ВЕНТИЛЯЦИЯ И КОНСТРУКТИВНЫЕ ИСПОЛНЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
Предельные превышения температур в значительной степени зависят от условий теплорассеяния нагревающихся частей. Усиленной вентиляцией можно получить меньшие предельные температуры или при тех же температурах повысить мощность машины. Поэтому расчету вентиляции при проектировании и изготовлении электрических машин уделяется большое внимание. Конструктивное исполнение электрической машины органически связано с примененной в ней системой вентиляции,
Конструктивные исполнения электрических машин
В основном электрические машины выпускают в защищенном и в закрытом исполнениях. Один из вариантов защищенного исполнения — брызгозащищенное. Вариант закрытого исполнения — закрытое обдуваемое, широко применяемое прежде всего в трехфазных асинхронных двигателях малой и средней мощности.
Электрические машины защищенного исполнения предохранены от случайного прикосновения к вращающимся и токоведущим частям и от попадания внутрь посторонних предметов. На рисунке 122, а показан внешний вид трехфазногс асинхронного двигателя защищенного исполнения. Брызгозащищенные машины дополнительно закрыты от попадания внутрь капель влаги, падающих под углом до 45° к вертикали. Брызгозащищенные машины могут быть использованы также на открытом воздухе.
Рис. 122. Трехфазный асинхронный двигатель:
а — защищенного исполнения; б — закрытого обдуваемого исполнения; 1 — вал; 2 — подшипниковый щит; 3 — отверстие для выхода охлаждающего воздуха; 4 — ребристый корпус; 5 — крышка, закрывающая вентилятор.
В закрытых машинах внутреннее пространство полностью отделено от внешней среды. В электрических машинах закрытого обдуваемого исполнения внутренние части отделены от внешней среды оболочкой, защищающей их от проникновения пыли; на конце вала машины вне ее корпуса помещен защищенный крышкой вентилятор, который обдувает обычно ребристый корпус машины.
На рисунке 122,б показан внешний вид трехфазного асинхронного двигателя закрытого обдуваемого исполнения. В машинах закрытого обдуваемого исполнения часто применяют и внутренний вентилятор, благодаря чему усиливаются циркуляция воздуха внутри машины и отвод тепла от обмоток и сердечника к корпусу машины, обдуваемому внешним вентилятором.
Дальнейшим развитием закрытых машин является взрывобезопасное и герметическое исполнение. Взрывобезопасные машины применяются на шахтах, на химических предприятиях, где искрение или взрыв внутри машины могут привести к взрыву или воспламенению газов во внешней среде.
Примером машины герметического исполнения являются трехфазные асинхронные погружные двигатели, используемые в качестве приводов погружных насосов в сельскохозяйственном водоснабжении и на нефтескважинах (рис. 123).
Системы вентиляции
Количество охлаждающей среды (м3), необходимое для отвода тепла из машины, находят из равенства
где Рп — мощность отводимых потерь, вт;
с—удельная теплоёмкость охлаждающей среды, дж/(град - м3)\
— превышение температуры выходящей из машины нагретой охлаждающей среды над температурой поступающей в машину охлаждающей среды С.
Большинство электрических машин охлаждается воздухом, для которого с = 1100 дж/ (град • м3).
Рис. 123. Электродвигатель погружного насоса:
1 и 4— корпуса подшипников; 2 — корпус электродвигателя; 3 — статор; 5 — вывод; 6 — ротор; 7 — торцовое уплотнение.
Превышение температуры выходящего машины воздуха над температурой входящего воздуха тв в зависимости от системы вентиляции, конструкции машины и ее мощности изменяется в пределах от 12 до 30° С. Тогда количество воздуха, необходимое для отвода 1 квт потерь,
(138)
Вентиляция должна обеспечить прохождение через машину нужного количества воздуха при минимальных вентиляционных потерях и эффективном охлаждении наиболее нагретых частей машины.
При эксплуатации электрических машин не должно создаваться таких условий, когда обмен охлаждающего воздуха недостаточен.
По способу охлаждения электрические машины делятся на машины с естественным охлаждением и вентилируемые.
В машинах с естественным охлаждением нет специальных приспособлений для охлаждения. Такие машины в настоящее время изготовляются лишь мощностью до нескольких сотен ватт (электрические машины малой мощности — микромашины).
В вентилируемых машинах вентиляция может быть следующих систем:
а) радиальная или аксиальная, в зависимости от направления потока воздуха, омывающего нагретые части машины. При аксиальной вентиляции воздух, продвигаясь вдоль охлаждаемых поверхностей в аксиальном направлении машины, подогревается, и охлаждение машины в направлении воздухопроводов будет неодинаковым. Поэтому аксиальная вентиляция применяется обычно при активной длине машины до 250 мм;
б) всасывающая или нагнетательная, в зависимости от места установки вентилятора по направлению воздухопроводов. В первом случае вентилятор находится в конце воздухопроводов, вентиляция по сути вытяжная. Ее преимущество в том, что в машину поступает холодный воздух, недостаток — размещение вентилятора может привести к некоторому усложнению конструкций. При нагнетательной вентиляции вентилятор установлен в начале воздухопроводов, поступающий в машину воздух подогревается за счет потерь в вентиляторе примерно на 3—7° С. Потребный для вентиляции объем воздуха увеличивается на 15—20%, растут вентиляционные потери. Поэтому всасывающая вентиляция предпочтительнее.
Основными по способу охлаждения являются электрические машины с внутренней самовентиляцией. Охлаждение в них происходит при помощи вентиляторов или каких-либо других специальных приспособлений, укрепленных на вращающейся части машины и вентилирующих внутренние полости машины воздухом, поступающим из окружающего ее пространства.
а — простая — каналы только на роторе; б — двойная — каналы на роторе и статоре.
Рис. 125. Радиально-осевая система вентиляции асинхронной машины.
Рис. 126. Аксиальная система вентиляции асинхронной машины:
Рис. 124. Радиальная система вентиляции асинхронной машины.
Рис. 127. Схема охлаждения закрытой обдуваемой асинхронной машины.
В электрических машинах защищенного исполнения, в которых воздух подводится через отверстия, расположенные в подшипниковых щитах, направляется вентиляционными лопатками ротора и выходит через боковые отверстия с обеих сторон корпуса, рациональной будет радиальная система вентиляции. На рисунке 124 показана схема радиальной вентиляции асинхронной машины.
В машинах больших мощностей применяется радиально-осевая система вентиляции (рис. 125). Так же осуществляется вентиляция в нормальных явнополюсных синхронных машинах мощностью до 3000— 4000 квт. Здесь значительное вентилирующее действие создают полюса. Поэтому короткие машины с
выполняют часто без особых вентиляторов.
К преимуществам радиальной системы вентиляции относятся сравнительно малые аэродинамические потери, достаточно равномерное охлаждение машины, хорошее охлаждение лобовых частей. Недостатки этой системы вентиляции — некоторая некомпактность, так как вентиляционные каналы занимают место по длине машины, и сильное влияние на вентиляцию возможного осевого перемещения ротора.
В аксиальной системе вентиляции передача тепла воздуху происходит при его движении вдоль охлаждающих поверхностей в аксиальном направлении, воздух при этом успевает подогреться, и, следовательно, отвод тепла в этой части машины ухудшается. Это недостаток аксиальной вентиляции. Аксиальная система вентиляции применительно к асинхронной машине показана на рисунке 126. Можно считать, что в машинах малой и частично средней мощности предпочтительной является аксиальная система вентиляции, а в машинах средней и большой мощности — радиальная.
Описанная выше закрытая машина обдуваемого исполнения (рис. 122,6) представляет собой машину с наружной самовентиляцией. Схема охлаждения закрытой обдуваемой машины показана на рисунке 127.
При протяжной вентиляции охлаждающий воздух поступает в машину из окружающего внешнего пространства и после прохождения через машину возвращается в атмосферу; на охлаждающих поверхностях возможно осаждение пыли и грязи, всегда содержащихся в воздухе, что нежелательно. При закрытом обдуваемом исполнении устраняется угроза загрязнения внутренних частей машины, но возможность
ухудшения наружной вентиляции остается. Так, при среде, содержащей волокнистую и хлопьевидную пыль (зерноочистительные и молотильные пункты, пункты первичной обработки хлопка, льна и т. п.), не исключено забивание волокнистыми отходами пространства между кожухом вентилятора и корпусом закрытого обдуваемого электродвигателя (рис. 122,б).
При протяжной вентиляции можно достичь того, что охлаждающий воздух, поступающий в машину, будет более чистый по составу, чем воздух окружающей среды. Для этого необходимо охлаждающий воздух предварительно пропускать через фильтры или забирать его из другого помещения с лучшим составом охлаждающей среды. Фильтры увеличивают сопротивление потоку воздуха, поэтому нужны вентиляторы большей мощности. Сами фильтры необходимо систематически очищать, так как через машину даже средней мощности в соответствии с формулой (138) проходит в секунду несколько кубических метров воздуха.
Недостатки, свойственные протяжной вентиляции, устраняются при переходе на замкнутую систему вентиляции, при которой один и тот же воздух циркулирует в машине, причем в схему замкнутой вентиляции обычно входят воздухоохладители. Охладители представляют собой систему ребристых с внешней стороны трубок, омываемых нагретым воздухом, внутри трубок протекает охлаждающая вода. Применяется как нагнетательная, так и всасывающая вентиляция.
Синхронные машины мощностью свыше 4000 кВА выполняют обычно с вентиляцией по замкнутому циклу.
Вопрос об охлаждении крупных синхронных машин (турбогенераторов и гидрогенераторов) мощностью несколько десятков тысяч киловольт-ампер и выше, вплоть до сотен тысяч киловольт-ампер, является одним из сложных в современном электромашиностроении.
Краткие сведения об охлаждении мощных синхронных машин приводятся при рассмотрении их конструктивных выполнений.
