Logo GenDocs.ru

Поиск по сайту:  

Загрузка...

Лекции - Электрические и электронные аппараты - файл тепловые процессы.doc


Загрузка...
Лекции - Электрические и электронные аппараты
скачать (6353.6 kb.)

Доступные файлы (19):

Автоматические воздушные выключатели.doc1636kb.06.12.2005 09:55скачать
введние.doc81kb.17.08.2006 15:53скачать
Выключатели переменного тока высокого напряжения.doc1822kb.21.11.2007 16:24скачать
гашение дуги.doc160kb.30.11.2005 10:32скачать
дуга.doc452kb.30.11.2005 10:32скачать
Измерительные преобразователи (датчики).doc1058kb.30.11.2007 11:15скачать
Контактные явления.doc584kb.23.02.2009 18:53скачать
Логические элементы.doc2326kb.31.03.2006 12:53скачать
Магнитные бесконтактные элементы.doc1467kb.23.12.2005 12:01скачать
Магнитные пускатели.doc172kb.31.10.2007 17:31скачать
Предохранители и автоматические выключатели.doc2007kb.07.11.2007 14:36скачать
тепловые процессы.doc339kb.30.11.2005 10:32скачать
эа непосредственного воздействия.doc544kb.31.10.2007 17:24скачать
эду в эа.doc315kb.30.11.2005 10:32скачать
Электромагнитные контакторы.doc476kb.31.10.2007 17:21скачать
Электромагнитные муфты.doc475kb.09.12.2005 13:44скачать
Электромагнитные реле.doc413kb.31.10.2007 18:36скачать
Электромагнитные явления.doc906kb.30.11.2005 10:33скачать
Электромагниты.doc297kb.23.11.2005 15:04скачать

тепловые процессы.doc

Реклама MarketGid:
Загрузка...




Тема 3

Тепловые процессы в электрических аппаратах
Источники теплоты в ЭА
ЭА являются сложными электротехническими устройствами, содержащими много элементов, один из которых являются проводниками электрических токов, другие – проводниками магнитных потоков, а третьи служат для электрической изоляции. Часть элементов может перемещаться в пространстве, передавая усилия другим узлам и блокам.

Работа большой части аппаратов связана с преобразованием одних видов энергии в другие. При этом, как известно, неизбежны потери энергии и превращение ее в тепло.

При протекании тока по электрическому проводнику в нем выделяется мощность

,

где .

Удельное электрическое сопротивление материала проводника зависит от температуры  и в большинстве случаев (до температуры 150-2000С) вычисляется

,

где 0 – удельное сопротивление при  = 00С;  – температурный коэффициент сопротивления.

При работе на переменном токе проявляется поверхностный эффект.

Это явление неравномерного распределения плотности переменного тока по поперечному сечению одиночного проводника. Оно приводит к возникновению дополнительных по сравнению с постоянным током потерь мощности, которые учитываются коэффициентом поверхностного эффекта

.

Установлено, что этот коэффициент для немагнитных проводников зависит от формы и геометрических размеров проводника. С ростом частоты и уменьшением удельного сопротивления проводника поверхностный эффект проявляется сильнее. Чем больше диаметр проводника, тем больше поверхностный эффект. (коробчатое сечение)

^ Эффект близости – явление неравномерного распределения плотности тока (переменного), обусловленное влиянием друг на друга близко расположенных проводников с токами. Коэффициент близости К также, как и Кп зависит от геометрических размеров, формы проводников и 1 расстояния между ними. В отличие от Кп, К может принимать различные значения или быть равная единице.

Таким образом:

.

Эффект близости усиливается с ростом частоты, электропроводимости, зависит от взаимного расположения проводников, их формы и направления токов в них. Чем ближе проводники друг к другу, тем более эффект близости.

В проводниках из ферромагнитных материалов явления поверхностного эффекта и эффекта близости проявляется значительно сильнее и коэффициенты Кп и К в этих случаях существенно больше, чем в немагнитных проводниках.

В ферромагнитных нетоковедущих частях ЭА, находящихся в переменном магнитном поле, также имеют место источники теплоты, которые обусловлены вихревыми токами, возникающими тогда, когда переменный во времени магнитный поток пронизывает ферромагнитные части аппарата.

Для сплошных замкнутых магнитопроводов расчет потерь мощности проводится по формуле

,

где I – ток; N – число витков; lср – средняя длина магнитопровода; Sохл – площадь поверхности охлаждения; f – частота переменного тока.

Если магнитопровод выполнен из листовой стали, то потери мощности в нем определяются на основании приведенных в справочной литературе зависимости удельных потерь от амплитудного значения индукции, частоты тока, толщины листа и сорта стали.

Следует иметь в виду, что ферромагнитные части аппарата могут нагреваться в переменном магнитном поле, даже если они не образуют замкнутую систему для магнитного потока.

Имеется еще ряд источников теплоты, которые в одних аппаратах играют существенную роль, а в других ими можно пренебречь.

Так в электромеханических ЭА, предназначенных для коммутации электрических цепей, мощным источником теплоты является электрическая дуга. В других аппаратах потери на трение или удар составляют большую долю от общих потерь мощности. ЭА, имеющие движущиеся жидкости или газы должны быть рассчитаны с учетом гидравлических потерь, а изоляция высоковольтных и высококачественных аппаратов с учетом диэлектрических потерь.

^ Способы уменьшения потерь в ферромагнитных деталях

- увеличение расстояния друг от друга;

- введение немагнитного зазора в магнитопроводе;

- к.з. виток, создает дополнительное магнитное сопротивление и уменьшает ;

- применение в конструкциях немагнитных материалов.

^ Анализ способов распространения теплоты в ЭА
Различают три способа распространения теплоты в пространстве: теплопроводностью, тепловым излучением, конвекцией.

Теплопроводность – распространение тепловой энергии при непосредственном соприкосновении отдельных частиц или тел, имеющих разную температуру.

В соответствии с гипотезой Фурье количество теплоты d2Q проходящее через элементарную площадку изотермической поверхности dS за промежуток времени dt определяется как

,

где  - теплопроводность; n0 – единичный вектор нормали к площадке dS;

– температурный градиент. Отрицательный знак обусловлен тем, что тепло распространяется 1 точек с большей температурой к точкам с малой температурой, т.е. противоположно градиенту температуры.

Изотермическая поверхность – где все точки имеют одинаковую температуру.

Для большинства веществ в определенном диапазоне температуры теплопроводность зависит от температуры линейно, т.е.

,

где 0 – теплопроводность при  = 0;  - температурный коэффициент теплопроводности.

^ Тепловой закон Ома

,

где Ф = Ф0 S;  - длина пути потока Ф; Rт – термическое сопротивление.

Тепловое излучение – распространение внутренней энергии тела путем электромагнитных волн. Совокупность процессов взаимного излучения, поглощения, отражения и пропускания энергии в системе различных тел называют теплообменным излучением, лучеиспусканием или радиацией.

В общем случае плотность собственного излучения подчиняется закону Стефана-Больцмана

,

где ^ Р – плотность теплового потока;  – коэффициент излучения тепла (0    1); Т – температура, 0К.

Тепло, отдаваемое телом при тепловом излучении, зависит от четверной степени абсолютной температуры нагретой поверхности.

Конвекция – распространение теплоты при перемещении объемов жидкостей или газов в пространстве из областей с одной температурой в области с другой температурой.

Различают естественную и вынужденную конвекцию. При естественной конвекции движение происходит за счет выталкивающих (Архимедовых) сил, возникающих из-за различных плотностей холодных и горячих частиц жидкости или газа. При вынужденной конвекции жидкость или газ движется за счет внешних сил (под действием насоса, вентилятора). Охлаждение воздушное, водяное. Движение ламинарное (параллельно степени канала), турбулентное (хаотическое, неупорядочное). Лучшая отдача тепла от труб с жидкостью при ее турбулентном движении.

,

где Кт – коэффициент теплоотдачи – определяется эмпирически. Он зависит от многих факторов, в том числе:

- температуры, вязкости и плотности окружающей среды;

- скорости, вынужденного движения среды;

- формы, охлаждаемой поверхности и ее расположения относительно потока охлаждающей среды;

- температуры, охлаждаемой поверхности.

Кроме допустимой температуры стандартами установлена температура окружающей среды. Для большинства ЭА при расчете длительных режимов работы температура окружающей среды (воздуха) принимается равной +400С.

Для уменьшения мощности источников теплоты в ЭА:

- применяют проводниковые материалы с малым удельным сопротивлением;

- при резко выраженном поверхностном эффекте используют трубчатые проводники, чем достигается более равномерное распределение плотности тока по сечению;

- при наличии составных шин их располагают таким образом, чтобы поверхностный эффект и эффект близости оказывали возможно меньшее влияние на мощность источников потерь;

- в конструкции на токоведущих частей вместо ферромагнитных используют неферромагнитные материалы – немагнитный чугун, латунь, бронза;

- применяют к.з. витки на пути магнитного потока в ферромагнитной детале.

После возможного уменьшения мощности источников теплоты следует выявить пути уменьшения максимальной температуры в аппарате за счет увеличения коэффициента теплоотдачи – Кт или площади охлаждения – Sохл. Такой способ уменьшения температуры называется идентификацией охлаждения.

Увеличения коэффициента теплоотдачи осуществляется различными способами:

- окраской нагреваемых частей краской, имеющей больший коэффициент излучения , чем поверхность, которая не окрашена; вынужденной конвекцией, жидкостным охлаждением.

Увеличение площади охлаждения достигается увеличением геометрических размеров аппарата, или применением радиаторов охлаждения, т.е. искусственным увеличением площади охлаждающей поверхности.
Режимы нагрева ЭА
При эксплуатации ЭА могут иметь место следующее режимы работы:

- продолжительный – при котором температура аппарата достигает установившегося значения и аппарат при этой температуре остается под нагрузкой сколь угодно длительное время;

- прерывисто-продолжительный – при котором аппарат остается под нагрузкой при установившемся значении температуры ограниченное техническими условиями время;

- повторно-кратковременный – при котором, температура частей ЭА за время нагрузки не достигает установившегося значения, а за время паузы не достигает температуры холодного состояния;

- кратковременный – при котором в период нагрузки температура частей ЭА достигает установившегося значения, а в период отсутствия нагрузки достигает температуры холодного состояния;

- короткого замыкания – это частный случай кратковременного режима работы, когда температура частей ЭА значительно превосходит установившуюся температуру при нормальном режиме работы.
^ Нагрев аппаратов в переходных режимах
После включения аппарата температура его элементов на фазу достигает установившегося значения. Тепло, выделяемое в аппарате частично отдается в окружающую среду, частично идет на повышение температуры.



=



+



- уравнение Ньютона
















мощность тепловых потерь в теле (Вт)




количество тепла отдавае-мое в окру-жающую среду за время dt




количество тепла воспринимаемого телом при измене-нии его темпера-туры на d




^ С – теплоемкость тела (Вт  с); С = с М, с – удельная теплоемкость единицы массы; М – масса тела (кг).

Возможно три режима работы аппарата.

Первый характеризуется постоянством подводимой к нему мощности

.

Этот случай встречается при последовательном включении его аппарата в цепь и малом изменении его сопротивления ^ R0 с ростом температуры.

При втором режиме ток через аппарат в процессе нагрева не меняется I0 = const, так как его сопротивление значительно меньше сопротивления нагрузки и остальной части цепи (Zап << Zцепи). Вследствие нагрева сопротивления токоведущей части аппарата изменяется тогда мощность, подводимая к аппарату

.

При третьем режиме обмотка аппарата подключена к напряжению и источника бесконечной мощности. Обычно так включается катушка реле напряжения и контактов. В этом случае

, .

Если Р = const, то решение имеет вид




.

Чем больше ^ Тн, тем медленнее происходит нагрев. В установившемся режиме все тепло выделяется в окружающую среду.

Тн – постоянная нагрева.


^ Постоянная нагрева


tуст = (3 – 4) Тн



Тн = 0,632 уст.


Постоянная времени – это время, в течение которого тело нагрелось бы до установившейся температуры при отсутствии теплоотдачи тепла в окружающую среду.

При нагреве без отдачи тепла в окружающую среду














т.е. рост температуры описывается касательной к кривой  (t) в начале координат.

- постоянного времени.



, если , то

- нагрев (2)

- охлаждение (1)


После отключения аппарата тепло, накопленное в процессе нагрева, отдается в окружающую среду. При этом энергетический баланс при охлаждении описывается уравнением








^ Нагрев при кратковременном режиме работы
Такой режим характеризуется тем, что при включении температуры его не достигает установившегося значения. После кратковременного нагрева аппарат отключается и его температура падает до значения температуры окружающей среды.







Чем больше постоянная нагрева Тн, тем больше время нахождении аппарата под током.


;

; .

Для характеристики кратковременного режима вводится понятие коэффициента перегрузки , который показывает во сколько раз может возрасти нагрузка (допустимая) по току при кратковременном режиме по сравнению с длительным режимом

.

С увеличением постоянной времени нагрева при неизменном значении tкр допускаемый ток Iкр и коэффициент Кр – растут. В связи с этим в аппаратах, работающих в кратковременном режиме, рекомендуется увеличивать Тн, что позволяет повысить нагрузку по току. Увеличение Тн достигается в основном за счет увеличения массы материала, участвующего в нагреве.

При t = 4Tн допускаемое превышение температуры достигает 0,98уст. Поэтому при t > 4Tн режим можно считать длительным.
^ Повторно-кратковременный и перемежающийся режимы работы
При перемежающемся режиме ток через аппарат циклически меняется не спадая до нулевого значения. Частный случай – ПКР ()



.

ПКР характеризуется продолжи-тельностью включения ПВ

.


Коэффициент перегрузки при ПКР

.

При ПКР максимальная температура ЭА меньше, чем при продолжительном режиме, т.е. в этом режиме возможно тепловая перегрузка по мощности

.

Если , то с погрешностью не выше 5 % можно считать

. - коэффициент перегрузки по току.

При возрастании отношения тепловая нагрузка аппарата увеличивается, а коэффициент перегрузки по току уменьшается.
^ Нагрев аппаратов при К.З.
Ток превышает длительное значение в 10-20 раз. Для ограничения тока, а, следовательно, нагрева, применяются защитные средства при этом длительность протекания тока ограничивается 4-5 секундами.
^ Термическая стойкость ЭА
Это способность ЭА выдерживать без повреждений, препятствующих дальнейшей работы, термическое воздействие протекающих по токоведущим частям токов заданной длительности.

Количественной характеристикой термической стойкости является ток термической стойкости, протекающий в течение определенного промежутка времени.

Термическая стойкость ЭА зависит не только от режима к.з., но и от теплового состояния, предшествующего этому режиму.

Для большинства ЭА время протекания к.з. t  0,1 Т, т.е. не превосходит времени нагрева при адиабатическом процессе (нагрев без теплообмена с окружающей средой).

Другими словами режим к.з. можно рассматривать как кратковременный режим работы, при котором температура ЭА может достигать значений, превосходящих допустимую температуру в продолжительном режиме.

Существуют ограничения, которые в основном диктуются температурой рекристаллизации материала токоведущих частей. В электроаппаратах высокого напряжения приняты следующие значения максимальной температуры при кратковременном режиме работы:

- неизолированных токоведущих частей из меди или ее сплавов –3000С;

- алюминиевых токоведущих частей – 2000С;

- токоведущих частей (кроме алюминиевых), соприкасающихся с ограниченной изоляцией или маслом – 2500С.

Расчетные времена к.з. стандартизированы и приняты равными 10; 5; 1 с. В соответствии с этими временами и токи термической стойкости носят название 10-ти секундный, 5-ти секундный и 1-секундный ток термической стойкости соответственно, т.е.

- формула пересчета токов термической стойкости.

ГОСТ - 0 = 400С. Если 0 > 400С необходим пересчет

.

Если 0 < 400С – токовую нагрузку можно увеличить.


Скачать файл (6353.6 kb.)

Поиск по сайту:  

© gendocs.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации