Конструктивные формы исполнения электрических машин
Для предотвращения чрезмерного нагрева электрических машин необходимо обеспечить надлежащие условия отвода выделяющегося в машинах тепла. С ростом мощности электрических машин условия отвода тепла ухудшаются (смотрите статью "Влияние геометрических размеров на технико-экономические показатели машины"), и поэтому в крупных машинах необходимо применять более интенсивные способы охлаждения.
Способы охлаждения в свою очередь зависят от конструктивных форм исполнения электрических машин, из которых здесь укажем лишь наиболее типичные.
Открытые электрические машины не имеют специальных приспособлений для предохранения от случайного прикосновения к вращающимся и токоведущим частям, а также для предотвращения попадания внутрь машины посторонних предметов. Такие машины находят применение только в машинных залах и лабораториях. Защищенные электрические машины имеют указанные приспособления и применяются в закрытых помещениях. Брызгозащищенные машины дополнительно защищены от попадания внутрь машины капель влаги, падающих под углом 45° к вертикали. В этих машинах на все отверстия, расположенные в их верхних частях, устанавливаются глухие крышки и жалюзи, которые могут иметь прорези, прикрытые козырьками. Машины с таким исполнением весьма распространены и могут быть использованы также на открытом воздухе.
В закрытых электрических машинах внутреннее пространство совершенно отдельно от внешней среды. Они применяются в пыльных помещениях, а также на открытом воздухе. Дальнейшим развитием закрытых машин являются взрывозащищенные (взрывобезопасные) и герметичные машины. Первые используются для работ во взрывобезопасных шахтах и на химических предприятиях, когда требуется, чтобы искрение или взрыв внутри машины не приводили к взрыву или воспламенению газов во внешней среде. Герметичные машины выполняются с особо плотным соединением поверхностей разъема, так что они могут работать даже под водой.
Способы охлаждения электрических машин
По способу охлаждения различаются:
- машины с естественным охлаждением, в которых нет никаких специальных приспособлений для охлаждения;
- машины с внутренней самовентиляцией, охлаждение которых происходит с помощью вентиляторов или других вентиляционных устройств, укрепленных на вращающихся частях самой вентилируемой машины и осуществляющих вентиляцию внутренних ее полостей (открытые и защищенные машины);
- машины с наружной вентиляцией, в которых путем самовентиляции охлаждается внешняя поверхность машины, а внутренние ее части закрыты для доступа внешнего воздуха (закрытые машины);
- машины с независимым охлаждением, в которые охлаждающая газообразная или жидкая среда подается с помощью отдельного вентилятора, компрессора или насоса, имеющего собственный привод.
Особенности разных способов охлаждения иллюстрируются ниже на примере машин постоянного тока, но и охлаждение машин переменного тока осуществляется подобным же образом.
Машины с естественным охлаждением в настоящее время строятся лишь на мощности порядка нескольких десятков ватт. В некоторых случаях естественное охлаждение применяется также для закрытых машин мощностью до нескольких сотен ватт, но в этом случае для усиления отдачи тепла поверхность охлаждения увеличивают путем изготовления корпуса машины с ребрами.
Машины с внутренней самовентиляцией имеют наибольшее распространение. При этом различают аксиальную (рисунок 1) и радиальную (рисунок 2) систему вентиляции. В первом случае передача тепла воздуху происходит при движении последнего вдоль охлаждаемых поверхностей в аксиальном направлении, а во втором – в радиальном направлении.
Рисунок 1. Аксиальная система вентиляции машины постоянного тока
 |
| Рисунок 2. Радиальная система вентиляции машины постоянного тока |
В машинах постоянного тока при аксиальной вентиляции поток воздуха движется между полюсами и вдоль внешней поверхности якоря, а при Da > 200 мм также по выполняемым в этом случае аксиальным каналам между якорем и валом или по аксиальным вентиляционным каналам в сердечнике якоря. Потоки воздуха омывают также коллектор. Воздух поступает в машину с одного ее конца и выбрасывается с другого.
Воздух при движении вдоль охлаждаемых частей машины подогревается, и, следовательно, нагрев машины при аксиальной вентиляции будет в аксиальном направлении неравномерным. Поэтому аксиальная вентиляция применяется обычно при активной длине машины до 200 – 250 мм.
При радиальной системе вентиляции сердечник якоря имеет радиальные каналы (смотрите статью "Устройство машины постоянного тока", рисунок 4) с ветреницами. При вращении якоря ветреницы действуют подобно лопастям вентилятора, и поэтому установка на валу особых вентиляторов иногда оказывается излишней. Воздух при этой системе вентиляции поступает внутрь машины с торцов и выбрасывается по бокам станины или через отверстия в ней.
Машины с наружной самовентиляцией – это машины закрытой конструкции, у которых на валу установлен наружный вентилятор, обдувающий наружную поверхность станины (рисунок 3). При этом для увеличения поверхности охлаждения наружная поверхность станины часто снабжается продольными ребрами. Часто машина имеет также внутренний вентилятор или вентиляционные крылышки для создания более интенсивного движения воздуха внутри машины и усиления теплообмена между внутренними частями машины и станиной (рисунок 3).
Рисунок 3. Машина постоянного тока с наружной самовентиляцией
1 – внутренний вентилятор (мешалка); 2 – наружный вентилятор; 3 – кожух вентилятора
 |
| Рисунок 4. Машина постоянного тока с независимой вентиляцией |
Машины с независимой вентиляцией. Обычно такие машины тоже охлаждаются воздухом, который подается в машину с помощью отдельного вентилятора (рисунок 4). Такую вентиляцию называют также принудительной. Иногда вентилятор со своим приводным двигателем устанавливается на корпусе вентилируемой машины.
В рассматриваемом случае система вентиляции может быть как аксиальной, так и радиальной. Применяется этот способ вентиляции обычно тогда, когда скорость вращения машины регулируется в широких пределах, так как в этом случае при самовентиляции (с вентилятором на валу машины) нельзя обеспечить необходимый расход воздуха при низкой скорости вращения.
Всасывающая и нагнетательная вентиляция
В схемах рисунка 1 и 4 вентилятор находится в конце вентиляционного тракта машины и через него проходит воздух, подогретый внутри машины. Такая вентиляция называется всасывающей. Если вентилятор установлен вначале вентиляционного тракта машины, то через него проходит холодный воздух, при этом воздух нагнетается в машину, и вентиляция называется нагнетательной.
Коэффициент полезного действия вентилятора равен единице, и в вентиляторе происходит дополнительный нагрев воздуха, который в ряде случаев может составлять 3 – 8 °С. Поэтому при нагнетательной вентиляции в машину подается уже несколько подогретый воздух. Условия охлаждения при этом ухудшаются, и для достижения такого же эффекта, как и при всасывающей вентиляции, расход воздуха необходимо увеличить на 15 – 20 %, что вызывает увеличение вентиляционных потерь на 50 – 70 %. По этим причинам следует предпочитать всасывающую вентиляцию, если она не вызывает усложнения конструкции машины. Однако всасывающей вентиляции также присущи некоторые недостатки. Например, в схеме на рисунке 1 внутрь машины засасывается пыль с коллектора.
Протяжная и замкнутая вентиляция
Как самовентиляция, так и независимая вентиляция могут быть двух родов: протяжная и замкнутая.
При протяжной вентиляции охлаждающий воздух поступает в машину из окружающего внешнего пространства и после прохождения через машину возвращается в атмосферу (рисунки 1 и 4). Недостаток такой вентиляции заключается в том, что на внутренних поверхностях машины накапливается пыль и грязь, которые всегда содержатся в воздухе. Это вызывает ухудшение условий охлаждения машины и может быть причиной аварии. Применение фильтров на входе воздуха в машину нерационально, так как их нужно часто очищать и они увеличивают сопротивление движению воздуха. При несвоевременной очистке фильтра условия охлаждения резко ухудшаются. Необходимо иметь в виду, что через самые крупные машины каждый час проходит несколько сотен тонн воздуха, и поэтому даже при незначительном содержании пыли ее абсолютное количество довольно-таки велико.
Для машин малой мощности возникающие затруднения разрешаются проще. При сильно загрязненной атмосфере можно использовать закрытые машины, охлаждаемые с наружной поверхности. При умеренном содержании пыли в воздухе можно применять машины защищенной конструкции, продувать их регулярно сжатым воздухом и для периодических чисток разбирать машину один-два раза в год.
Применительно к крупным машинам эти меры непригодны. Такие машины невозможно охлаждать с наружной поверхности, так как эта поверхность возрастает пропорционально квадрату линейных размеров, а потери в машине – пропорционально кубу линейных размеров. Разборка и сборка крупной машины, ее чистка являются весьма трудоемкими и дорогими операциями. Поэтому в крупных машинах переменного тока, а ряде случаев также в крупных машинах постоянного тока применяется замкнутая система вентиляции (рисунок 5). При такой вентиляции воздух циркулирует по замкнутому циклу: проходит через машину М, воздухоохладители О, вентилятор В и снова попадает в машину. Возможно использование как нагнетательной (рисунок 5, а), так и всасывающей (рисунок 5, б) вентиляции.
Рисунок 5. Замкнутая система вентиляции
Водородное охлаждение
Водород является более эффективным охлаждающим агентом, чем воздух. По сравнению с воздухом у водорода при атмосферном давлении теплопроводность больше в 7,1 раза и средний коэффициент теплоотдачи при одной и той же скорости больше в 1,7 раза, а при одинаковом массовом расходе – в 11,8 раза. Благодаря этому для достижения такой же эффективности охлаждения, как воздухом, требуется меньшие массовые расходы водорода, а вентиляционные потери, которые в крупных быстроходных машинах составляют большую часть суммарных потерь, снижаются почти в десять раз. При водородном охлаждении срок службы изоляции увеличивается, так как исключаются окислительные процессы и образование вредных азотистых соединений при коронных разрядах. Поэтому водород находит широкое распространение для охлаждения быстроходных машин переменного тока мощностью 25 МВт и выше.
При водородном охлаждении применяется замкнутая система вентиляции и во избежание образования взрывчатой смеси давление в системе поддерживается несколько выше атмосферного (1,05 атм). В ряде случаев для усиления интенсивности охлаждения давление водорода в системе охлаждения увеличивается до 3 – 5 атм. При этом необходимо иметь надежные уплотнения, чтобы не допустить значительной утечки водорода из машины.
Непосредственное, или внутреннее, охлаждение обмоток
Для электрических машин мощностью 300 – 500 МВт и более замкнутая система вентиляции с водородным охлаждением также оказывается недостаточной. Поэтому в таких машинах обмотка изготовляется из полых проводников и применяется внутреннее охлаждение этих проводников водородом при давлении до нескольких атмосфер или водой. Можно также использовать вместо водорода или воды трансформаторное масло. Однако теплопроводность и коэффициент теплопередачи воды значительно больше, чем у трансформаторного масла. Поэтому масло используется реже.
Так как подвод воды в обмотку вращающегося ротора связан с определенным усложнением конструкции, то применяется также смешанное внутреннее охлаждение: обмотки ротора охлаждаются водородом, а обмотка статора – водой. Водород подается в обмотки при помощи компрессоров или особых газозаборников, установленных на вращающемся роторе. Для подачи воды применяются насосы.
Рассмотренные системы непосредственного охлаждения во всех случаях выполняются замкнутыми, с циркуляцией одной и той же массы охлаждающего агента и с охлаждением его в предназначенных для этой цели охладителях.
При непосредственном охлаждении обмоток перепады температуры в изоляции исключаются и можно резко увеличить плотность тока.
При водяном охлаждении мощность машины ограничивается в основном уже не условиями нагрева, а другими техническими и экономическими показателями.
Расход охлаждающей среды
Расход охлаждающей среды, необходимый для отвода тепла из машин, равен
где p – отводимые потери, Вт; c – удельная объемная теплоемкость охлаждающей среды, Дж/(°С × м³); Θв = ϑг – ϑх – превышение температуры выходящей из машины нагретой охлаждающей среды ϑг над температурой поступающей в машину охлаждающей среды ϑх, °С.
Для воздуха c = 1100 Дж/(°С × м³). Значение Θв в зависимости от системы вентиляции, конструкции машины и ее мощности изменяется в пределах 12 – 30 °С. Таким образом, на 1 кВт потерь необходимое количество воздуха
или 110 – 270 м3/ч.
Для водорода при атмосферном давлении c = 1100 Дж/(°С × м³), и поэтому объемный расход водорода такой же, как и в случае воздушного охлаждения. Удельная объемная теплоемкость водорода изменяется пропорционально давлению, и поэтому при повышенном давлении водорода его объемный расход соответственно уменьшается. Однако массовый расход водорода не зависит от давления и будет в 14,4 раза меньше массового расхода воздуха.
Для воды c = 3500 × 1100 Дж/(°С × м³), а для трансформаторного масла c = 1400 × 1100 Дж/(°С × м³). Соответственно при прочих равных условиях объемный расход воды в 3500 раз меньше, чем воздуха. Это позволяет уменьшить скорость течения воды и сечения каналов.
Источник: Вольдек А. И., "Электрические машины. Учебник для технических учебных заведений" – 3-е издание, переработанное – Ленинград: Энергия, 1978 – 832с.