Особенности теплового и вентиляционного расчета асинхронных двигателей

Достоверную оценку теплового режима двигателя дает приближенный метод теплового расчета, основанный на упрощенном представлении о характере тепловых связей между элементами электрической машины. В нем используются средние значения коэффициентов теплоотдачи с поверхности и теплопроводности изоляции, характерные для определенной конструкции и технологии производства двигателей данного типа.

Для расчета нагрева асинхронных машин, спроектированных на базе серии 4А, могут быть взяты приведенные в [12] усредненные коэффициенты теплоотдачи с поверхности и теплопроводности изоляции в пазовой и лобовой частях обмоток.

Расчет нагрева проводят, используя значения потерь, полученных для номинального режима, но потери в изолированных обмотках статора и фазного ротора несколько увеличивают по сравнению с расчетными, предполагая, что обмотки могут быть нагреты до предельно допустимой для принятого класса изоляции температуры: при классе нагревостойкости изоляции В — до 120°С, при классе нагревостойкости изоляции F — до 140°С и при классе нагревостойкости изоляции Н — до 165°С. При этом коэффициент увеличения потерь k_r по сравнению с полученными для расчетной температуры составит: для обмоток с изоляцией класса нагревостойкости В. k_r = r ₁₂₀/ r ₇₅=1,15, для обмоток с изоляцией класса нагревостойкости F k_r = r ₁₄₀/ r ₁₁₅=1,07 и для обмоток с изоляцией класса нагревостойкости Н k_r = r ₁₆₅/ r ₁₁₅=1,45.

Электрические потери в обмотке статора разделяются на потери в пазовой части и потери в лобовых частях катушек :

(1.298)

(1.299)

Превышение температуры внутренней поверхности сердечника статора над температурой воздуха внутри машины, °С,

(1.300)

где a ₁ — коэффициент теплоотдачи с поверхности по рис. 1.56—1.58 в зависимости от исполнения машины;

 

Рис. 1.56 Средние значения коэффициентов теплоотдачи с поверхности a₁ подогрева воздуха a_В для асинхронных двигателей исполнения IP44.

а - при h <160 мм; б - при h =160¸250 мм; в - при h ³280 мм с продуваемым ротором.

K — коэффициент, учитывающий, что часть потерь в сердечнике статора и в пазовой части обмотки передается через станину непосредственно в окружающую среду (принимают по табл. 1.30).

Перепад температуры в изоляции пазовой части обмотки статора, °С,

(1.301)

где П_п1 — расчетный периметр поперечного сечения паза статора, равный для полузакрытых трапецеидальных пазов (см. рис. 1.19, а):

(1.302)

(h_п, b ₁, b ₂ — размеры паза в штампе); для прямоугольных открытых и полуоткрытых пазов (см. рис. 1.17 и 1.18)

П_{п 1} = 2(h_п + b_п); (1.303)

b_{из 1} — односторонняя толщина изоляции в пазу; для всыпной обмотки b_{из 1} берется по соответствующим таблицам приложения III.

Для классов нагревостойкости В, F и Н: l_экв =0,16 Вт(м×°С);

— среднее значение коэффициента теплопроводности внутренней изоляции катушки всыпной обмотки из эмалированных проводников с учетом неплотности прилегания проводников друг к другу; значение — по рис. 1.59; для обмоток из прямоугольного провода в (1.301) принимают .

 

 

 

Рис. 1.57 Средние значения коэффициентов теплоотдачи с поверхности a₁ подогрева воздуха a_В для асинхронных двигателей исполнения IP23.

а - при h =160¸250 мм; б - при h ³280 мм.

 

 

Рис. 1.59 Средние значения коэффициентов теплопроводности внутренней изоляции катушек всыпной обмотки из эмалированного провода.

Рис. 1.58 Средние значения коэффициентов теплоотдачи с поверхности a1 подогрева воздуха aВ для асинхронных двигателей исполнения IP23 при U =6000 В.

Перепад температуры по толщине изоляции лобовых частей, °С,

(1.305)

где П_{л 1} - периметр условной поверхности охлаждения лобовой части одной катушки; П_{л 1}» П_{п 1};

b_{из,л 1} - односторонняя толщина изоляции лобовой части катушки по приложению 3. При отсутствии изоляции в лобовых частях b_{из,л 1}=0;

- для всыпной обмотки по рис. 1.59. Для катушек из прямоугольного провода принимают

Превышение температуры наружной поверхности изоляции лобовых частей обмотки над температурой воздуха внутри машины, °С,

(1.306)

Среднее превышение температуры обмотки статора над температурой воздуха внутри машины, °С,

(1.307)

 

Таблица 1.30

Средние значения коэффициента K для асинхронных двигателей серии 4А

 

Исполнение двигателей по способу защиты	Число полюсов двигателя 2 p
IP44	0,22	0,20	0,19	0,18	0,17	0,16
IP23	0,84	0,80	0,78	0,76	0,74	0,72

 

Превышение температуры воздуха внутри машины над температурой окружающей среды определяется в предположении, что температура корпуса равна температуре воздуха внутри машины. При этом условии

(1.308)

где — сумма потерь, отводимых в воздух внутри двигателя, Вт;

a_в — коэффициент подогрева воздуха, Вт/(м²×°С), учитывающий теплоотдающую способность поверхности корпуса и интенсивность перемешивания воздуха внутри машины (рис. 1.56—1.58);

S_кор — эквивалентная поверхность охлаждения корпуса, м².

Для двигателей со степенью защиты IР23

(1.309)

где

(1.310)

å Р — сумма всех потерь в двигателе при номинальном режиме и расчетной температуре;

(1.311)

Для двигателей со степенью защиты IР44 при расчете не учитывают также мощность, потребляемую наружным вентилятором, которая составляет примерно 0,9 суммы полных механических потерь:

(1.312)

где å Р^’ — по (1.310).

При расчете S_кор учитывают поверхность ребер станины:

(1.313)

где П_р — условный периметр поперечного сечения ребер станины; значение П_р может быть взято приближенно по кривой рис. 1.60.

Среднее превышение температуры обмотки статора над температурой окружающей среды, °С,

(1.314)

Из-за приближенного характера расчета D J ₁ должно быть по крайней мере на 10% меньше, чем допускаемое превышение температуры для принятого класса изоляции.

 

Рис. 1.60 Средние значения периметра поперечного сечения ребер асинхронных двигателей серии 4А.

Рис. 1.61 Средние значения коэффициентов теплоотдачи с поверхности фазных роторов асинхронных двигателей с U Н=6000 В исполнения IP23.

 

Превышение температуры обмотки фазного ротора определяется аналогично в следующей последовательности.

Превышение температуры магнитопровода ротора над температурой воздуха внутри машины, °С,

(1.315)

где a ₂ - коэффициент теплоотдачи с поверхности — по рис. 1.61—1.62;

— электрические потери в пазовой части обмотки ротора:

(1.316)

Перепад температуры в изоляции пазовой части обмотки ротора, °С,

(1.317)

где П_{п 2} — периметр паза ротора. Для прямоугольных пазов

(1.318)

Превышение температуры наружной поверхности лобовых частей над температурой воздуха внутри машины, °С,

(1.319)

где — электрические потери в лобовых частях обмотки, Вт:

(1.320)

Перепад температуры в изоляции лобовых частей обмотки ротора, °С,

(1.321)

где П_{л 2} — периметр поперечного сечения условной поверхности охлаждения лобовой части одной катушки: П_{л 2}= П_{п 2};

b_{из,л 2} — односторонняя толщина изоляции лобовых частей.

Среднее превышение температуры обмотки ротора над температурой воздуха внутри двигателя, °С,

(1.322)

Среднее превышение температуры обмотки ротора над окружающей средой, °С,

(1.323)

Вентиляционный расчет асинхронных двигателей, так же как и тепловой на первоначальном этапе проектирования, может быть выполнен приближенным методом [12]. Метод заключается в сопоставлении расхода воздуха, необходимого для охлаждения двигателя и расхода, который может быть получен при данной конструкции и размерах двигателя.

 

 

Рис. 1.62 Средние значения коэффициентов теплоотдачи с поверхности фазных роторов асинхронных двигателей с U _Н£6000 В.

а - исполнения IP44 с продуваемым ротором; б - исполнения IP23.

 

Для двигателей, спроектированных на базе серии 4А со степенью защиты IР23, требуемый для охлаждения расход воздуха, м³/с,

(1.324)

где — по (1.312);

— превышение температуры выходящего из двигателя воздуха над температурой входящего; приближенно =2D J_в, где D J_в — по (1.308).

Расход воздуха, который может быть получен при данных размерах двигателя, оценивается по эмпирической формуле

(1.325)

где n_к и b_к — число и ширина радиальных вентиляционных каналов, м;

n — частота вращения двигателя, об/мин;

m — коэффициент (m =2,6 для двигателя с 2 р =2; m =3-15 для двигателя с 2 p ³4).

Формула (1.325) приближенно учитывает суммарное действие всех нагнетательных элементов в двигателе: лопаток на замыкающих кольцах литой клетки, вылетов стержней при сварных клетках короткозамкнутых роторов, лобовых частей фазных роторов, вентиляционных распорок в радиальных каналах и др.

Для двигателей со степенью защиты IР44 требуемый для охлаждения расход воздуха, м³/с,

(1.326)

где k_m — коэффициент, учитывающий изменение условий охлаждения по длине поверхности корпуса, обдуваемого наружным вентилятором:

(1.327)

Коэффициент m =2,6 для двигателей с 2 р =2 при h £132 мм и m =3,3 при h ³160 мм; m =1,8 для двигателей с 2 р ³4 при h £132 мм и m =2,5 при h ³160 мм.

Расход воздуха, обеспечиваемый наружным вентилятором при конструктивном исполнении и размерах, принятых в двигателях серии 4А, может быть приближенно определен по следующей формуле:

(1.328)

Расход воздуха должен быть больше требуемого для охлаждения машины Q_в.