大型電機(jī)的損耗、發(fā)熱和冷卻(共10頁(yè))

1、大型電機(jī)的損耗、發(fā)熱(f r)和冷卻摘要(zhiyo) 大型(dxng)發(fā)電機(jī)是電網(wǎng)的主要設(shè)備之一，是電能的直接生產(chǎn)者。大型電機(jī)的發(fā)展在整個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展中占有重要地位。從電力生產(chǎn)，電網(wǎng)運(yùn)行、管理的經(jīng)濟(jì)性和供電質(zhì)量來(lái)看，電網(wǎng)中主力機(jī)組的單機(jī)容量應(yīng)與電網(wǎng)總?cè)萘烤S持一定的比例，例如68%。單機(jī)容量越大，則單位容量成本下降，材料消耗降低，其經(jīng)濟(jì)性能就越好。但增加容量勢(shì)必要增加電機(jī)的損耗，同時(shí)電機(jī)的發(fā)熱和溫升也會(huì)上升，如何降低損耗、加強(qiáng)冷卻系統(tǒng)，也就成為如何提高出力時(shí)必須解決的問題，本文著重在這幾個(gè)方面做一些分析和探討。關(guān)鍵詞 電機(jī)損耗；大型電機(jī)溫升；大型電機(jī)冷卻方式引言 電機(jī)容量的提高主要通過(guò)增大電

2、機(jī)的線性尺寸和增加電磁負(fù)荷兩種途徑實(shí)現(xiàn)。然而增大線性尺寸同時(shí)會(huì)增大損耗(因?yàn)殡姍C(jī)的損耗是與線性尺寸的三次方成正比)，造成電機(jī)效率下降。而增加磁負(fù)荷，由于受到磁路飽和的限制也很難實(shí)現(xiàn)。所以提高單機(jī)容量的主要措施就在于增加線負(fù)荷了。但增加線負(fù)荷就同時(shí)會(huì)增加線棒銅損，線圈的溫度將增加，可能達(dá)到無(wú)法容許的程度。這時(shí)就必須采用強(qiáng)化冷卻技術(shù)，以提高散熱強(qiáng)度，從而將電機(jī)各部分的溫升控制在允許范圍內(nèi)，才能保證電機(jī)安全可靠地運(yùn)行。所以冷卻技術(shù)的進(jìn)步是電機(jī)向大容量發(fā)展的保證。電機(jī)的冷卻方式分為氣冷和液冷兩大類。氣冷的冷卻介質(zhì)包括空氣和氫氣。液冷的介質(zhì)有水、油及蒸發(fā)冷卻所使用的氟里昂類介質(zhì)及新型無(wú)污染化合物類氟碳介

3、質(zhì)。汽輪發(fā)電機(jī)所采用的冷卻方式較為豐富，包括空冷、氫冷、水冷、油冷及蒸發(fā)冷，以下將從損耗、溫升和冷卻方式兩個(gè)方面來(lái)作展開。二、電機(jī)(dinj)的損耗2.1 關(guān)于(guny)電機(jī)(dinj)的損耗異步電機(jī)中的損耗主要由下列五部份組成：1.定子繞組中電流通過(guò)所產(chǎn)生的銅耗（PCu1）；2.轉(zhuǎn)子繞組中電流通過(guò)所產(chǎn)生的導(dǎo)體（鋁或銅）損耗（PCu2）；3.鐵心中磁場(chǎng)所產(chǎn)生的渦流和磁滯損耗（PFe）；4.由于風(fēng)扇和軸承轉(zhuǎn)動(dòng)所引起的通風(fēng)和摩擦損耗（Pfw）；5.由氣隙磁場(chǎng)高次諧波所產(chǎn)生的負(fù)載雜散損耗（Ps）。2.2 降低損耗提高效率的途徑由于電機(jī)的損耗分布隨功率大小和極數(shù)不同而變化，因此為降低損耗，應(yīng)著重對(duì)不

4、同功率和極數(shù)時(shí)的主要損耗分量采取措施： 1.降低定子繞組中電流通過(guò)所產(chǎn)生的銅耗（PCu1）:在電機(jī)繞組匝數(shù)不變的情況下,可加大導(dǎo)線線徑而減小線阻降低銅耗（PCu1）。 2.降低轉(zhuǎn)子繞組中電流通過(guò)所產(chǎn)生的導(dǎo)體（鋁或銅）損耗（PCu2）:通過(guò)控制轉(zhuǎn)子鑄造時(shí)的壓力，溫度以及氣體排放路徑等措施，減少轉(zhuǎn)子導(dǎo)條中的氣體，從而提高導(dǎo)電率,降低轉(zhuǎn)子損耗。如以鑄銅轉(zhuǎn)子取代鑄鋁轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子損耗可下降38 %。銅的導(dǎo)電率比鋁的導(dǎo)電率要高,用鑄銅轉(zhuǎn)子比用鑄鋁轉(zhuǎn)子所產(chǎn)生的損耗（PCu2）要小。 3.增加有效材料，降低繞組損耗和鐵耗（PFe）根據(jù)電機(jī)相似原理可知，當(dāng)電磁負(fù)荷不變，并且不考慮機(jī)械損耗時(shí)，電機(jī)的損耗約與電機(jī)線性

5、尺寸的3次方成比例，而電機(jī)的輸入功率約與線性尺寸的4次方成比例，由此可近似得出效率與有效材料用量的關(guān)系，如下式所示:=1-1/(1-0)式中a電機(jī)(dinj)的尺寸比例系數(shù) 0原始電機(jī)(dinj)的效率從該式可見(kjin)，損耗與有效材料尺寸的線性增長(zhǎng)成反比。在效率較低時(shí)，如在小功率電機(jī)中，增加材料，效率提高較大，而在效率已較高的大功率電機(jī)中，效率提高較小。為了使在一定的安裝尺寸條件下，獲得較大的空間，以使能置放較多的有效材料以提高電機(jī)效率，定子沖片外徑尺寸的確定就成為一個(gè)重要因素。為有利于散熱，降低溫升，采用較大的定子沖片外徑。由于漸近線的特點(diǎn)，當(dāng)效率100 %時(shí)，a，因此當(dāng)效率達(dá)到較高數(shù)

6、值，再單純通過(guò)材料的增加來(lái)提高效率，并不一定經(jīng)濟(jì)合理，應(yīng)通過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的綜合評(píng)價(jià)來(lái)確定。 4.采用較好的磁性材料和工藝措施以降低鐵耗（PFe）鐵心材料的磁性能（導(dǎo)磁率和單位鐵損）對(duì)電機(jī)的效率和其他性能影響較大，同時(shí)鐵心材料費(fèi)用又是構(gòu)成電機(jī)成本的主要部份，因此選用合適的磁性材料是設(shè)計(jì)和制造高效率電機(jī)的關(guān)鍵。在小功率電機(jī)中采用較高導(dǎo)磁率的電工鋼片將可使定子銅耗顯著下降，但在較大功率電機(jī)中由于空載電流所占比例已較小，材料導(dǎo)磁率提高的效果將不明顯。在較大功率電機(jī)中，鐵耗在總損耗中已占到相當(dāng)大的比重，因此降低鐵心材料的單位損耗值將有助于電機(jī)鐵耗的下降。由于電機(jī)設(shè)計(jì)和制造的原因，電機(jī)鐵耗大大超過(guò)按鋼廠提

7、供的單位鐵損值所計(jì)算的數(shù)值，所以一般在設(shè)計(jì)時(shí)將單位鐵損值增加152倍來(lái)考慮鐵耗的增加。鐵耗增加的原因主要是由于鋼廠的單位鐵損值是按Epstein方圈法對(duì)條料試品進(jìn)行測(cè)試，但在材料經(jīng)過(guò)沖剪疊壓后，受到很大的應(yīng)力使損耗增加，此外由于齒槽的存在引起氣隙齒諧波磁場(chǎng)在鐵心表面引起空載高頻損耗，這些都將導(dǎo)致電機(jī)制成后鐵耗顯著地增加，因此除了選擇較低單位鐵損的磁性材料外，尚須控制疊壓壓力和采取必要的工藝措施以降低鐵耗。由于沖剪應(yīng)力對(duì)鐵耗影響較大，因此對(duì)沖片進(jìn)行熱處理可降低10 %20 %的鐵耗，這對(duì)于高牌號(hào)和較薄的硅鋼片更為重要，因?yàn)檫@些材料對(duì)于應(yīng)力的敏感程度遠(yuǎn)大于一般的磁性材料。鑒于價(jià)格和工藝的因素，目前

8、在高效率電機(jī)的生產(chǎn)中，高牌號(hào)硅鋼片和薄于05mm的硅鋼片使用不多，一般仍采用低碳無(wú)硅電工鋼片或低硅冷軋硅鋼片。 5.縮小風(fēng)扇(fngshn)降低通風(fēng)損耗（Pfw）；對(duì)于較大功率的2、4極電機(jī)，風(fēng)摩耗占有相當(dāng)大的比例，如90kW2極電機(jī)風(fēng)摩耗可達(dá)總損耗(snho)的30 %左右。風(fēng)摩耗主要由風(fēng)扇消耗的功率所構(gòu)成。由于高效率電機(jī)的熱耗一般較低，因此冷卻用風(fēng)量可減少，從而通風(fēng)功率也可減少。通風(fēng)功率約與風(fēng)扇直徑的45次方成比例，因此在溫升許可的情況下，縮小風(fēng)扇尺寸可有效地降低風(fēng)摩耗。此外通風(fēng)結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)，對(duì)提高通風(fēng)效率降低風(fēng)摩耗也是重要的。試驗(yàn)表明，高效率電機(jī)大功率2極部分風(fēng)摩耗較普通電機(jī)下降30

9、%左右。由于通風(fēng)損耗下降幅度較大，而且不需增加多少費(fèi)用，因此改變風(fēng)扇設(shè)計(jì)往往是這部份高效電機(jī)所采取的主要措施之一。 6.通過(guò)設(shè)計(jì)和工藝(gngy)措施降低雜散損耗（Ps）。異步電機(jī)的雜散損耗主要是由磁場(chǎng)高次諧波在定轉(zhuǎn)子鐵心和繞組中所產(chǎn)生的高頻損耗。為降低負(fù)載雜耗可通過(guò)采用Y串接的正弦繞組或其他低諧波繞組來(lái)降低各次相帶諧波的幅值，從而降低雜耗。試驗(yàn)表明，采用正弦繞組雜耗平均可下降30 %以上。此外可采用較多的定、轉(zhuǎn)子槽數(shù)以降低齒諧波幅值，從而使這部分諧波引起的雜耗下降。在工藝上可通過(guò)轉(zhuǎn)子槽絕緣處理工藝來(lái)降低轉(zhuǎn)子中的高頻橫向電流損耗，也可通過(guò)沖出氣隙工藝來(lái)改變表面高頻損耗。 電機(jī)的發(fā)熱(f r)和

10、冷卻旋轉(zhuǎn)(xunzhun)電機(jī)在能量轉(zhuǎn)換(zhunhun)過(guò)程中, 內(nèi)部將同時(shí)產(chǎn)生損耗。損耗的存在,一方面直接影響到電機(jī)的效率和運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性: 另一方面, 由于損耗的能量最終轉(zhuǎn)化為熱能。使得電機(jī)各部分的沮度升高, 這將直接形響到電機(jī)所用絕緣材料的壽命, 并限制了電機(jī)的輸出, 嚴(yán)重時(shí)候能夠把電機(jī)燒段。因此, 一方面在設(shè)計(jì)時(shí)候要注意合理減少電機(jī)的損耗。另一方面要努力改善冷卻條件, 使熱量能有效盡快地散發(fā)出去。3.1電機(jī)內(nèi)熱量的產(chǎn)生、傳導(dǎo)與散出電機(jī)中的熱量主要是繞組及其鐵心中的損耗。繞組和鐵心內(nèi)部都會(huì)產(chǎn)生熱量, 繞組中的損耗與電流的平方成正比。鐵心內(nèi)部熱量是渦流產(chǎn)生的。繞組中產(chǎn)生的熱量借傳導(dǎo)作用從銅

11、線穿過(guò)絕緣層傳到鐵心, 加上鐵心中產(chǎn)生的熱量, 一起由鐵心傳到電樞表面, 然后借助于對(duì)流以及輻射作用, 把熱量散發(fā)到周圍的空氣中。有熱傳導(dǎo)知識(shí)可知, 熱量都是從高溫部位傳向相對(duì)低溫部位。從這樣的熱傳導(dǎo)途徑可以得出這樣的結(jié)論, 繞組的沮度通?？偸歉哂阼F心的溫度。若想降低繞組的溫升, 一方面要增強(qiáng)電機(jī)內(nèi)部的傳熱能力, 另一方面應(yīng)該增強(qiáng)部件表面的散熱能力。為使得電機(jī)繞組內(nèi)部熱量比較容易地傳導(dǎo)到散熱表面, 應(yīng)該設(shè)法選擇導(dǎo)熱性能好, 耐壓強(qiáng)度高, 絕緣性能好的絕緣材料。并要求在保證絕緣性能的情況下降低絕緣層的厚度。同時(shí)應(yīng)該設(shè)法清除線槽內(nèi)的導(dǎo)熱性能不佳的空氣層, 比如用油漆等來(lái)演充導(dǎo)線與鐵心的間除。這樣做

12、不僅可以改善導(dǎo)熱性能, 又可以增強(qiáng)電機(jī)的絕緣性能以及機(jī)械性能。電機(jī)(dinj)表面的散熱能力與散熱表面的面積, 空氣對(duì)冷卻(lngqu)表面的速度等因素(yn s)有關(guān)。一般是采用增大散熱表面的、改善表面散熱性能、增加冷卻介質(zhì)的流動(dòng)速度, 以及降低冷卻介質(zhì)的溫度等措施來(lái)增加散熱能力。電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí), 倘若溫度超過(guò)一定的值, 首先損壞的是繞組的絕緣, 因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)中的絕緣材料是耐熱性能最差的部分。如果電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)工作溫度超過(guò)了絕緣材料允許的最高溫度, 輕則加速絕緣層的老化過(guò)程, 縮短電動(dòng)機(jī)壽命, 重則絕緣層碳化變質(zhì), 也就損壞了電動(dòng)機(jī)。所以就據(jù)此規(guī)定了電動(dòng)機(jī)的額定容量, 電動(dòng)機(jī)長(zhǎng)期在此容量下運(yùn)行時(shí),

13、 應(yīng)不超過(guò)絕緣材料所允許的最高溫度。所以電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)工作溫度小于絕緣材料允許的最高溫度是保證電機(jī)長(zhǎng)期安全運(yùn)行的必要條件, 這也是按照發(fā)熱條件選擇電動(dòng)機(jī)功率的最基本依據(jù)。3.2 電機(jī)發(fā)熱對(duì)電機(jī)運(yùn)行方式的影響電動(dòng)機(jī)的溫度是發(fā)熱與冷卻綜合作用的結(jié)果, 溫升和冷卻有需要一個(gè)過(guò)程。其溫升不僅取決于負(fù)載的大小, 而且也和負(fù)載的持續(xù)時(shí)間有關(guān), 也就是電機(jī)的運(yùn)行方式有關(guān)。一般來(lái)說(shuō), 電機(jī)的運(yùn)行方式(亦稱工作制)按發(fā)熱情況分為三類，即連續(xù)工作制、短時(shí)工作制和斷續(xù)工作制。不同的工作制代表了不同的發(fā)熱和散熱的時(shí)間比例。實(shí)際上, 不管電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在哪種工作制, 不管如何發(fā)熱和散熱, 只要能夠保證電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)工作溫度小于

14、絕緣材料允許的最高溫度, 電機(jī)就不會(huì)被燒段。如果電機(jī)常年運(yùn)行在嚴(yán)寒地區(qū). 散熱條件比較好, 在功率的選擇環(huán)節(jié)上可以適當(dāng)帶動(dòng)比較大點(diǎn)的負(fù)載；如果電機(jī)運(yùn)行在海拔高于1000 米的高原地區(qū), 由于空氣稀薄, 散熱條件差, 電動(dòng)機(jī)的功率應(yīng)該降低使用。3.3大型汽輪發(fā)電機(jī)的冷卻(lngqu)方式汽輪發(fā)電機(jī)的冷卻方式經(jīng)歷(jngl)了豐富的發(fā)展變化過(guò)程。從最早的空氣冷卻發(fā)展到氫氣冷卻 ，再到液體冷卻，繼而到目前研究的熱點(diǎn)蒸發(fā)冷卻。每一種冷卻方式都各有其優(yōu)缺點(diǎn)。3.3.1 空氣冷卻 20世紀(jì)30年代末期以前，汽輪發(fā)電機(jī)基本上處于單一的空氣冷卻階段?？諝饫鋮s在結(jié)構(gòu)上最簡(jiǎn)單，費(fèi)用(fi yong)最低廉，維護(hù)最

15、方便，這些顯著的優(yōu)點(diǎn)使得空氣冷卻首先得到了應(yīng)用和發(fā)展。隨著電網(wǎng)容量的增大，要求提高汽輪發(fā)電機(jī)的容量。為了提高容量，需要增加電磁負(fù)荷，導(dǎo)致電磁損耗增大，從而引起電機(jī)發(fā)熱量的增加，要強(qiáng)化冷卻就必須加大通風(fēng)量，這必然引起通風(fēng)損耗的增大，而通風(fēng)損耗(含風(fēng)摩耗)占總損耗的40%，這就使得電機(jī)的效率降低。另外，空氣冷卻的定轉(zhuǎn)子繞組的溫升也較高，影響絕緣的壽命。3.3.2氫氣冷卻 當(dāng)電機(jī)的單機(jī)容量達(dá)到一定水平時(shí)，空冷技術(shù)在效率和溫升等方面逐漸暴露出不足，為了尋求更加有效的冷卻方式，人們發(fā)展了氫冷技術(shù)。從20世紀(jì)30年代末，容量大于50MW的汽輪發(fā)電機(jī)逐步過(guò)渡到氫氣冷卻。氫氣的比重小，純氫的密度僅為空氣的1/

16、14，導(dǎo)熱系數(shù)為空氣的7倍， 在同一溫度和流速下，放熱系數(shù)為空氣的1415倍。由于密度小，因此，在相同氣壓下，氫氣冷卻的通風(fēng)損耗、風(fēng)摩耗均為空氣的1/10，而且通風(fēng)噪聲亦可減小。氫冷電機(jī)的效率提高了，而且溫升明顯下降。由于電機(jī)內(nèi)氫氣必須維持規(guī)定純度，為此必須額外設(shè)置一套供氫裝置，給設(shè)計(jì)和安裝帶來(lái)了困難。另外，密封防爆問題始終是氫氣冷卻電機(jī)安全運(yùn)行的一個(gè)隱患。 3.3.3 液冷 早在1917年，匈牙利岡次茨工廠就曾用變壓器油作牽引電機(jī)的冷卻介質(zhì)。30年代后，又曾從事水外冷的研究，但長(zhǎng)期以來(lái)沒有取得重大進(jìn)展。 1956年，英國(guó)開始采用凈化水冷卻電機(jī)定子繞組。目前定子繞組采用水冷已相當(dāng)普遍。液體的比

17、熱，導(dǎo)熱系數(shù)比氣體大，所以液冷的散熱能力較氣冷大為提高。水是很好的冷卻介質(zhì)，它具有很大的比熱和導(dǎo)熱系數(shù)，價(jià)廉無(wú)毒，不助燃，無(wú)爆炸危險(xiǎn)。通水冷卻的部件冷卻效果極為顯著，允許承受的電磁負(fù)荷比空冷、氫冷高，提高了材料的利用率。但是，由于水垢的產(chǎn)生及空心銅線被水中的氧離子氧化產(chǎn)生的氧化銅和氧化亞銅等沉積造成水路堵塞，繼而產(chǎn)生繞組局部過(guò)熱而燒毀。同時(shí)，水接頭及各個(gè)密封點(diǎn)處由于承受水壓漏水的問題將造成短路和漏電危險(xiǎn)。近些年，各地的水內(nèi)冷機(jī)組都發(fā)生了一種新的漏水現(xiàn)象，被稱為水力鉆孔。這是由于水中的微小顆粒在空心導(dǎo)線的轉(zhuǎn)彎或粗糙點(diǎn)慢慢沉積下來(lái)，由于受到水流的沖擊而以顆粒與空心線的接觸處為支點(diǎn)旋轉(zhuǎn)起來(lái)，日積月累

18、就會(huì)將這一點(diǎn)鉆穿。這種現(xiàn)象造成繞組漏水漏電，燒毀絕緣的危險(xiǎn)。因此，水冷電機(jī)的堵和漏成為困擾水冷電機(jī)發(fā)展的致命弱點(diǎn)。全液冷電機(jī)的研制同樣受到了各國(guó)的重視。全液冷主要以油冷為主。這種電機(jī)的定子浸在油中，絕緣大為簡(jiǎn)化。電機(jī)槽滿率高，材料消耗少，效率高于同容量的其他冷卻方式的電機(jī)。 但維護(hù)不方便，要考慮防火防爆問題，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。3.3.4 蒸發(fā)(zhngf)冷卻為了解決水內(nèi)冷電機(jī)水系統(tǒng)故障及水對(duì)銅材、絕緣的腐蝕問題(wnt)，同時(shí)繼承內(nèi)冷方式有效帶走熱能的優(yōu)點(diǎn)，美、日、英、俄、加等國(guó)相繼開展了將相變?cè)響?yīng)用于大型發(fā)電設(shè)備中的研究，并取得了一定的理論成果，但至今沒有成熟的營(yíng)運(yùn)產(chǎn)品。中國(guó)科學(xué)院電工所從19

19、58年開始研究電機(jī)的蒸發(fā)冷卻技術(shù)(jsh)，目前在研制的各個(gè)方面均處于世界領(lǐng)先水平，經(jīng)過(guò)40多年的研究，已有累計(jì)達(dá)570MVA的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。蒸發(fā)冷卻的發(fā)展經(jīng)歷了三個(gè)階段：第一階段是低溫蒸發(fā)冷卻，它是將水氣冷中的水用沸點(diǎn)較低的介質(zhì)來(lái)代替。該介質(zhì)汽化后的飽和蒸汽溫度低于二次冷卻介質(zhì)溫度，因此必須經(jīng)過(guò)壓縮，才能與二次冷卻介質(zhì)進(jìn)行熱交換，冷凝為液體。第二階段是常溫蒸發(fā)冷卻，即是說(shuō)在電機(jī)的允許溫升范圍內(nèi)，冷卻介質(zhì)沸點(diǎn)（約為55左右）太低沒有必要，而且，在高溫環(huán)境下，溫度低也容易造成熱量逆流，外部熱量往電機(jī)內(nèi)部傳遞。因此考慮用常溫蒸發(fā)冷卻技術(shù)，去掉壓縮機(jī)，用泵來(lái)替換，提供壓頭克服各種阻力損失。第一、二階段兩種冷卻方式均屬于強(qiáng)迫循環(huán)方式。自70年代起，東方電機(jī)股份有限公司與中國(guó)科學(xué)院電工研究所共同開發(fā)了特別(tbi)適用于立式水輪發(fā)電機(jī)的蒸發(fā)冷卻技術(shù)。該技術(shù)是充分利用電機(jī)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)以及液體汽化后密度變化引起壓差變化，形成自然循環(huán)，我們稱為第三階段常溫自循環(huán)蒸發(fā)冷卻。為