часть потерь в роторе. При наличии опытных данных, достаточных для правильного выбора части роторных потерь, которых надо прибавить к потерям в обмотке статора, такой способ учета влияния ротора на нагревание обмотки статора можно использовать при расчете установившихся температур.
Для расчета неустановившихся тепловых процессов, течение которых определяется не только потерями и теплоотдачей, но и теплоемкостями частей двигателя, указанный способ учета влияния ротора на нагрев обмотки статора недостаточен. Влияние ротора на нагрев обмотки статора сказывается практически нс непосредственно, а через тепловой поток ротор — сталь статора. Сталь статора подогревается от потерь ротора, вследствие чего ухудшается теплоотдача от обмотки статора к стали и, следовательно, увеличивается температура обмотки.
Процесс нагрева машины представляется теорией нагрева трех тел: обмотки статора — сталь статора — ротор.
Теория трех тел применима также к расчету нагрева закрытых асинхронных двигателей. Превышение температуры обмотки над окружающим машину воздухом T1 рассматривается состоящим из двух частей: превышения температуры над корпусом тв и превышения температуры корпуса над окружающим воздухом тк:
T1 = Тв + тк.
Внутренние части закрытого асинхронного двигателя, имеющие примерно одинаковую температуру, можно считать однородным телом.
Тепловые расчеты электрических машин достаточно сложны и рассматриваются в курсах конструкций и проектирования электрических машин.
Точное описание нагрева частей электрических машин дает метод расчета, основанный на эквивалентной тепловой схеме, предложенной членом-корреспондентом АН СССР А. Е. Алексеевым. В отличие от теории нагрева одного, двух и трех тел данный метод рассматривает машину состоящей из большого числа источников и проводников тепла, что в максимальной степени соответствует действительной теории нагрева. Несмотря па принципиальные преимущества такого метода, до 1960 г. он находил ограниченное применение, так как практические расчеты связаны с большими вычислительными трудностями. Использование электронно-вычислительных машин в тепловых расчетах устраняет практические затруднения применения этого метода и выдвигает его в качестве основного метода теплового расчета электрических машин.