Основы устройства систем охлаждения трансформатора и выпрямителя

В активных и конструктивных элементах трансформаторов и выпрямителей выделяется значительное количество тепла. Мощность тепловых потоков, выделяемых внутри этих устройств, такова, что для их отвода в окружающую среду необходимо создавать специальные принудительные системы охлаждения.

Отведение от греющей мощности, достигающей сотен ватт и даже нескольких киловатт, осуществляется системой охлаждения, в которую входят охладитель и охлаждающая среда. В качестве охлаждающей среды используется воздух, масло или вода. Сравнительная теплопередача системы, в которой используется в качестве охлаждающей среды воздух, масло, вода, характеризуется соотношением 1:10:100, т. е. наилучший отвод теплоты достигается при передаче от металла охладителя к охлаждающей воде.

В зависимости от вида охлаждающей среды системы охлаждения принято разделять на воздушные, жидкостные и испарительные. Способы охлаждения полупроводниковых приборов разнообразны и могут основываться на их прямом (непосредственном) взаимодействии с внешней охлаждающей средой или на применении промежуточного контура с теплоносителем. В зависимости от реализации движения охлаждающей среды относительно охладителя различают естественное и принудительное охлаждение.

Естественное охлаждение достигается благодаря конвекции и излучению при свободном движении воздушного потока вдоль поверхностей охладителя и самого прибора. Принудительное охлаждение может быть воздушным и жидкостным, чаще всего водяным. Водяное охлаждение позволяет рассеивать большие мощности, чем воздушное охлаждение.

От того, как реализована система охлаждения, во многом определяются технико-экономические показатели. Тепловая энергия, выделяемая на элементах трансформаторов и выпрямителей, может вызывать недопустимое повышение температуры активных и конструктивных элементов, снижение электрической и механической прочности изоляции обмоток, уменьшение времени безотказной работы.

Согласно ГОСТ 20459-87 обозначения способов охлаждения электрических машин, состоит из латинских букв IC - первых букв английских слов International Cooling и следующих за ними буквы, характеризующей вид хладагента (А - воздух, Н - водород, N азот, C - диоксид углерода, Fr - фреон, W - вода, U - масло, Kr - керосин) и двух цифр: первая обозначает устройство цепи для циркуляции хладагента, вторая - способ перемещения хладагента. Условное обозначение устройства цепи циркуляции содержит 10 цифр (от 0 до 9): 0 - свободная циркуляция наружного воздуха; 1-3 - охлаждение при помощи проводящей (1), отводящей (2) или обеих труб (3); 4 - охлаждение наружной поверхности с использованием окружающей среды; 5,6 - охлаждение окружающей средой при помощи встроенного (5) или пристроенного (6) теплообменника; 7,8 - охлаждение при помощи встроенного (7) или пристроенного (8) охладителя; 9 - охлаждение при помощи охладителя, установленного отдельно от машины. Способы перемещения хладагента обозначаются второй цифрой: 0 - свободная конвекция; 1 - самовентиляция; 2 и 3 - перемещение хладагента встроенным и пристроенным устройством, установленным непосредственно на валу машины (3) или связанным с валом через зубчатую или ременную передачу (2); 5 и 6 - то же, при независимом устройстве; 7- перемещение хладагента осуществляется отдельным устройством.

Самой простой схемой охлаждения, которая применяется преимущественно в машинах мощностью до 1 кВт, является схема с естественной вентиляцией без применения особых средств для повышения интенсивности охлаждения.

Большинство электрических машин общего назначения, за исключением турбо- и гидрогенераторов, а также синхронных компенсаторов охлаждаются воздухом и имеют принудительную схему вентиляции. В случае принудительной вентиляции цепь охлаждения машины может быть:

разомкнутой - воздух поступает из окружающей среды, проходит каналы тракта охлаждения машины и выбрасывается снова в окружающую среду;

замкнутой - поток охлаждающего воздуха не связан с окружающей средой, а циркулирует по замкнутому контуру, включающему в себя и внутренний объем закрытой машины. При замкнутой вентиляции охлаждающий воздух отдает свою теплоту либо воде в специальном газоохладителе, либо корпусу машины через его внутреннюю поверхность, как это осуществляется, например, в асинхронных двигателях закрытого исполнения, обдуваемых наружным вентилятором.

В зависимости от направления движения воздуха (газа) внутри машины различают аксиальную, аксиально-радиальную и радиальную схемы вентиляции.

Если электрическая машина имеет схему вентиляции, то напор в вентиляционной системе создается вентилятором, установленным на валу машины. Эта схема вентиляции подразделяется на два класса: нагревательную и вытяжную. При нагревательной схеме охлажденный газ под воздействием избыточного давления, создаваемого нагревателем, поступает в вентиляционные каналы активной зоны машины. При вытяжной - охлаждающий газ поступает в вентиляционные каналы машины под действием разряжения, создаваемого вентилятором. Вытяжная вентиляция обладает преимуществом: газ поступает в машину без предварительного его подогрева вентилятором, что несколько снижает превышение температуры обмоток.

По способу отвода тепла от тепловыделяющих элементов электрических машин различают схемы косвенного и непосредственного охлаждения: в первом случае отвод тепла осуществляется с открытых поверхностей активных частей машины, во втором хладагент по специальным каналам проводится к проводникам обмоток машины, отбирая тепло непосредственно от обмоток.

С ростом единичной мощности электрических машин возрастают удельные потери в объеме машины, поэтому воздушные системы охлаждения становятся неэффективными и для охлаждения турбо- и гидрогенераторов и синхронных компенсаторов применяют схемы косвенного охлаждения водородом совместно со схемами непосредственного жидкостного охлаждения. В качестве хладагента в этих случаях используют воду, которая обеспечивает самую высокую по сравнению с другими жидкостями эффективность охлаждения. Схема непосредственного водяного охлаждения обмоток статора и ротора находят применение в конструкциях мощных турбо- и гидрогенераторов. Эта система обычно сочетается с системой косвенного газового охлаждения активных частей машины.