Приближенные методы тепловых расчетов электрических машин

Поможем в ✍️ написании учебной работы

Имя

Поможем с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой

Нажимая кнопку "Продолжить", я принимаю политику конфиденциальности

Приближенные методы тепловых расчетов электрических машин.

Тепловые расчеты требуют разной степени точности. Грубая оценка приводится в книге Балагурова “Проектирование специальных машин переменного тока”.

Электромагнитные нагрузки:

- Линейная нагрузка, A

- Индукция в воздушном зазоре, B

Эти параметры сильно влияют на размер машины. Они варьируются.

где jя=ja – допустимая плотность тока в обмотке якоря.

1 - испарительная система охлаждения

2 - масленое охлаждение

3 - продув забортным воздухом

4 - само вентиляция

5 - естественное охлаждение

Рекомендуется выбирать:

- ja=4¸8[A/мм²] – естественное охлаждение

- ja=7¸10 – для машин с само вентиляцией

- ja=13¸19 – для продува забортным воздухом

- ja=18¸25 – для масленого охлаждения

- ja≥40 – для испарительной системы охлаждения

Приблизительный метод расчета температуры обмотки якоря синхронного генератора.

где

- температура меди якоря

- превышение температуры от потерь над температурой окружающей среды на х.х.

- превышение температуры от потерь над температурой окружающей среды на нагрузке

где

=20°С

- расход воздуха для номинального режима

- расход воздуха для текущего режима

- номинальная частота вращения, [об/мин]

- текущая частота вращения

- номинальная мощность, [кВА]

где

- коэффициент полюсности якоря

=0.009 для 2р=6

=0.012 для 2р=8

- относительная длина машины

(следует выбирать =1)

- коэффициент изменения сопротивления для меди

=1-

- температурный коэффициент электронного сопротивления (табличная величина)

- температура охлаждающего воздуха, °С

- расход воздуха для номинального режима, [г/с]

- расход воздуха для текущего режима, [г/с]

для 2р=6

для 2р=8

Построение тепловых схем замещения электрических машин ЭЛА.

Основы построения ТСЗ.

Закон Фурье:

Закон Ома для электрических цепей постоянного тока:

На этой основе строятся тепловые схемы замещения.

Утюг.

НЭ – нагревательный элемент

Rрк – сопротивление ручка-корпус

Rрв – сопротивление ручка-воздух

Rкв – сопротивление корпус-воздух

Rнк – сопротивление нагревательный элемент-корпус

Т.е. эта схема замещения может быть нарисована по другому через Rэ.

45. Построение тепловой схемы замещения для якоря машины большой мощности.

Как все электрические машины, синхронные машины – обратимы, т.е. могут использоваться как генератор и как двигатель преимущественно большой мощности. Синхронные машины относятся к классу машин 3-х фазного переменного тока.

Частота вращения ротора равна частоте вращения магнитного поля.

Конструкция статора:

В шихтованном сердечнике расположена 3-х фазная обмотка.

Конструкция ротора:

Электромагнит, обмотка которого питается от источника постоянного тока.

Ротор бывает 2-х типов:

- явнополюсный

- неявнополюсный

явнополюсный ротор используется в тихоходных С.М. Обмотка ротора присоединяется к контактным кольцам и с помощью щеток на нее передается постоянное напряжение.

В машинах большой скоростью вращения (турбогенератор, газогенератор) применяется неявнополюсный ротор. Обмотка ротора возбуждает постоянный поток и называется обмоткой возбуждения.

В генераторном режиме ОВ включается на постоянное напряжение. В двигательном режиме кроме постоянного напряжения, подаваемого на ОВ, подается 3-х фазное синусоидальное напряжение на обмотку статора.

Та часть электрической машины, которая индуцирует ЭДС, называется якорем. Поэтому в СМ якорем называется статор машины, а индуктором – ротор СМ.

Обычно генераторы используют как основой источник энергии, поэтому они не работают автономно. Несколько генераторов включают на параллельную работу в СЭС.

На современных самолетах в параллельную работу включают от 2 до 5 генераторов.

Используют бесконтактные синхронные генераторы, которые бывают 2-ух типов:

1) Синхронные генераторы с постоянными магнитами – нет обмотки возбуждения; отсутствие прямого регулирования. Для косвенного регулирования ЭДС в сердечник статора укладывается дополнительная обмотка подмагничивания, которая питается постоянным током.

2) Синхронные генераторы с вращающимся выпрямителем, ОВ питается от дополнительного генератора, смонтированного на одном валу с основным. Дополнительный генератор собирается по обратной схеме ( статорная обмотка – индуктор, роторная – индуцирует ЭДС. На валу смонтирован выпрямитель, преобразующий переменную ЭДС в постоянное напряжение ).

Бесконтактные микродвигатели с однофазной и 3-х фазной обмотками статора применяется в программным механизмах ( электрочасах,… ).

Пуск с двигателя.

При включении двигателя механическая энерция велика и вращательный момент »0, поэтому для пуска СД укладывают короткозамкнутую обмотку («беличье колесо» ).

А) упрощенный Б) развернутый

А) Б)

А) возбуждается пост. магнитами Б)

А) с вращающимся выпрямителем Б)

Синхронные машины охлаждаются продулом забортным воздухом, Þ теплопередача споверхности небольшая, а все тепло выносится потоком забортного воздуха.

Особенность: большой рабочий зазор Þстатор и ротор разделены в тепловом отношении Þ т.с.з. таких машин можно строить отдельно для ротора и статора. Тепловые потери определяются ∆Рмеди и ∆Рстали.

∆Рм + ∆Рст

Эти потери передаются корпусу и продуваемому воздуху.

схема замещения

Для машины …

X=L_Я/D_Я

будем считать передачу тепла незначительной

эквивалентная схема замещения

R₁= (б_л*ρ_1/S₁) + (1/α₁*S₁)

Где б_л- толщина лакового покрытия, м

ρ₁- удельное тепловое сопротивление лака, ºС*м/Вт

S₁- поверхность пакета, соприкасаемая с воздухом, м²

S₁ = π*D_яL_я

α₁- коэф-нт теплопередачи, Вт/м²*ºС

α₁=28*(1+⁴√(V₀²+(0,5*V_т)²))

V_т- тангенциальная состовляющая скорости, м/с

V_т = π*D_я*n/6

V₀- оксиальная составляющая скорости

R₂ = (б_л*ρ_1/S₂) + (1/α₂*S₂)

Где S₂- площадь каналов, м²

S₂ = П_к*L_я*М

Где П_к- периметр каналов, М- число каналов

α₁= α₂

R₃ = R₄ = R₅ = R₆

R₃ = ∑б_i*ρ_i/S₃+ 1/α₃*S₃

Где ∑б_i – суммарная толщина слоев изоляции, м ρ_i- удельное тепловое сопротивление изоляции

α₃- коэф-т теплопередачи лобовых частей якоря

R₃*R₄/(R₃+R₄) * (R₅*R₆/(R₅+R₆)) R_экв = ————————————— R₃*R₄/(R₃+R₄) + (R₅*R₆/(R₅+R₆))

S₃- площадь лобовых частей, поверхности сопротивления

S₃ = a * b, м²

R₇ = ∑б*ρ_n/∑S_n

R₇- тепловое сопротивление от пакета стали к воздушным каналам

Где ∑б- суммарная толщина слоев изоляции паза, м

ρ_n- удельное тепловое сопротивление слоев изоляции, ºС*м/Вт

∑S_n- суммарная площадь пазов

∑S_n = S_n * L_n * Z

S_n- периметр, Z-число пазов статора

R₈ = ∞ - теплопроводность поперечных пазов.

46. Тепловая схема замещения АД с естесственным охлаждением.

Конструктивные особенности АМ.

Асинхронная машина – это машина переменного тока, в которой возбуждается вращающееся магнитное поле. Ротор вращается асинхронно вращающемуся магнитному полю.

Существуют асинхронные двигатели и асинхронные генераторы. Характеристики АД высокие, а характеристики АГ низкие, поэтому асинхроные генераторы используются редко.

Свыше 80% всех электрических машин, используемых в нашей промышленности – трехфазные асинхронные двигатели.

Конструкция:

Статор имеет шихтованный сердечник, в пазах которого расположенна шихтованная обмотка ( 3 катушки, сдвинутые дргу относительно лруга на 120˚)

Ротор бывает двух типов:

- КЗ;

- Фазный.

1) КЗ.

Имеем шихтованный цилиндр с пазами, в который укладываются стержни, электрически замкнутые с двух сторон (белечья клетка), то есть нет коллекторного узла.

АМ - обратимая машина: если n₁>n₂ – двигательный режим;

n₁<n₂ – генераторный режим;

n₁=n₂ – идеальный холостой ход.

Если поле вращается в одну сторону, а ротор вращается посторонней силой в другую сторону, то машина работает в режиме тормоза.

2) Фазный ротор.

В пазы пакета ротора укладывается такая же обмотка, как и в статор. Фазы катушки обмотки соединяются звездой и в конце присоединяются к трем контакным кольцам. Чрез кольца и щетки обмотки ротора включаются на внешний трехфазный реостат, из чего следует искуственное повышение сопротивления.

Двигатель с фазным роторм имеет лучшие условия пуска. Изменение сопротивления ведет к изменению скорости вращения ротора. С точки зрения регулирования – скорость вращения АД хуже, обычно АД приниают в нерегулируемом приводе, но регулировать скорость вращения в КЗ можно:

1) с помощью изменения числа пар полюсов;

2) с помощью изменения частоты.

Задачу пуска АД решают с помощью повышения сопротивления. Пуск КЗ двигателя облегчается при использовании специальной конструкции ротора: в роторе с глубоким пазом стержни белечьей клетки изготавливают в виде пластин и укладывают в глубокий паз, либо ротор делают с двойной белечьей клеткой (верхняя клетка сделана из латуни, а нижняя, имеющая большее сечение, сделана из меди). В момент пуска ток ытесняется в верхнюю латунную клетку. Генераторный режим используется редко – для ограничения скорости вращения вала. Когда исполнительный механизм ускоряет движение, то переводом двигателя в генераторный режим можно осуществить рекуперативное торможение. На транспорте (кораблях, паровозах) устанавливают АГ, которые генерируют ЭДС неустановившейся частоты. Эти генераторы имеют надежную конструкцию и работают со скоростью до 1200 оборотов в минуту, характерны хорошие массогабаритные характеристики. Для компенсации параллельно к обмоткам статора включают конденсатор.

В системах управления автоматики промышленности используют однофазные АД малой мощности. Если на статоре расположить обмотку, то переменный ток будет индуцировать пульсирующий магнитный поток. Однофазный АД не имеет пускового момента. Он будет работать, если ротору сообщить начальное вращение. Для пуска АД на статоре предусматривается пусковая обмотка, ось которой перпендикулярна оси рабочей обмотки. Она включается через конденсатор или сопротивление, что обеспечивает сдвиг фазы тока.

Для пуска однофазного АД с расчлененными полюсами часть каждого полюса охватывают КЗ витком. Поток из витка сдвинут по фазе относительно основного потока. Ротор двигателя с расчлененными полюсами может вращаться в одну сторону.

Двухфазный АД

В одну из фаз включаютконденсатор, поэтому их называют конденсаторными.

Тепловая схема замещения

Особенности АД:

1. Зазор маленький, следовательно потери в статоре и в роторе взаимосвязаны;

2. Как правило, естественное охлаждение, то есть теплопередача от ротора и статора переходит через внутренний воздух;

3. Так как ротор имеет КЗ белечью клетку, то можно считать потери в роторе от меди и стали совместными, следовательно будем рассматривать ротор и статор как единое целое.

Схема замещения:

перегрев меди статора;

сопротивление пазовой изолиции;

;

суммарная толщина слоев изоляции паза;

суммарная площадь паза;

сопротивление от лобовых частей к воздуху;

сопротивление стенки пакета с корпусом

где - зазор между пакетом и корпусом. Обычно, м.

удельное сопротивление перехода от пакета к корпусу

˚С*м/Вт

площадь стыка

внутренний диаметр корпуса

тепловое сопротивление от корпуса к воздуху

где толщина внешнего лакового покрытия

удельное тепловое сопротивление лака

полная поверхность корпуса

коэффициент теплопередачи

где - превышение температуры корпуса над температурой окружающей среды

где толщина покрытия лаком внутренней поверхности

удельное сопротивление лака

боковая поверхность зазора

- коэффициент теплопередачи

сопротивление с поверхностью белечьей клетки

поверхность белечьей клетки

где зазор между валом пакетом железа

˚С*м/Вт

площадь стыка

температура сопротивления от корпуса двигателя в окружающее пространство

зазор лакового покрытия

удельное тепловое сопротивление для данного лака

полная поверхност корпуса

47. Системы охлаждения электрических машин электрооборудования Л.А.

Условия работы Э.Л.А.

а) плотность воздуха ;

где Н-высота над поверхностью земли, км

- плотность воздуха при Н≤11км;

- плотность воздуха при Н>11км;

- плотность воздуха на земле (Н=0);

t_в,°С

20°С

ρ_в

4 8 12 16 20 Н,км

-56,6°С t_в

б) температура воздуха

; при Н≤11км ; при Н>11км

в) давление

; при Н≤11км ; при Н>11км

p₀=760 мм.рт.ст.=1 атм.

V, км/ч	1000	2000	3000	4000	5000
t, °C	38,8	154	241	347	965

48. Классификация систем охлаждения.

Системы охлаждения электрооборудования летательных аппаратов делятся:

по виду охлаждающей среды на:

- воздушные (с естественным охлаждением, с самовентиляцией, продув забортным воздухом);

- жидкостные (испарительные, масляные, комбинированные);

по способу использования хладогента

При испарительной системе охлаждения - на нагретое тело впрыскивается жидкость (обычно вода и спирт). Недостатки такой жидкости это то, что перевозится лишний груз и охлаждаемые элементы подвержены коррозии.

При масляной системе охлаждения - масло прокачивается через внутреннюю полость машины. Давление масла создает привод, расположенный на борту Л.А.

При комбинированной системе охлаждения (охладительно-масляная)- масло впрыскивается на поверхность машины.

Системы с естественным охлаждением используются для машин малой мощности Р≈0,5кВт.

Системы охлаждения с самовентиляцией используются для машин Р≈0,5-3кВт.

Системы охлаждения с продувом забортным воздухом используются для машин Р≈3-18кВт и Н≤18км.

Самым критичными к повышению температуры элементами ЭЛА являются:

1) полупроводниковые приборы (диоды, выпрямительные устройства);

2) смазка подшипников;

3) комплекс изоляции и пропиточных материалов;

4) щеточный узел;

Самая надежная система с естественным охлаждением, затем следует – с продувом заборного воздуха. Наименее надежная – с жидкостным охлаждением.

Наиболее объективные критерии выбора системы охлаждения - вес системы и КПД. Кроме того, конструктор должен обеспечить безопасность, экономичность и регулярность полета.

Виды стопорных винтов.

53. Конвективные системы охлаждения. Системы охлаждения самовентиляцией.

Отвод тепла в таких системах осуществляется за счёт излучений и принудительной конвекции при протягивании воздуха через машину. В некоторых случаях электрическая машина может обдуваться и по наружному периметру, при этом отвод тепла производится от корпуса. Но при внутренней вентиляции от тепла эффективнее. При самовентиляции, вентилятор забирает воздух из окружающего пространства, то есть воздух уже подогретый, вследствие чего, низкая температура забортного воздуха используется не полностью.

Самовентиляция применяется для электрических машин, у которых затруднён продув забортным воздухом из-за места расположения.

В электрических машинах летательных аппаратов используются только вентиляторы центробежного типа, как наиболее эффективные.

Принцип действия вентиляторов центробежного типа: при вращении лопаток частицы выбрасывается в «окно».

Высотные характеристики у систем с самовентиляцией лучше, чем у систем с естественным охлаждением. Однако они применимы до высоты 18 км, из-за свойств воздуха на более высоких высотах.

Режимы полётов вертолётов хорошо согласуются с системой охлаждения самовентиляцией, так как высота полёта - небольшая, а вращение лопастей создаёт эффект вентилятора.

По сравнению с системой естественного охлаждения в коэффициенте теплопередачи , конвективная составляющая больше:

-охлаждение самовентиляцией

-естественное охлаждение

54. Конвективная система охлаждения

продувом забортного воздуха

При данной системе охлаждения конвективная составляющая коэффициента теплопередачи aк значительно увеличивается.

Можно повысить расход воздуха за счет увеличения сечения воздухозаборника.

Расход воздуха при вентиляции и продуве.

Mвс – весовой расход воздуха при самовентиляции.

Qн – расход воздуха

Нв – напор воздуха

Z – гидродинамическое сопротивление

Мвп – весовой расход воздуха при продуве

F – сечение канала

Ндин – динамический напор

Нагрев:

М – число Маха

Vп – скорость полета ЛА Vз – скорость звука

Vз – 1296 км/ч

Если Vз=Vп, то М=1

Тон – температура заторможенного воздуха на данной высоте

Qo – перегрев тела над окружающей средой

Qo - 80 С – допуск при расчетах.

n=0.5 b=1 для Электрических Машин

Пример:

Н=10 км М=2 Qo=80 pн=0.4 pо=1.25

Q=150+100=250 C

55. Гидравлический расчёт системы конвективного охлаждения

Для определения коэффициента теплоотдачи необходимо знать скорость движения хладагента и напор вентилятора (или масляного насоса). Метод расчёта является общим для любой охлаждающей среды.

Рассмотрим гидравлический расчёт на примере воздушной системы с самовентиляцией.

Табл. Коэффициент местного гидравлического сопротивления

Форма провода	x
	1
	0,5
	0,2
	0



	Rп= dк	0,5
	Rп = 2 dк	0,2
	Rп > 6 × dк	0
гладкий канал	Где F – площадь сечение, П – периметр
шероховатый канал

Для расчета полного гидродинамического сопротивления воздухопровода его разбивают на несколько участков, и определяют отдельно сопротивление каждого участка. При этом схема замещения электрической машины имеет следующий вид.

Z1 – сопортивление воздухопровода во входном подшипниковом щите,

Щётки и щёткодержатели

Щётки служат для подвода (съёма) тока к (с) вращающимся кольцам или коллектору. Их работа происходит в тяжёлых условиях:

1) высотность,

2) влажность,

3) повышенная влажность,

4) большие окружные скорости вращения,

5) высокая температура.

Поэтому к ним предъявляются следующие требования:

а) обеспечение устойчивого электрического контакта между щёткой и поверхностью коллектора (контактного кольца),

б) обеспечение минимальных потерь в щётках контакта.

Потери определяются материалом щётки, коэффициентом трения щёточного материала, давлением на изоляцию, площадью контакта и окружной скоростью. Эти потери вызывают нагрев щёточного узла, а, следовательно, приводят к выводу из строя щёток узла.

Щётки изготавливают из порошков меди, олова и свинца, кокса или графита. Получают щётки индивидуальной прессовкой, что позволяет оснастить их необходимой арматурой.

Заделка канатика в щётку производится следующими способами:

1) канатным, для этого применяют посеребрённый медный порошок со связующими веществами;

2) развальцовкой (для щёток больших размеров), требует дополнительной арматуры, шайбы и заклёпки; электрический контакт хуже, чем в первом случае, для его улучшения поверхность щётки (с канатиком) меднят;

3) методом пайки, предварительно поверхность щётки меднится, затем впаивают канатик специальным припоем в отверстие щётки;

4) запрессовкой канатика в тело щётки при индивидуальном прессовании щётки.