Глава 31 Охлаждение электрических машин

§ 31.1. Нагревание электрических машин и трансформаторов

Работа электрической машины или трансформатора всегда сопровождается ее нагреванием, что являет­ся следствием происходящих потерь энергии. Все виды потерь энергии в итоге преобразуются в теп­лоту, которая частично отдается в окружающую среду, а частично идет на нагревание машин. Для выяснения закона нагревания электрических машин условно считают, что нагрев происходит равномер­но по всему объему машины, а теплота одинаково рассеивается со всей ее поверхности.

Напишем уравнение теплового баланса при ука­занных условиях:

Qdt = Gcdx + Sλτdt, (31.1)

где Qdt — количество теплоты, выделяемой в маши­не за время dt; Q — количество теплоты, выделяе­мой в машине в единицу времени; t — время; Gcdx — количество теплоты, поглощаемой частями машины и расходуемой на их нагревание; G — масса нагреваемой машины; с — удельная теплоемкость, т. е. количество теплоты, необходимой для нагрева­ния 1 кг данного вещества на 1 °С;

τ -превышение температуры машины над температурой окружаю­щей среды; Sλτdt — количество теплоты, рассеива­емой с поверхности машины в окружающее про­странство; S — площадь поверхности, с которой рассеивается теплота; λ— коэффициент теплового рассеяния, который представляет собой количество теплоты, рассеиваемой с единицы поверхности ма­шины в 1 с при повышении температуры на 1 °С.

В начальный период работы машина имеет тем­пературу, практически не отличающуюся от темпе­ратуры окружающей среды, т.е. т≈0. В этом слу­чае Sλτdt≈ 0, а поэтому вся теплота, выделяемая в машине, идет на повышение температуры ее час­тей. Затем количество теплоты, рассеиваемой в ок­ружающую среду, увеличивается. И наконец, через

некоторое время машина настолько нагревается, что вся теплота, выделяющаяся в машине, будет рассеиваться в окружающую среду. При этом дальнейшее повышение температуры машины прекратится и наступит режим теплового равновесия, при котором вся теплота, выделяемая в машине, рассеивается с ее поверхности в окружающую среду:

Qdt = Sλτycтdt, (31.2)

где туст — установившаяся температура перегрева машины, т. е. наибольшее возможное превышение температуры машины над температурой окружающей среды 0i в данных условиях, °С;

τуст == θуст-θ1

где 9уСТ — установившаяся температура нагрева машины, °С. Из (31.2) следует, что

τуст = Q/(Sλ), (31.3)

т. е. установившаяся температура перегрева машины не зависит от массы.машины, а определяется количеством: теплоты, выделяе­мой в машине в единицу времени, площадью охлаждаемой по­верхности и коэффициентом рассеяния.

Зависимость температуры перегрева машины τ от времени τ выражается равенством

τ = τуст (1 –e^-t/T), { (31.4)

где е = 2,718 — основание натуральных логарифмов; Т — по­стоянная нагревания, показывающая то время, в течение которо­го данное тело нагревалось бы до наибольшей установившейся температуры, если бы не было рассеяния теплоты.

Кривая нагревания т = f(t), построенная в соответствии с (31.4), показывает, что электрическая машина достигает уста­новившейся температуры перегрева лишь по истечении длитель­ного времени (рис. 31.1,а). Проведя касательную к кривой x — f(t) в ее начальной части, получим отрезок, численно равный постоянной 'нагревания Т. Если прекратится нагревание машины, например при отключении машины от сети, то уравнение тепло­вого баланса примет вид

0 = Gcdt + Sλτdt,

или

— Gcdt = Sλτdt, (31.5)

т. е. излучение теплоты с поверхности машины будет происходить за счет теплоты, накопленной в ней, и поэтому машина начнет охлаждаться. Изменение температуры перегрева в процессе ох­лаждения машины происходит согласно выражению

τ= τустe ^–t/T(31.6)

Кривая охлаждения х == f(t) представлена на рис. 31.1,6. Изложенные законы нагревания и охлаждения электрических машин применимы и для трансформаторов.

Рис. 31.1. Кривые нагревания (а) и охлаждения (б) электрической машины

Наиболее чувствительна к перегреву электрическая изоляция обмоток. Под действием высоких температур происходит тепло­вое старение изоляции, проявляющееся в ухудшении ее электро­изоляционных и механических свойств. Электроизоляционные материалы, применяе­мые в электрических машинах и трансфор­маторах, делят на пять классов нагревостойко­сти. Каждому классу соответствует допусти­мая предельная темпе­ратура нагрева, при ко­торой изоляция может надежно работать в те­чение длительного вре­мени (см. § 8.4). При превышении указанной температуры срок служ­бы изоляции резко со­кращается.

Сильный перегрев машины может отрицательно повлиять и на другие ее элементы. Так, например, при значительном пере­греве коллектор может потерять цилиндрическую форму, могут нарушиться пайки в «петушках» или же могут выйти из строя подшипники. Стандарты устанавливают предельно допустимые превышения температуры частей электрических машин и транс­форматоров. В соответствии с ГОСТ 183—74 за температуру окру­жающей газообразной среды принята температура 40°С. Исходя из этого превышание температуры какой-либо части машины (°С) определяется выражением

τуст = θуст - 40, (31.7)

где θуст —установившаяся температура нагрева данной части машины, °С.

Определение установившейся температуры нагрева обмотки 0уСт методом сопротивления состоит в измерении активного со­противления этой обмотки до включения машины Г\ и после ее работы в течение времени, за которое температура нагрева об­мотки достигнет установившегося значения г2. Продолжитель­ность этого времени зависит от режима работы машины и ее массы и может составлять от 2 до 5 ч. Температура нагрева об­мотки (°С)

θyct=[(r2-r1)/αr1]+ θ (31.8)

где 0i — температура обмотки до включения машины, °С; а — температурный коэффициент, для меди и алюминия а = = 0,004 1/°С.

При расчете электрической машины или трансформатора сле­дует выбирать удельные нагрузки (плотность тока, магнитная индукция) такими, чтобы превышения температуры частей этой машины или трансформатора были достаточно близки к установ­ленным стандартом предельным значениям. Если удельные на­грузки принять заниженными, то превышение температуры ока­жется намного ниже установленной стандартом, что приведет к худшему использованию активных материалов в проектируемом изделии, т. е. к неоправданному увеличению его размеров. Если же принять завышенные значения удельных нагрузок, то превы­шение температуры проектируемого изделия окажется недопусти­мо высоким, что вызовет снижение его КПД и сократит срок его службы. Поэтому основная задача при проектировании электри­ческих машин и трансформаторов — выбор оптимальных (наи­лучших) соотношений удельных электромагнитных нагрузок, с тем чтобы получить надежное изделие с высокими технико-эконо­мическими показателями.

§ 31.2. Номинальные режимы работы электрических машин

В зависимости от характера изменения нагрузки различают три основных номинальных режима работы электрических'ьмашин.

Продолжительный номинальный режим. Это режим работы при неизменной номинальной нагрузке, продолжающийся столько времени, что превышение температуры всех частей машины при неизменной температуре окружающей среды достигает устано­вившихся значений туст (рис. 31.2, а). Условное обозначение ре­жима S1.

Кратковременный номинальный режим. Это режим работы, при котором периоды неизменной номинальной нагрузки череду­ются с периодами отключения машины; при этом периоды нагруз­ки /„ настолько кратковременны, что температура всех частей машины не достигает установившегося значения, а периоды отключения машины настолько длительны, что все части ее успе­вают охладиться до температуры окружающей среды (рис. 31.2, б). Условное обозначение режима S2.

Повторно-кратковременный номинальный режим. Это режим работы, при котором кратковременные периоды неизменной номи­нальной нагрузки t„ чередуются с периодами отключения машины (паузами) 4, причем за период нагрузки превышение темпера­туры всех частей машины не успевает достигнуть установивших­ся значений, а за время паузы части машины не успевают охла­диться до температуры окружающей среды. При этом общее вре- мя работы разбивается на периодически повторяющиеся циклы tц — tн+tп. Условное обозначение режима S3.

При повторно-кратковременном режиме работы кривая нагре­вания машины имеет пилообразный вид (рис. 31.2, б). При достижении частями машины установившихся значений пре­вышения температуры, соответствующих повторно-кратковремен- ному режиму Туст.к, превышение температуры этих частей продол-

Рис. 31.2. Графики т = f{t) для продолжительного (а), кратковременного (б) и повторно-кратковременного (в) режимов работы электрических машин

жает колебаться от tmin до ттах меньше установившейся темпера­туры перегрева при продолжительном режиме работы туст-

Повторно-кратковременный режим характеризуется относи­тельной продолжительностью включения (%)

ПВ = (tн/tц) 100.

ГОСТ 183—74 предусматривает номинальные повторно-крат­ковременные режимы с ПВ, составляющими 15; 25; 40 и 60%. Для продолжительного режима ПВ = 100%.

Так как при номинальных кратковременном и повторно-крат­ковременном режимах температура перегрева машины ниже, чем при номинальном продолжительном режиме, то при переводе машины из продолжительного режима в кратковременный или повторно-кратковременный режим работы ее полезная мощность может быть увеличена. Например, при ПВ = 60% полезная мощность машины может быть увеличена до 1,ЗР∞; при ПВ = — 40 % — до 1,6Р∞; при ПВ = 25 % — до 2Р∞, где Р∞— номи­нальная мощность машины при продолжительном режиме.

Кроме перечисленных трех основных номинальных режимов еще возможны: повторно-кратковременный с частыми пусками с ПВ=15, 25, 40, 60 % и числом включений в час 30, 60, 120, 240, условное обозначение режима S4; повторно-кратковре­менный с частыми пусками (по режиму S4), но. еще и с электри­ческим торможением, условное обозначение режима S5; переме­жающийся с продолжительностью нагрузки НП=15, 25, 40, 60 % и продолжительностью одного цикла 10 мин, услов­ное обозначение режима S6; перемежающийся с частыми ревер­сами и электрическим торможением с числом реверсов в час 30, 60, 120, 240, условное обозначение режима S7; перемещающийся с двумя (и более) частотами вращения с числом циклов в час 30, 60, 120, 240, условное обозначение режима S8.

§ 31.3. Охлаждение электрических машин

Из уравнения теплового баланса

Qdt= Gcdτ+ Sτdt=Q1 + Q2

следует, что теплота, выделяемая в электрической машине, лишь частично затрачивается на ее нагревание (Q1 = Gcdτ), а частично (Q2) рассеивается с поверхности машины, главным образом пу­тем конвекции — переносом потоками воздуха.

По способу охлаждения электрические машины разделяют на два вида: машины с естественным охлаждением и машины с искусственным охлаждением.

Машины с естественным охлаждением. Эти машины не имеют вентиляторов или каких-либо других устройств, способствующих охлаждению машины. Охлаждение происходит в основном естест­венным путем за счет теплопроводности и конвекции.

Теплопроводность — это передача теплоты внутри твердого тела. Например, пазовые части обмотки статора, нагреваясь, передают теплоту через слои пазовой изоляции в сердечник. Через места крепления сердечника теплота передается в корпус статора. Передача теплоты теплопроводностью происходит от более нагретых сЛоев твердого тела к менее нагретым.

Конвекция состоит в том, что частицы газа (воздуха), со­прикасающиеся с поверхностью нагретого тела (лобовые части обмоток, сердечники, корпус), нагреваются, становятся легче и поднимаются кверху, уступая свое место менее нагретым части­цам, и т.д. Такая конвекция называется естественной. Во вращающейся машине имеет место еще и искусствен­ная конвекция, обусловленная вращением ротора (якоря), ко­торый создает принудительную циркуляцию газа (воздуха), что усиливает эффект конвекции внутри машины. Естественное ох­лаждение обычно применяют либо в открытых машинах большой мощности, либо, в закрытых машинах небольшой мощности, ра­бота которых не сопровождается значительным нагревом. На­пример, в двигателях постоянного тока серии 2П закрытое испол­нение с естественным охлаждением применено при мощности до 8 кВт.

Машины с искусственным охлаждением. В этих машинах при­меняют специальное устройство, обычно вентилятор, создающий движение в машине газа, охлаждающего нагретые части маши­ны. Значительную группу машин с искусственным охлаждением составляют машины с самовентиляцией, у которых вен­тилятор закреплен на валу машины; в процессе работы он, вра­щаясь, создает аэродинамический напор, необходимый для «про­гона» охлаждающего газа через машину. Самовентиляция может быть наружной и внутренней.

При наружной самовентиляции воздухом обдувается внешняя поверхность корпуса статора (станины). Машина в этом случае имеет закрытое исполнение с ребристой поверхно- стью (для увеличения поверхности охлаждения). Устройство асинхронного двигателя с наружной самовентиляцией (наруж­ным обдувом) показано на рис. 10.2.

При внутренней самовентиляции в корпусе и подшипни­ковых щитах машины делают специальные отверстия, через кото­рые воздух из окружающей машину среды проникает внутрь ма­шины, охлаждает ее, а затем выбрасывается наружу.

Рис. 31.3. Принцип внутренней самовентиляции электрической

машины

Принцип внутренней самовентиляции, получивший в электри­ческих машинах преимущественное применение, иллюстрирует рис. 31.3. На валу машины закреплен центробежный вентилятор. Вращаясь вместе с валом машины, он затягивает через отвер­стие в правом подшипниковом щите воздух, создавая внутри машины аэродинамический напор, под действием которого воз­дух прогоняется через внутреннюю полость машины. Воздух проходит через вентиляционные каналы, зазор и межполюсное пространство (при явнополюсной конструкции машины). При этом он «омывает» нагретые части машины: сердечники статора и ротора (якоря), лобовые части обмоток, полюсные катушки. В результа­те воздух отбирает теплоту от нагретых частей (тепловые потоки показаны на рисунке красными и зелеными стрелками) и в на­гретом состоянии выходит через специальные отверстия (жа­люзи) в левом подшипниковом щите со стороны, противополож­ной вентилятору. Температура воздуха на выходе машины 02 больше температуры воздуха на входе машины 0ь

Повышение температуры воздуха (или другого газа) при про­хождении через машину (°С)можно определить, если известны расход газа V (м3) и его удель­ная теплоемкость cv [Дж/(м3 • °С) ]:

τr= ΣPi/(Vcυ), (31.10)

где 2 Pi — суммарные потери, теплота которых удаляется охлаж­дающим газом, Вт. Удельная темплоемкость для воздуха и водо­рода с„= 1,Ы03 Дж/ (м3• °С).

Рис. 31.4. Аксиальная (а) и радиальная (б) системы вентиляции: 1 — статор; 2 — ротор

Для более эффективного охлаждения в магнитопроводе неко­торых электрических машин делают вентиляционные каналы, через которые проходит охлаждающий газ. Вентиляционные ка­налы называют аксиальными, если они расположены параллель­но оси ротора (рис. 31.3), и радиальными, если они расположены перпендикулярно оси машины. Вентиляцию, при которой охлаж­дающий газ перемещается вдоль оси машины, называют аксиаль­ной (рис. 31.4, а), если же газ перемещается перпендикулярно оси машины по радиальным каналам, то вентиляцию называют радиальной (рис. 31.4,6).

Радиальные вентиляционные каналы получаются делением об­щей длины сердечника на пакеты по 40—60 мм. Между пакетами оставляют промежутки по 10 мм, которые и являются радиальны­ми каналами. Иногда в машинах применяют радиально-аксиаль- ную вентиляцию.

В двигателях с регулировкой частоты вращения вниз от номи­нальной при малой частоте вращения самовентиляция становится малоэффективной. Это ведет к чрезмерному перегреву машины. Поэтому в таких двигателях целесообразно применение независи­мой вентиляции, когда вентилятор имеет собственный привод (частота вращения последнего не зависит от режима работы ма­шины). Независимую вентиляцию применяют также для охлаж­дения электрических машин, работающих во взрывоопасной или химически активной среде. В этом случае вентилятор 4 (рис. 31.5, а) через трубопровод 3 нагнетает воздух в машину 1 и по трубе 2 выбрасывает его наружу. Такая система независимой вентиляции называется разомкнутой в отличие от замкнутой си­стемы (рис. 31.5,6), когда один и тот же объем газа циркулирует в замкнутой системе, состоящей из двигателя (объект охлажде-
ния) /, независимого вентилятора 2 трубопровода 3 и 5 и охла­дителя 4, в котором охлаждается нагретый в машине газ.

Рис. 31.5. Разомкнутая (а) и замкнутая (б) независимые системы вентиляции

Все способы охлаждения электрических машин принято обозначать буквами 1С, являющимися начальными буквами анг­лийских слов /nternational Cooling, остальные буквы и цифры обозначают способ охлаждения машины. Сначала указывается буква, обозначающая вид хладагента: А — воздух, Н — водород, W— вода и т. д. Если хладагентом является толь­ко воздух, то буква опускается. Затем идет несколько цифр: первая цифра условно обозначает устройство цепи охлаждения для циркуляции хладаген­та, например воздуха, вторая — способ перемещения хладагента. Если машина имеет несколько цепей охлаждения (на­пример, внутренняя вентиляция и на­ружный обдув), то в обозначении может быть четыре цифры: две — для обозна­чения наружной цепи охлаждения и две — для внутренней.

Ниже приведены примеры обозна­чения наиболее распространенных спо­собов охлаждения электрических ма­шин:

IC01 — защищенная машина с самовентиля­цией; вентилятор расположен на валу машины.

IC37 — закрытая машина с подводящей и отводящей трубами; машина охлаждается вентилятором с приводным электродвигателем, не установленным на машине.

IC0041 — закрытая машина с естественным охлаждением.

IC0141 — закрытая машина, обдуваемая на­ружным вентилятором, расположенным на валу машины.

§ 31.4. Охлаждение крупных электрических машин

В крупных электрических машинах применяют замкнутую си­стему вентиляции с использованием водорода в качестве охлаж­дающего газа. Особые свойства водорода обеспечивают водород­ному охлаждению ряд преимуществ:

1. Технический водород более чем в десять раз легче воздуха, что способствует снижению потерь на вентиляцию, а следова­тельно, повышает КПД машины. Например, в турбогенераторе мощностью 150 тыс. кВт потери на вентиляцию при воздушном охлаждении составляют 1000 кВт, а при водородном охлаждении турбогенератора такой же мощности эти потери составляют всего лишь 140 кВт, т. е. более чем в семь раз меньше.Благодаря повышенной теплопроводности водорода, кото­рая в 6—7 раз больше, чем у воздуха, он интенсивнее охлажда­ет машину. Это дает возможность при заданных габаритах изго­товить машину с водородным охлаждением мощностью на 20— 25 % больше, чем при воздушном охлаждении.

Водородное охлаждение снижает опасность возникновения пожара в машине потому, что водород не поддерживает горения.

Водородное охлаждение увеличивает срок службы изоля­ции обмоток, так как при явлении короны благодаря отсутствию азота в машине не образуются нитраты — соединения, разъедаю­щие органические составляющие изоляционных материалов.

Эффективность водородного охлаждения повышается с рос­том давления водорода в машине. Но на ряду с перечисленными достоинствами водородное охлаждение имеет и недостатки, сущ­ность которых сводится к тому, что водородное охлаждение ведет к усложнению и удорожанию как самой машины, так и ее эксплуатации. Объясняется это в первую очередь необходимо­стью содержания целого комплекса устройств водородного хозяй­ства, обеспечивающего подпитку, очистку и поддержание требуе­мого давления водорода в системе охлаждения машины. Однако в машинах большой единичной мощности (турбогенераторах, гид­рогенераторах, синхронных компенсаторах) водородное охлажде­ние оправдано и дает большой экономический эффект.

Рассмотренные способы охлаждения машин являются кос­венным и, так как происходят без непосредственного контак­та охлаждающего вещества с наиболее нагретыми элементами машины — обмотками. Отбор теплоты от обмоток при этих спосо­бах охлаждения происходит через электрическую изоляцию (в лобовых частях) и сталь магнитопровода, что снижает эффек­тивность процесса охлаждения. Поэтому более эффективным является непосредственное охлаждение обмоток и дру­гих нагреваемых элементов машины. Для осуществления этого способа охлаждения в проводниках обмотки и сердечниках де­лают внутренние каналы, по которым циркулирует охлаждаю­щее вещество — водород, вода, масло.

Непосредственный контакт охлаждающего вещества с провод­никами обмоток и внутренними слоями магнитопроводов повы­шает интенсивность теплоотвода и позволяет существенно увели­чить удельные электромагнитные нагрузки машины (плотность тока и максимальное значение магнитной индукции). Обычно непосредственное охлаждение применяют в электрических маши­нах весьма большой мощности — турбо- и гидрогенераторах, что позволяет значительно увеличить единичную мощность этих машин. Так, благодаря использованию непосредственного спосо­ба охлаждения были созданы турбогенераторы единичной мощ­ности 800 и 1200 тыс. кВт. Дальнейшее совершенствование си­стем охлаждения позволит создавать электрические машины еще большей единичной мощности с высокими технико-экономически­ми показателями.

§ 31.5. Охлаждение трансформаторов

Отсутствие у трансформаторов вращающихся частей умень­шает нагрев трансформатора из-за отсутствия механических по­терь, но это же обстоятельство усложняет процесс охлаждения, так как исключает применение в трансформаторах самовентиля­ции. По этой причине основной способ охлаждения трансформа­торов — естественное охлаждение. Однако в трансформаторах значительной мощности с целью повышения удельных электро­магнитных нагрузок применяют более эффективные методы охлаждения. Наибольшее применение получили следующие спо­собы охлаждения трансформаторов.

Естественное воздушное охлаждение. Все нагреваемые части трансформатора непосредственно соприкасаются с воздухом. Их охлаждение происходит за счет излучения теплоты и естест­венной конвекции воздуха. Иногда такие трансформаторы снаб­жают защитным кожухом, имеющим жалюзи или же отверстия, закрытые сеткой. Этот вид охлаждения применяют в трансформа­торах низкого напряжения при их установке в сухих закрытых помещениях.

Естественное масляное охлаждение. Магнитопровод с обмот­ками помещают в бак, заполненный трансформаторным маслом, которое омывает нагреваемые части трансформатора, путем кон­векции отводит теплоту и передает ее стенкам бака, последние, в свою очередь, охлаждаются путем излучения теплоты и конвек­ции воздуха. Для увеличения охлаждаемой поверхности бака его делают ребристым или же применяют трубчатые баки (см. рис. 1.13). "В трансформаторах большой единичной мощности трубы объединяют в радиаторы (радиаторные баки). Нагретые частицы масла поднимаются в верхнюю часть бака и по трубам опуска­ются вниз. При этом, соприкасаясь со стенками труб, масло охлаждается. Трансформаторное масло обладает высокими элек­троизоляционными свойствами, поэтому, пропитывая изоляцию обмоток, оно улучшает ее свойства и повышает надежность трансформаторов при высоких напряжениях. Это особенно важно для трансформаторов, устанавливаемых на открытых площадках. Следует заметить, что масляное охлаждение усложняет и удоро­жает эксплуатацию трансформаторов, так как требует системати­ческого контроля за качеством масла и периодической его за­мены.

Масляное охлаждение с дутьем. Трансформаторы снабжают электрическими вентиляторами, которые обдувают радиаторы трансформатора. Конвекция масла внутри бака остается естест­венной. Этот вид охлаждения позволяет увеличить единичную мощность трансформатора на 40—50%. Обычно масляное ох­лаждение с дутьем применяют в трансформаторах мощностью свыше 10 ООО кВт. При снижении нагрузки трансформатора с дутьевым охлаждением на 50—60 % вентиляторы можно отклю­чить, т. е. перейти на естественное масляное охлаждение.

Масляное охлаждение с дутьем и принудительной циркуля­цией масла. С помощью насоса 1 (рис. 31.6) создают принуди­тельную циркуляцию трансформаторного масла через специаль­ные охладители 2, собранные из трубок. Одновременно необхо­димое число вентиляторов 3 создает направленные потоки воз­духа, обдувающие поверхность трубок охладителя.

дение (рис. 31.7). Нагретое в трансформаторе / масло посредством насоса 2 прого­няется через охладитель 3, в котором циркулирует вода. Это наиболее эффективный способ охлаждения, так как коэффициент теплопередачи от масла в воду значительно выше, чем в воздух. Одно­временно масло проходит че­рез воздухоохладитель 4 и фильтр 5, где освобождается от нежелательных включе­ний.

§ 31.6. Новые принципы выполнения электрических машин

В настоящее время ре­зервы по усовершенствова­нию электрических машин традиционной конструкции во многом исчерпаны. Иссле­дования показали, что даль­нейшее увеличение единич­ной мощности этих машин возможно лишь до значений, не превышающих (2-h3) X

Воздух

Воздух

Маспо х трансформатору

Рис. 31.6. Масляное охлаждение транс­форматора с дутьем и принудительной циркуляцией масла

XI О6 кВт, в то время как в ближайшее десятилетие потребуются машины значительно боль­шей мощности. В этих условиях оказывается целесообразным пере­ход к машинам нового принципа выполнения. За последние годы достигнут определенный прогресс в создании подобных машин. Рассмотрим два вида машин нового принципа выполнения: крио­генные электрические машины и магнитогидравлические машины.

Криогенные электрические машины. В криогенных электриче­ских машинах обмотки выполняют из сверхпроводников или хи­мически чистых металлов (гиперпроводников). При снижении температуры удельное электрическое сопротивление сверхпровод­ников вначале плавно снижается, а затем при температуре кри-
тического перехода Экр = 20 К (ниже — 253 °С) резко падает до нуля: р* = 0 (р = 0), т.е. они переходят в состояние сверх­проводимости (рис. 31.8, кривая /). У обычных металлов и сплавов нет состояния сверхпроводимости (рис. 31.8, кривая /). У обычных металлов и сплавов нет состояния сверхпроводимости, и при снижении температуры их удельное электрическое сопро­тивление плавно уменьшается, достигая значения р*=10~1 при

Рис. 31.7. Масляно-водяное охлаждение трансфор­матора

температуре абсолютного нуля (кривая 2). У химически чистых металлов (гиперпроводников) также нет состояния сверхпрово­димости, но при глубоком охлаждении их удельное электриче­ское сопротивление уменьшается до значения, в 5—7 тыс. раз меньшего, чем при комнатной температуре (кривая 3).

Это свойство сверхпроводников и чистых металлов позволяет по проводам небольшого сечения пропускать значительные токи,.■доводя плотность тока до 100 А/мм2 и более. Электрические по­тери на нагрев обмоток при этом либо отсутствуют, либо незна­чительны. Все это дает возможность получать в криогенных ма­шинах сильные магнитные поля с магнитной индукцией В = = 5-МО Тл (в машинах традиционного выполнения В = = 0,8-Ь 1,5 Тл).

Криогенная машина не содержит ферромагнитного сердечни­ка, который, обладая свойством магнитного насыщения, не поз­волил бы получить столь высокие значения магнитной индукции, так как вызвал бы в машине значительные магнитные потери. Снижение потерь (электрических и магнитных) позволяет повы­сить КПД машин и более эффективно использовать их габариты, создавая машины весьма большой единичной мощности.

Необходимым элементом криогенной машины является крио- стат, представляющий собой теплоизолированную от внешней среды емкость, заполненную хладагентом (например, жидким гелием). Внутри криостата располагают охлаждаемую обмотку или же электрическую машину целиком.

Рассмотрим конструктивную схему криогенного турбогенера­тора со сверхпроводящими обмотками статора 4 и ротора 3 (рис. 31.9). Вся машина помещена в криостат, заполненный жид­ким гелием при температуре 10 К (—263 °С). На валу 2 располо­жено четыре металлических «полюса» 5, на каждом из которых укреплена многовитковая полюсная катушка 3 из сверхпроводни­ка. Статор заключен в магнитный экран 7 из сверхпроводящего сплава. Поверхность экрана имеет множество отверстий, через которые внутрь машины проникает жидкий гелий. «Полюсы» ротора 5 и «сердечник» статора 6, а также другие элементы конструкции машины не обладают ферромагнитными свойствами, а используются

надежного закрепления обмоток. Вся машина заключена в металли­ческий кожух 8, образующий стенки криостата. Затем следует толстый слой теплоизоляции 9. Выделяющаяся за счет потерь теплота, а также теплота, проникающая в криостат из внешней среды, отбирается жидким гелием. Кри­огенная машина снабжена рефрижера­тором 10, подающим в криостат охлаж­денный гелий взамен испаряющегося. Контактные кольца 11 находятся в хо­лодной зоне, а подшипники 1 к 12 выне­сены за пределы криостата.

Рассмотренная конструкция крио­генного генератора обладает сущест­венным недостатком — значительные потери энергии в обмотке статора, вы­званные переменным током в обмотке • статора и переменным магнитным1 полем, наведенным этой обмот­кой. Эти потери происходят главным образом из-за явления гисте­резиса в сверхпроводящей обмотке. Пока еще не найдены эффек­тивные способы ослабления этих потерь, вызывающих интенсив­ное испарение хладагента (жидкого гелия). Поэтому помимо электрических машин с криогированием обеих обмоток создаются

Рис. 31.9. Конструктивная схема криогенного турбогенератора со сверхпроводящими обмотками на статоре и роторе

и исследуются криогенные машины с криогированием только об­мотки возбуждения. Эта обмотка питается постоянным током и защищена алюминиевым (демпфирующим) экраном от воздейст­вия переменного магнитного поля обмотки статора, поэтому в ней не происходят явления, вызывающие магнитные потери. 06мотка статора в такой машине имеет обычную конструкцию, т. е. она вынесена за пределы криостата.

Исследования показали, что КПД криогенного синхронного турбогенератора с учетом всех дополнительных расходов энергии на собственные нужды (включая гелиевое охлаждение обмотки возбуждения) на 0,8 % выше, чем у обычного синхронного гене­ратора с водородным охлаждением мощностью 1200 тыс.. кВт. При этом криогенный генератор имеет массу в четыре раза мень­ше. Уменьшение размеров криогенного турбогенератора 2 по сравнению с обычным 1 иллюстрирует рис. 31.10.

Рис. 31.10. Сравнительные размеры обычного I и криоген­ного 2 турбогенераторов мощностью 1200 тыс. кВт

В последнее время получены проводниковые материалы, об­ладающие сверхпроводимостью при температуре кипения жидко­го азота (—196°С) —хладагента более дешевого, чем жидкий гелий (температура кипения —268,9 °С). Ведутся работы по созданию проводниковых материалов с еще более высокой тем­пературой сверхпроводимости. Применение этих материалов в криогенном электромашиностроении упростит конструкцию крио- статов и снизит стоимость криогенных электрических машин.

Исследования показали, что в ближайшие 10—20 лет крио­генное электромашиностроение станет одним из ведущих на­правлений при создании электрических машин особо большой мощности, выполнение которых по традиционным принципам технически невозможно.

Магнитогидродинамические электрические машины. Рассмот­рим прицип действия магнитогидродинамического (МГД) генера­тора, в котором тепловая энергия преобразуется непосредственно в электрическую. Принцип действия основан на том, что при дви­жении рабочего тела, обладающего достаточной электропровод­ностью (электролита, жидкого металла, ионизированного газа), поперек силовых линий магнитного поля в этом рабочем теле индуцируется ЭДС и возникает ток, который через соответствую­щие электроды отводится во внешнюю электрическую цепь. Для пояснения воспользуемся упрощенной схемой МГД-генератора (рис. 31.11,а), в котором рабочим телом являются продукты сгорания топлива с присадкой, усиливающей их электропровод- ность. Топливо 1, воздух 2 и присадка 3 подаются в камеру сго­рания 4. Образующийся при этом ионизированный газ выходит из сопла 5 и проходит через внутреннюю полость электромагни­та 6 поперек магнитных силовых линий поля. В соответствии с явлением электромагнитной индукции в ионизированном газе на­водится ЭДС, которая снимается двумя электродами 7 и подает­ся во внешнюю цепь к потребителю г„. Ионизированный газ,

пройдя через магнитное поле, выходит из генератора. Таким об­разом, в МГД-генераторе теплота, образуемая при сгорании топ­лива, непосредственно преобразуется в электрическую энергию, а поэтому необходимость в получении механической энергии от­падает (не нужны паровой котел и паровая турбина).

Исследования показали, что МГД-генераторы приобретают существенные преимущества перед тепловыми электростанциями традиционного действия лишь при условиях значительной еди­ничной мощности (более 100 МВт) и изготовлении обмотки электромагнита из сверхпроводника, помещенного в криостат.

МГД-генераторы обратимы и могут работать в двигательном режиме. Обычно МГД-двигатели применяются для перемещения электропроводных жидкостей, их принято называть МГД-насоса- ми. Для пояснения принципа работы МГД-насоса обратимся к рис. 31.11,6. Электропроводная жидкость, проходя через ка­нал /, попадает в пространство между полюсами N и S электро­магнита. При этом через жидкость от электрода 2 к электроду 3 проходит электрический ток, который взаимодействует с магнит­ным полем и создает электромагнитные силы, которые и «про­талкивают» жидкость через межполюсное пространство электро­магнита.

Подобные МГД-насосы могут применяться для транспорти­ровки различных электропроводных жидкостей. Например, их можно использовать для перемещения расплавленного металла в литейном производстве.

Рассмотренные МГД-машины называют кондукционными, так как их конструкция предусматривает обязательное наличие электродов для съема или подачи электрического тока. Созданы также МГД-машины индукционные (асинхронные), в которых отсутствуют электроды, а ЭДС или электромагнитные силы воз­никают в результате взаимодействия перемещаемой электропро­водной жидкости с бегущим магнитным полем [1].

Контрольные вопросы

Что такое режим теплового равновесия в электрической машине?

Можно ли машину, рассчитанную для работы в повторно-кратковременном режиме, использовать в продолжительном режиме?

Перечислите способы охлаждения электрических машин и дайте каждому из них характеристику.

Каковы особенности водородного охлаждения?

Какой способ охлаждения электрических машин является наиболее эффек­тивным?

Перечислите способы охлаждения трансформаторов и дайте им сравнительную оценку.

Что такое сверхпроводимость и какие материалы ею обладают?

Почему в криогенной машине допускаются очень высокие значения магнитной индукции?