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=r₁₂₀/r₇₅=1,15, для обмоток с изоляцией класса нагревостойкости F k_r=r₁₄₀/r₁₁₅=1,07 и для обмоток с изоляцией класса нагревостойкости Н k_r=r₁₆₅/r₁₁₅=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 a₁ — 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 h³280 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, b₁, b₂ — размеры паза в штампе); для прямоугольных открытых и полуоткрытых пазов (см. рис. 1.17 и 1.18)

П_п1 = 2(h_п + b_п); (1.303)

b_из1 — односторонняя толщина изоляции в пазу; для всыпной обмотки b_из1 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 h³280 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_л1 - периметр условной поверхности охлаждения лобовой части одной катушки; П_л1»П_п1;

b_из,л1 - односторонняя толщина изоляции лобовой части катушки по приложению 3. При отсутствии изоляции в лобовых частях b_из,л1=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 2p
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)

åР — 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 åР^’ — 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 DJ₁ 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 UН=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 a₂ - 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_п2 — 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_л2 — периметр поперечного сечения условной поверхности охлаждения лобовой части одной катушки: П_л2=П_п2;

b_из,л2 — 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 =2DJ_в, где DJ_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 2р=2; m=3-15 для двигателя с 2p³4).

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 2р=2 при h£132 мм и m=3,3 при h³160 мм; m=1,8 для двигателей с 2р³4 при h£132 мм и m=2,5 при h³160 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.