电机的发热和冷却专家讲座.pptx

电机的发热与冷却电机的发热与冷却电机的发热与冷却电机的发热与冷却第八章 电机发烧与冷却第一节 电机发烧与温升第二节 电机散热第三节 电机工作制、定额与额定容量第四节 电机冷却电机的发热和冷却第1页电机的发热与冷却电机的发热与冷却电机的发热与冷却电机的发热与冷却电机运行时，内部存在各种损耗，如电流在导体内产生绕组损耗、铁心中磁场交变引发铁心损耗、通风和机械摩擦引发机械损耗等。这些损耗都转变为热量，向周围介质传输，使电机各部件温度升高，当温度超出绝缘允许温度时，将造成绝缘乃至电机损坏。要将电机各部件温度控制在允许范围内，首先要降低损耗，降低电机发烧量，另首先要提升电机冷却散热能力。电机的发热和冷却第2页电机的发热与冷却电机的发热与冷却电机的发热与冷却电机的发热与冷却1 电机发烧与温升1.1电机发烧和冷却规律电机中，各种材料导热能力相差很大。从导热角度看，电机不是一个均质物体，其发烧和散热过程非常复杂。所谓均质物体，是指表面各点散热情况都相同且其内部没有温差物体。为简化分析，常把电机或电机某一部件作为均质物体。(1)物体发烧过程在起始时刻，物体温度与周围介质温度相同，向周围介质散热极少，其产生热量绝大部分用于物体温度提升；伴随物体温度升高，物体与周围介质温差增大，散发到周围介质热量增多，物体温度升高速度减缓；当物体发出热量全部散发到周围介质时，物体温度到达稳定。物体温度与环境温度（或周围介质温度）之差，称为物体温物体温度与环境温度（或周围介质温度）之差，称为物体温升升，用表示，单位为开尔文（K）。电机的发热和冷却第3页电机的发热与冷却电机的发热与冷却电机的发热与冷却电机的发热与冷却温升随时间t改变规律为：0物体初始温升；物体稳态温升，即t时温升；T1发烧时间常数发烧时间常数，通常为10150分钟。若初始温升为零，则均质物体发烧方程为均质物体发烧过程曲线如图所表示，是一条指数曲线，通常当t=(34)T1时温升就基本稳定了。电机的发热和冷却第4页电机的发热与冷却电机的发热与冷却电机的发热与冷却电机的发热与冷却电机发烧过程 电机不是均质物体，其发烧过程曲线与上述指数曲线之间在起始阶段有一定差异，这是因为起始时绕组热量散发较难而使铜温升升高得比铁快所致。即使如此，忽略它们之间差异为我们研究电机发烧过程提供了方便。电机发烧时间常数在很大范围内变动，普通约为10-150min。1指数曲线 2实际电机发烧过程曲线 电机的发热和冷却第5页电机的发热与冷却电机的发热与冷却电机的发热与冷却电机的发热与冷却(2)物体冷却过程当均质物体内部停顿产生热量时，物体中储存热量逐步散发到周围介质中，物体温度下降，直至其温度与周围介质温度相同为止。冷却方程为 T2冷却时间常数冷却时间常数，约为发烧时间常数25倍。电机即使不是一个均质物体，但其冷却过程基本特征与均质物体基本相同。图8-3 均质物体冷却过程曲线 电机的发热和冷却第6页电机的发热与冷却电机的发热与冷却电机的发热与冷却电机的发热与冷却1.2绝缘材料绝缘等级及其允许工作温度 在电工技术中，将绝缘材料按其允许工作温度分成若干个耐热等级：A、E、B、F、H级，它们允许工作温度分别为105C、120C、130C、155C和180C。绝缘材料在对应允许工作温度下长久运行，普通不会产生不该有性能改变，通常有1520年使用寿命。当绝缘材料工作温度超出允许工作温度时，使用寿命缩短，绝缘材料使用寿命L可近似表示为A和B为常数，T为绝对温度 依据经验，工作温度每超出A级绝缘允许工作温度8C（B级绝缘10C，F级绝缘12C，H级绝缘14C），绝缘材料寿命缩短二分之一。电机的发热和冷却第7页电机的发热与冷却电机的发热与冷却电机的发热与冷却电机的发热与冷却1.3电机温升程度电机运行时，各部件温升允许极限值称为温升程度温升程度。温升程度基本上取决于绝缘材料允许工作温度和冷却介质温度，也与温度测量方法、传热和散热条件、使用地点等相关。对于当前惯用冷却系统，其冷却介质温度基本上与周围大气温度相同。大气温度随季节和地点改变而改变。我国各地平均最高温度不超出35C，而最高温度普通为3540C，少数地域为4045C。世界各国普通采取大多数地域大气最高温度作为冷却介质温度，所以我国要求40C为冷却介质温度。电机的发热和冷却第8页电机的发热与冷却电机的发热与冷却电机的发热与冷却电机的发热与冷却温度测量方法不一样，会造成测量结果不一样。在要求温升限度同时，还应要求对应温度测量方法。温度计法 该方法直接测量温度，非常简便，但只能测量电机各部分表面温度，无法得到内部最高温度和平均温度。电阻法 绕组电阻R随温度t升高而增大，满足以下规律 利用该规律能够进行绕组温度测量。首先测定室温下温度和绕组电阻，然后使电机运行，当电机温升到达稳定时，将电机停转，快速测量绕组电阻，依据上式可计算出绕组温度。该方法测定是绕组平均温度。电机的发热和冷却第9页电机的发热与冷却电机的发热与冷却电机的发热与冷却电机的发热与冷却埋设温度计法 在进行电机装配时，可在预计工作温度最高地方埋设热电偶或电阻温度计。该方法可测得靠近于电机内部最热点温度。2 电机散热 电机运行时产生各种损耗都要转换为热量，热量从发烧体传到电机表面，再散发到周围环境中。电机传热和散热方式有热传导、对流和热辐射三种形式。2.1热传导 热量从系统一部分传到另一部分或由一个系统传到另一个系统现象称为热传导，热传导，是固体中热量传递主要方式。热传导只发生在空间上温度有差异温度场中，热量总是由高温向低温方向传导。电机的发热和冷却第10页电机的发热与冷却电机的发热与冷却电机的发热与冷却电机的发热与冷却在电机中，电机底座和电机周围空气通常都是不良导热体，所以热传导主要发生在电机内部。电机内热源主要是绕组损耗和铁心损耗，绕组损耗所产生热量借助于热传导作用从绕组穿过绝缘传递到铁心中，与铁心产生热量一起被传导到电机表面。能够看出，绕组热量传导比铁心中热量传导经过材料多，故绕组温度通常高于铁心温度。将温度场中温度相同点连接起来，就得到等温线或等温面。各点热量传导方向总是与该点温度空间改变率最大方向一致，也就是与经过该点等温线或等温面法线方向一致。电机的发热和冷却第11页电机的发热与冷却电机的发热与冷却电机的发热与冷却电机的发热与冷却单位时间内经过单位等温面热量称为热流密度热流密度qQ为单位时间内经过等温面总热量，即热流量热流量；A为等温面面积。热流密度与各点在等温面法线方向上温度空间改变率即温度梯度成正比 为热导率，为温度梯度 当热流沿x方向单方向传导时，热流密度为热流量 电机的发热和冷却第12页电机的发热与冷却电机的发热与冷却电机的发热与冷却电机的发热与冷却对于图所表示平面热传导，热量经过厚度为材料传导时，两侧温差为 称为热阻热阻。将温差、热流和热阻之间关系与电路中电压、电流和电阻之间关系对应，即：温差对应电路中电压，热流对应电路中电流，热阻对应电路中电阻，采取与电路相同热路概念，将温度场分布“场问题”看作“路问题”，得到如图所表示热路图。采取热路图能够方便地进行电机温升计算。图8-4 平面热传导 图8-5平面热传导热路图 电机的发热和冷却第13页电机的发热与冷却电机的发热与冷却电机的发热与冷却电机的发热与冷却2.2对流和辐射在电机中，经过热传导作用传递到电机表面热量通常经过两种方式散发到周围介质中，一是热对流，二是热辐射。热对流热对流是液体或气体中较热部分和较冷部分之间经过循环流动使温度趋于均匀过程，是液体和气体中热传递主要方式。物体因本身温度而含有向外发射能量能力，这种热传递方式叫做热辐射热辐射。在平静大气中，辐射散发热量约占总散热量40。当采取强制对流冷却电机时，辐射散发热量所占百分比很小，能够忽略不计。电机的发热和冷却第14页电机的发热与冷却电机的发热与冷却电机的发热与冷却电机的发热与冷却(1)辐射散热依据史蒂芬波尔兹曼定律，每秒从发烧体单位表面辐射出去热量为(2)对流散热在电机中，绕组、铁心所发出热量以及传导到电机表面热量是经对流作用由流过它们表面流体(如空气)带走。所带走热量可用牛顿散热定律计算热路形式 图8-6 对流散热热路图电机的发热和冷却第15页电机的发热与冷却电机的发热与冷却电机的发热与冷却电机的发热与冷却3 电机工作制、定额与额定容量 3.1工作制工作制是对电机承受负载情况说明，包含起动、电制动、空载、断能停转以及这些阶段连续时间和先后次序。连续工作制S1 短时工作制S2 断续周期工作制S3包含起动断续周期工作制S4包含电制动断续周期工作制S5连续周期工作制S6包含电制动连续周期工作制S7包含变负载变速连续周期工作制S8负载和转速作非周期改变工作制S9离散恒定负载工作制S10 电机的发热和冷却第16页电机的发热与冷却电机的发热与冷却电机的发热与冷却电机的发热与冷却3.2电机定额电机定额定额是由制造厂对符合指定条件电机所要求、并在铭牌上标明电量和机械量全部数值及其连续时间和次序。连续工作制订额 是制造厂对电机负载和各种条件所作要求。短时工作制订额是制造厂对电机负载、运行时间和各种条件要求。周期工作制订额是制造厂对电机负载和各种条件要求。非周期工作制订额是制造厂对电机在对应变速范围内变动负载（包含过载）和各种条件要求。离散恒定负载工作制订额等效负载定额 一个为试验目标而要求定额。电机的发热和冷却第17页电机的发热与冷却电机的发热与冷却电机的发热与冷却电机的发热与冷却3.3额定容量电机额定容量额定容量就是电机额定输出功率。对于发电机来说，额定容量是指输出电功率。对于电动机来说，额定容量是轴端输出机械功率。电机铭牌上通常标有额定值，如额定功率、额定电压、效率和功率因数等。电机运行时，若各种电量（如电压、电流、频率等）和机械量（转速、转矩等）均符合铭牌上要求额定值，则我们称这种运行情况为额定运行。电机额定容量取决于电机发烧和散热条件。电机额定容量越大。额定容量与工作制、使用环境、结构型式和冷却方式相关。电机结构型式不一样，则散热条件不一样，电机额定容量也不一样。如开启式电机散热条件好于封闭式电机，前者额定容量比后者大。电机的发热和冷却第18页电机的发热与冷却电机的发热与冷却电机的发热与冷却电机的发热与冷却电机额定容量还与使用环境相关，若环境温度、冷却介质、海拔和相对湿度等与要求不一样，则要对额定容量进行修正。如在高海拔地域使用，空气稀薄，冷却能力差，则应该降低电机额定容量。冷却方式对电机额定容量影响很大，冷却能力越强，电机各部件温度越低，额定容量越大。电机额定容量还与工作制相关，同一台电机，若运行在不一样工作制下，其额定容量不一样。比如，长久运行时温升要高于短时运行，其额定容量要小于后者。电机额定容量要求还应含有一定灵活性，它不但要供给额定负载，还应能够在短时间内允许适当程度过载而不致使温升超出程度。电机的发热和冷却第19页电机的发热与冷却电机的发热与冷却电机的发热与冷却电机的发热与冷却4 电机冷却伴随电机设计和制造技术发展，电机单机容量不停增大。为减小电机体积、提升材料利用率，通常选取较高电磁负荷，造成电机发烧量增加。要确保电机可靠工作，必须提升电机散热冷却能力，电机散热冷却技术随之发展。在冷却介质方面，首先被采取是空气，以后采取氢、水和油等。在冷却方式方面，从表面冷却表面冷却（外冷）发展到冷却效果很好内部冷却内部冷却（内冷）。4.1表面冷却方式 在电机中，冷却介质经过绕组、铁心和机壳表面，将热量带走，称为表面冷却。表面冷却主要采取空气做冷却介质，含有结构简单、成本低特点，但冷却效果较差，在高速电机中产生摩擦损耗较大，主要用于中小型电机中。电机的发热和冷却第20页电机的发热与冷却电机的发热与冷却电机的发热与冷却电机的发热与冷却 表面冷却按结构可分为自冷自冷、内部风扇自冷内部风扇自冷、外部风扇自冷外部风扇自冷和他扇冷他扇冷。自冷 自冷式电机没有任何冷却装置，仅依靠表面辐射和自然对流使电机得以冷却，散热能力差。内部风扇自冷 内部风扇自冷式电机转子上装有风扇，风扇驱使冷却介质流过电枢表面，并从轴向和径向通风道内经过，将热量带走。外部风扇自冷 外部风扇自冷式电机装有内外两层风扇。这种冷却方式适合用于封闭式和防爆式电机。他扇冷他扇冷式 电机用以供给冷却空气风扇不是由电机本身驱动，而是由另外动力驱动。电机的发热和冷却第21页电机的发热与冷却电机的发热与冷却电机的发热与冷却电机的发热与冷却4.2内部冷却方式大型同时发电机电压较高，绕组采取较厚绝缘层，而绝缘材料导热性能较差，若采取表面冷却方式，即使绝缘外表面得到很好冷却，绝缘内层温度仍可能超出绝缘允许工作温度。为处理这一问题，广泛采取内部冷却方式。所谓内部冷却，就是采取空心导体将冷却介质通入导体内部直接带走热量冷却方式。采取内部冷却，导体热量不再经过绝缘层，而是直接被冷却介质带走，大大提升了冷却效果，改善了绝缘材料工作条件。依据冷却介质不一样，内部冷却方式又分为氢内冷氢内冷、水内冷水内冷和空气内冷空气内冷。电机的发热和冷却第22页电机的发热与冷却电机的发热与冷却电机的发热与冷却电机的发热与冷却氢内冷 冷却介质为氢气。转子绕组采取氢内冷时，绕组和槽楔上有与槽底通风槽相通小孔，氢气可自槽底通风槽进入，冷却转子后再由小孔轴向流入空气隙；也可在转子导体上铣出两排斜向相反扁条状斜孔，全部铜线叠在一起就形成两排不一样方向倾斜风道，氢气自槽楔上正对气流方向风斗进入风道，冷却导体后，由槽楔上背向气流方向风斗排出。空气内冷 冷却介质为空气，冷却结构与氢内冷相同。氢冷发电机组开启复杂，对运行操作人员要求高空气冷却汽轮发电机系统简单，没有充氢、排氢和氢油密封这些复杂结构，运行维修操作简单，没有氢气爆炸危险。其缺点是定子绕组温度高，铜铁温差大，电机效率较氢冷低，转子铜线内易积灰，发电机有效部分尺寸大。电机的发热和冷却第23页电机的发热与冷却电机的发热与冷却电机的发热与冷却电机的发热与冷却水内冷 冷却介质为水。绕组采取管式导线，冷却水沿导线内孔流动，直接将导体热量带走。水内冷冷却方式对冷却水有一定要求。在火电厂中，汽轮机凝结水水质很好，普通用它作冷却水。采取水冷时，有易漏水和需增加一套供水系统等缺点。蒸发冷却 蒸发冷却蒸发冷却技术是我国研发并含有自主知识产权先进技术。空心定子线棒内冷却介质吸收线棒热量而温度升高，到达饱和温度时部分介质沸腾汽化，空心线棒内介质变成汽液混合态两相介质，其密度小于回液管内纯液态介质密度，由此密度差形成流动压头克服阻力后形成无动力自循环，介质进入压力最低冷凝器，与冷却水进行热交换后恢复为液态介质，重新循环。电机的发热和冷却第24页电机的发热与冷却电机的发热与冷却电机的发热与冷却电机的发热与冷却 图8-8 定子绕组水内冷 图8-9 蒸发冷却电机的发热和冷却第25页