Нагревание и охлаждение

Нагревание отдельных частей синхронной машины обусловлено потерями, возникающими в ней при ее работе. Установившиеся превышения температуры этих частей, так же как и для асинхронной машины, не должны превышать определенных пределов, зависящих от класса изоляционных материалов, примененных для ее обмоток.

Для изоляции обмоток статора и ротора гидрогенераторов мощностью 1000 кВА и выше, а также гидрогенераторов напряжением 6300 В и выше независимо от мощности применяются изолирующие материалы класса В, причем эти материалы подвергаются пропитке асфальтобитумным составом. В этом случае допускается превышение температуры обмотки статора не выше 70°С при температуре охлаждающего воздуха 35°С.

Допускаемое превышение температуры обмотки возбуждения в случае, если она выполняется из полосовой голой меди, намотанной на ребро в один ряд с прокладками между витками из изолирующего материала класса В, принимается равным 95°С.

Для изоляции обмоток статора и ротора турбогенератора применяются, как правило, изолирующие материалы класса В. При температуре охлаждающего газа (воздуха или водорода) 40°С допускаются следующие превышения температуры: для обмотки статора, пропитанной асфальтобитумным составом, 65°С, для обмотки ротора 90°С и для активной стали 65°С.

Охлаждение электрической машины, как ранее указывалось, осуществляется посредством обдувания ее нагретых поверхностей воздухом. Охлаждение должно быть тем интенсивнее, чем больше мощность машины. Количество воздуха, которое необходимо прогнать через машину для ее охлаждения, тем больше, чем больше в ней потери. Оно может быть подсчитано:

, м³/с,

где ∑P - сумма потерь, кВт;

с - объемная теплоемкость воздуха, кВт·с/°С·м³;

Δθ - нагрев воздуха при прохождении его через машину, °С.

Нормальные явнополюсные синхронные машины мощностью примерно до 3000…4000 кВА выполняются обычно открытой или защищенной конструкции, при которой воздух проходит с боковых сторон машины и выбрасывается в отверстия корпуса статора. Здесь значительное вентилирующее действие создают полюсы. Если этого действия недостаточно, то на валу с обеих сторон полюсов помещают крыльчатые вентиляторы.

Значительно более совершенной является замкнутая система вентиляции или вентиляция по замкнутому циклу, при которой одно и то же количество воздуха проходит через генератор, воздухоохладители и снова поступает в генератор.

Воздухоохладители состоят из ряда трубок с ребрами, между которыми проходит подлежащий охлаждению воздух; по трубкам воздухоохладителя прогоняется вода.

Замкнутая вентиляция по сравнению с протяжной вентиляцией имеет следующие преимущества:

· почти полное отсутствие пыли в охлаждающем воздухе;

· почти полное устранение опасности появления в воздухе влаги;

· отсутствие длинных подводящих каналов для воздуха;

· значительное уменьшение шума, создаваемого движущимся воздухом.

Все современные турбогенераторы, а также гидрогенераторы мощностью свыше 4000 кВА изготавливаются с вентиляцией по замкнутому циклу. К преимуществам такой вентиляции нужно отнести возможность применения в качестве охлаждающего газа водород. Водородное охлаждение применяется для турбогенераторов, начиная с 25 тыс. кВт и выше. Применяют его также для мощных синхронных компенсаторов. Водородное охлаждение наряду с повышением охлаждающего эффекта значительно уменьшает потери в машине на трение ее вращающихся частей о газ. Его применение наиболее рационально для быстроходных машин с большой окружной скоростью, например для турбогенераторов на 3000 об/мин.

Снижение указанных потерь при применении водорода обусловлено меньшей плотностью этого газа. Он обычно представляет собой смесь, состоящую из 97…98% водорода и 3…2% воздуха. Плотность его составляет около 10% от плотности воздуха, вследствие чего вентиляционные потери при водородном охлаждении уменьшаются примерно в 10 раз по сравнению с воздушным охлаждением. Уменьшение этих потерь приводи к заметному повышению к.п.д. (на 0,8…1,3% при полной нагрузке и еще больше при меньших нагрузках).

В замкнутой системе вентиляции всегда поддерживается избыточное давление водорода [порядка 0,05 кГ/см² (или 0,05 атм) и иногда больше]. Таким образом, в случае нарушения уплотнений исключается возможность проникновения в машину воздуха и образования газовой смеси, опасной в отношении взрыва.

Выше рассматривалось так называемое поверхностное (косвенное) охлаждение, при котором тепло отводится газом с нагретых поверхностей лобовых частей обмоток, стали статора и ротора. При этом неизбежно получается довольно большая разность температур меди обмотки и стенок паза. Ее обычно называют температурным перепадом в пазовой изоляции. Этот температурный перепад в крупных машинах на высокие напряжения достигает значения 30…35°С, которое во многих случаях приходится считать предельным, так как при больших значениях возможно повреждение изоляции из-за различных удлинений пазовой части обмотки и стали, обусловленных различием коэффициентов линейного расширения меди и стали, особенно при большой длине статора и ротора (например, для турбогенераторов). Кроме того, надо учитывать температурный перепад при переходе тепла с поверхности стали статора к охлаждающему газу, который в ряде случаев не удается получить меньше 15…20°С. Следовательно, если учесть еще средний подогрев газа в машине порядка 15°С, то получается предельное допускаемое превышение температуры для обмотки статора. При определении превышения температуры обмотки возбуждения турбогенератора надо прибавить еще температурный перепад в зубцах ротора (10…15°С) при переходе тепла от стенок паза к поверхности ротора, омываемой газом.

Указанные температурные перепады зависят от потерь в обмотках и стали, а также от потерь на трение. Следовательно, эти потери не должны превышать при данных размерах машины некоторых определенных значений. Поэтому при поверхностном охлаждении мы вынуждены брать для обмоток сравнительно небольшие плотность тока и линейную нагрузку, от произведения которых зависит температурный перепад в пазовой изоляции. Этим и объясняется то, что при максимальных допустимых (в отношении прочности материалов) размерах ротора предельной мощностью турбогенератора с поверхностным охлаждением является мощность порядка 150 тыс. кВт.

Повышение мощности турбогенераторов сверх примерно 150 тыс. кВт стало возможным при применении внутреннего непосредственного охлаждения обмоток, когда охлаждающее вещество непосредственно соприкасается с голой медью. В этом случае охлаждение получается весьма эффективным, в особенности если в качестве охлаждающего вещества применяется вода (хорошо очищенная, дистиллированная). Проводники при этом делаются полыми или с вырезами, образующими каналы. Внутри проводников прогоняется газ или вода, подвод которой для обмотки статора делается при помощи шлангов из изоляционного материала. При наличии каналов, образованных вырезами в проводниках, что делается для обмотки ротора турбогенератора, по ним прогоняется водород.

При внутреннем непосредственном охлаждении обмоток турбогенераторов для повышения эффективности теплосъема с нагретых поверхностей давление водорода, циркулирующего внутри машины, доводят до 3…3,5 атм, так как коэффициенты теплоотдачи (Вт/°С·см²) увеличиваются пропорционально абсолютному давлению водорода примерно в степени 0,8. Указанные мероприятия позволили при сохранении тех же размеров значительно повысить мощности турбогенераторов.

Мощности гидрогенераторов в настоящее время также достигают весьма больших значений. Здесь для обмоток статора также предусматривается внутреннее водяное охлаждение. Обмотка возбуждения выполняется таким образом, чтобы ее поверхность, непосредственно омываемая воздухом, была возможно больше. Для этого оставляются промежутки между сердечниками полюсов и катушками, выполняемыми из полых проводников, что создает достаточное увеличение поверхностей, омываемых воздухом, и, следовательно, обеспечивает надлежащие условия охлаждения.

Контрольные вопросы по теме:

1. Почему в синхронной машине статор называют якорем?

2. Почему при больших частотах вращения используют неявно выраженную конструкцию ротора синхронной машины?

3. Почему ротор турбогенератора делают неявнополюсным, а у гидрогенератора ротор с явно выраженными полюсами?

4. Что такое внешняя характеристика синхронного генератора?

5. Чем конструктивно отличается синхронный генератор от синхронного двигателя?

6. Чем отличается синхронный двигатель от асинхронного?