Повторно-кратковременным режимом работы называется такой, когда кратковременные рабочие периоды чередуются с называемыми паузами, т.е. с кратковременными периодами остановки или работы без нагрузки.

При повторно-кратковременном  режиме машина может работать с относительной  длительностью рабочего периода, указанной  на ее щитке, сколь угодно времени, причем превышения температуры ее отдельных  частей не должны выходить за пределы, допустимые стандартом.

   Работа ЭМ сопровождается потерями энергии, вследствие чего происходит нагрев частей ЭМ, конструкция которой представляет собой в общем случае анизотропную комбинацию проводниковых, магнитных, изоляционных и конструктивных материалов. Специфика нагрева ЭМ заключается в том, что существенное значение имеют не только температуры машины в целом или ее отдельных частей, но и разность температур между отдельными элементами окружающей средой.

  Наибольшее влияние эти факторы оказывают на изоляцию ЭМ, определяя тем самым срок ее службы.

Под влиянием нагрева изоляция «стареет» , в результате чего происходит тепловой или электрический  пробой. Влияние абсолютной температуры  изучено довольно хорошо  и для  каждого класса изоляции установлена  предельная рабочая температура, превышение которой приводит к сокращению срока  службы изоляции, а следовательно, и  ЭМ. Старение изоляционных материалов, применяющих в электрических  машинах, описывается степенным (экспоненциальным) законом, в соответствии с которым  повышение температуры на определенное число градусов сокращает срок службы в 2 раза по отношению к сроку службы при допустимой температуре

где D -срок службы при температуре ; D_y- срок службы при температуре ; - постоянное повышение температуры, при котором срок службы изоляции уменьшается в два раза; для изоляционных материалов класса А =8 К, класса В =10 К.

Общей задачей  изучения нагрева ЭМ является определение  поля температур, значение распределения  которого позволяет решать задачи теплового  расчета:

• определение максимальной температуры в наиболее нагретой точке;
• определение средних значений перегревов частей электрической машины (или средней температуры.

(М.П. Костенко, Л.М.Пиотровский стр.136-138; Тепловые и вентиляционные расчеты электрических машин: Часть 2 тепловые расчеты стр.3)

19. Обзор методов теплового расчета (на основе  решений дифференциальных уравнений аналитическим или численным методом, метод эквивалентных тепловых  схем замещения)

      Современный тепловой расчет электрических машин  базируется на решениях дифференциальных уравнений теплопроводности в тех  случаях, когда особо важно получить картину непрерывного распределения  температуры в пространстве или  во времени. В других случаях на основе упрощенных уравнений пользуются эквивалентными электрическими схемами для стационарных задач и представлением об однородных телах для задач нестационарных. Существуют синтетические методы, с  успехом использующие особенности  строгих и упрощенных решений.

      Вычислительная  техника в качестве мощного инструмента  применяется независимо от избранного метода теплового расчета и сама содействует выработке новых  методов  (Филиппов И.В. Основы теплообмена в электрических машинахс.282).

20. Тепловые схемы замещения электрических машин (принципы синтеза, закон Кирхгофа для участка цепи, конкретный пример)

 Для  решения  задач  по  определению  температурного поля используют дифференциальное уравнение  теплопроводности

(1)

 

  Это  уравнение  называется  дифференциальным уравнением  теплопроводности  в  частных  производных (ДУТП). Его в отдельных случаях возможно  решать  специальными  численными  методами (методом конечных разностей или методом конечных  элементов),  но  для  инженерных  расчетов  его редуцируют (упрощают). Так для одномерного поля  температур  без  внутренних  источников  тепла уравнение (1) будет иметь вид:

(2)

  Однако  для  инженерных  расчетов  электрических  машин  прямое  решение  уравнений (1), (2)

приводит  к  весьма  сложным  расчетам,  требующим  знание  граничных  и начальных условий, которые  в  большинстве  случаев (особенно  при предварительных  расчетах)  бывают  неизвестными.  Поэтому  при  тепловых  расчетах  электрических  машин всю конструкцию машины разбивают на  отдельные  элементы,  в  которых  тепловые  потоки считают  постоянными.

  Совокупность этих элементов называют «тепловой  схемой  замещения». Таким образом,  тепловой расчет  сводится  к  решению  системы  линейных уравнений, составленных по законам Кирхгофа для электрических  цепей,  поскольку  существует  полная аналогия законов теплопроводности и электропроводности.  Этот  метод  даёт  необходимую  точность  расчета (4 – 10%),  удовлетворительную  для практических целей.

  Первый закон Кирхгофа – алгебраическая сумма магнитных потоков в узле магнитной цепи равно нулю:

  Второй закон Кирхгофа – алгебраическая сумма магнитных напряжений на сопротивлениях любого произвольно выбранного замкнутого контура обхода равна алгебраической сумме МДС, пронизывающих любую поверхность, ограниченную этим контуром обхода.

  Математически второй закон Кирхгофа можно записать в следующем виде:

 

где магнитное напряжение на сопротивлении участка замкнутого контура обхода;МДС, принизывающая контур обхода.

 

      Расчет эквивалентной тепловой схемы

    статора турбогенератора с водяным охлаждением обмотки

Рассмотрим  в качестве примера применение эквивалентных  схем в тепловом расчете статора  турбогенератора с водяным охлаждением  обмотки.

На рис. 20-1 представлено одно зубцовое деление  пакета сердечника с обмоткой, которое  принимается за расчетную ячейку. Эквивалентная тепловая схема замещения  показана на рис. 20-2. Рассматриваются  следующие виды потерь: Р_м— потери в меди обмотки на один зубцовый шаг в одном пакете; Р₂ — потери «в стали зубцов на зубцовый шаг; Р_а— потери в стали цилиндрической части пакета на один зубцовый шаг.

  При составлении эквивалентной схемы замещения предполагается следующая картина течения теплоты. Теплота, выделяющаяся в зубцах статора, движется вдоль листов к расточке статора (Р_dz) и поперек листов к радиальному каналу (Р_qz); часть теплоты направлена вдоль листов к цилиндрической поверхности сердечника (Раz), и, наконец, остающаяся теплота через изоляцию обмотки направлена к воде в каналах (Р_zм). Теплота, выделяющаяся в цилиндрической части сердечника статора, вместе с потоком из зубцов Р_аz движется в направлении поперек листов стали к вентиляционному каналу (Рqa) и вдоль листов к наружной поверхности сердечника (Рdа).

  Потери Р_м направлены к воде в каналах. Так как температура охлаждающей воды отличается от температуры охлаждающего газа, то в цепь сопротивления R_Bα последовательно включена дополнительная ЭДС, которая изменяется в зависимости от температуры воды в обмотке. Cледует также иметь ввиду, что при достаточно высокой температуре воды в каналах поток P_zм может изменить направление на противоположное, т.е. часть потерь обмотки будет поступать в зубец.

  Обозначим теперь тепловые сопротивления:

R_i – тепловое сопротивление изоляции в пакете, град/Вт;

R’_dz – тепловое сопротивление зубца вдоль листов стали, град/Вт;

R’_qz – тепловое сопротивление зубца поперек листов стали, град/Вт;

R’_δα – тепловое сопротивление зубца с поверхности в зазоре машины, град/Вт;

R’_zd – тепловое сопротивление зубца с поверхности в радиальном канале, град/Вт;

R’_za – тепловое сопротивление вдоль листов стали между зубцом и цилиндрической частью сердечника, град/Вт;

R’_qa – тепловое сопротивление цилиндрической части сердечника поперек листов стали, град/Вт;

R’_da – тепловое сопротивление цилиндрической части сердечника вдоль листов стали, град/Вт;

R’_dα – тепловое сопротивление с наружной части поверхности сердечника, град/Вт;

R’_αα – тепловое сопротивление цилиндрической части сердечника с поверхности радиального канала, град/Вт;

R_Bα – тепловое сопротивление с поверхности меди к воде, град/Вт.

Тепловые  сопротивления рассчитываются по  следующим формулам, в которых   где n – число охлаждающих каналов в одном пазу; периметр одного канала, м.

Преобразуем схему на рис. 6 в схему на рис. 7, для чего сложим последовательно  соединенные сопротивления; будем  иметь:

     

Уравнение теплового баланса расчетной  ячейки запишется теперь в виде:

 

Отсюда 

и превышения температуры выразятся следующим  образом:

а) для зубцов

б) для меди

в) для сердечника

(И.Ф.Филиппов: Теплообмен в электрических машинах  §4.75стр.72-75;Скворцов С.С. ,Коварский  М.Е. Особенности теплового расчета гильзованных (герметичных)  электродвигателей стр.11-16)

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Список  литературы

1. Бухгольц Ю.Г.Основы аэродинамических и тепловых расчетов в электромеханике: учеб. пособие/ Ю. Г. Бухгольц, В. А. Тюков, Т. В. Честюнина. – Новосибирск: Изд-во НГТУ,2008. -  201  с.
2. Сипайлов А.Г. Тепловые,гидравлические и аэродинамические расчеты в электрических машинах/ Г.А.Сипайлов, Д.И.Санников, В.А.Жадан – М.,Высш.шк.,1975.
3. Скворцов С.С. Особенности теплового расчета гильзованных (герметичных)  электродвигателей/ С.С.Скворцов  ,М.Е.Коварский//Вопросы электромеханики. – 2009. - №5. – С.11-16.
4. Ковчин С.А., Сабинин Ю.А. Теория электропривода: Учебник для вузов. – СПб.: Энергоатомиздат. Санкт-Петербургское отд-ние, 2000. – 496 с.: ил.
5. Тепловые и вентиляционные расчеты электрических машин: методические указания. Часть 1: Вентиляционные расчеты. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 1997. – 40 с.: ил.
6. Тепловые и вентиляционные расчеты электрических машин: методические указания. Часть 2: Тепловые расчеты. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2000. – 28 с.: ил.
7. Филиппов И.В. Основы теплообмена в электрических машинах. – Л.: Энергия, 1974. – 384 с.:ил.
8. Филиппов И.В. Теплообмен в электрических машинах: Учеб. пособие для вузов. – Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1986. – 256 с.: ил. 
9. Костенко М.П. Электрические машины.Часть1/ М.П. Костенко, Л.М.Пиотровский – М.Энергия,1972- 544с

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Министерство  образования и науки российской федерации

ФЕДЕРВЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра Электромеханики

Реферат

Тепловые и вентиляционные расчеты электрических машин

 
 
 
 
 
 

Выполнил:

Студент:

Проверил:

Преподаватель:

 
 
 
 
 

Новосибирск,2011