17 | 08 | 2019

Электрические аппараты конспект лекций ( лекции 1 - 10)

ЛЕКЦИЯ № 1
1 НАГРЕВ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ АППАРАТОВ


ЛЕКЦИЯ № 2
НАГРЕВ ПРИ КРАТКОВРЕМЕННОМ РЕЖИМЕ РАБОТЫ


ЛЕКЦИЯ № 3
2 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ КОНТАКТЫ


ЛЕКЦИЯ № 4
ОТКЛЮЧЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ


ЛЕКЦИЯ № 5
4. ЭЛЕКТРОМАГНИТЫ


ЛЕКЦИЯ № 6
4.4 ВЛИЯНИЕ КОРОТКОЗАМКНУТОГО ВИТКА НА РАБОТУ АППАРАТОВ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА


ЛЕКЦИЯ № 7
РАСЧЕТ ОБМОТКИ ЭЛЕКТРОМАГНИТОВ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА


ЛЕКЦИЯ № 8
ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ АППАРАТЫ АВТОМАТИКИ


ЛЕКЦИЯ № 9
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ РЕЛЕ


ЛЕКЦИЯ № 10
ТЕПЛОВЫЕ РЕЛЕ. ЗАЩИТА ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ. ВЫБОР РЕЛЕ

 

ЛЕКЦИЯ № 1

1 НАГРЕВ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ АППАРАТОВ

1.1 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

При работе электрических аппаратов имеют место потери электроэнергии в виде тепла, которое расходуется на нагрев электрических аппаратов и рассеивается в окружающей среде.

В результате нагрева электрических аппаратов происходит их старение. При недопустимых значениях нагрева происходит преждевременный выход из строя не только отдельных элементов, но и аппаратов в целом.

Например, при возрастании допустимой температуры лишь на 8ºС, срок службы изоляции сокращается в 2 раза. При увеличении прочность меди снижается на 40%.

Поэтому для того, чтобы электрический аппарат свои нормативные часы, необходимо обеспечить его допустимый тепловой режим работы.

1.2 АКТИВНЫЕ ПОТЕРИ ЭНЕРГИИ В АППАРАТАХ

В аппаратах постоянного тока нагрев происходит в основном за счет потерь в активном сопротивлении токоведущей цепи.

Энергия, выделяющаяся в проводнике

, Дж

Где I – ток, А;

R ‑ сопротивление проводника, Ом;

T – длительность протекания тока, с.

Активное сопротивление проводника различно при постоянном и переменном токе из-за поверхностного эффекта и эффекта близости.

При переменном токе

(1.1)

Где - сопротивление при постоянном токе;

- коэффициент добавочных потерь из-за вышеотмеченных эффектов.

ПОВЕРХНОСТНЫЙ ЭФФЕКТ

Результатом поверхностного эффекта является неравномерность плотности тока по сечению проводника. Переменный ток, протекая по проводнику создает переменное магнитное поле, которое пронизывает проводник, наводит в нем ЭДС. Эта ЭДС создает вихревые токи, которые геометрически складываются с основным магнитным потоком. В результате наибольшая плотность будет на поверхности проводника. Коэффициент добавочных потерь, обусловленных поверхностным эффектом, принято обозначать – . всегда больше единицы ( > 1).

ЭФФЕКТ БЛИЗОСТИ

Эффект близости заключается во взаимном влиянии магнитных полей проводников на ток, протекающий по этим проводникам.

В результате ток по сечению проводников распределяется неравномерно.

Отношение активного сопротивления проводника, находящегося в магнитном поле других проводников, к сопротивлению уединенного проводника называется коэффициентом близости.

(1.2)

Как и в случае с поверхностным эффектом коэффициент близости усиливается с частотой тока, электрической проводимостью материала.

зависит как от формы, так и взаимного расположения и направления токов в них.

Коэффициент близости может быть и меньше единицы.

В трехфазных системах влияние соседних фаз значительно сложнее, чем в однофазных. Однако здесь имеет место минимальное расстояние между фазами, при котором эффект близости практически можно не учитывать. Так, при цилиндрических проводах , если расстояние между фазами , где d – диаметр провода. Для прямоугольных шин в трехфазной системе , если , где h – наибольший размер поперечного сечения шины [1].

С учетом (1.1) и (1.2) получим

(1.3)

Как следует из вышесказанного поверхностный эффект и эффект близости существенно влияют на сопротивление проводников, а следовательно и величину потерь в этих проводниках.

ПОТЕРИ В НЕТОКОВЕДУЩИХ ФЕРРОМАГНИТНЫХ ДЕТАЛЯХ АППАРАТОВ

В цепях переменного тока, где имеются ферромагнитные элементы, имеют место активные потери.

Причина в том, что переменный магнитный поток, пересекая ферромагнитные детали, наводит вихревые токи. Они то и являются причиной потерь. Направление вихревых токов таково, что создаваемые ими магнитные потоки направлены встречно основному полю. По этой причине магнитный поток по сечению распределяется неравномерно и магнитная индукция максимальна на поверхности стержня.

Распределение магнитной индукции В и плотности тока I в ферромагнитном стержне показано на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 – Распределение магнитной индукции В и плотности тока I в ферромагнитном стержне.

Глубина проникновения (а) электромагнитной волны в тело стержня, м, и удельная мощность потерь , , определяются по формулам

;

;

(1.4)

Где - удельное электрическое сопротивление материала стержня, ;

*- круговая частота изменения потока, ;

- абсолютная магнитная проницаемость материала стержня, ;

- мощность потерь на 1 см поверхности;

- МДС на единицу длины стержня, ;

*- частота, ;

- индукция, .

Из (1.4) видно, что чем меньше и выше И , тем сильнее эффект вытеснения потока, следовательно и больше потери.

Полные потери в стальном магнитопроводе определяются:

(1.5)

Где - максимальное значение магнитной индукции в магнитопроводе, ;

и - коэффициенты потерь от гистерезиса и вихревых токов;

- масса магнитопровода, ;

*- частота тока.

Для применяемых в электрических аппаратах трансформаторных сталей значения

.

Для уменьшения потерь в магнитопроводе электроаппаратов они выполняются шихтованными из тонких изолированных друг от друга листов электротехнической стали толщиной 0,20,5 .

Для уменьшения потерь в массивных ферромагнитных деталях предусматриваются следующие меры:

• увеличивают расстояние от проводника с током до ферромагнитных деталей;

• на пути магнитного потока вводится немагнитный зазор;

• при номинальных токах выше 1000 А конструкционные детали изготавливаются из немагнитных материалов (латунь, немагнитный чугун, алюминиевые сплавы и др.).

Следует отметить, что в аппаратах переменного тока высокого напряжения помимо потерь в проводниках и ферромагнитных материалах учитывают также потери в изоляции проводов и изолирующих деталях

,

(1.6)

Где - емкость изоляции, ;

*- действующее значение напряжения, ;

*- тангенс угла диэлектрических потерь в изоляции.

Изоляция аппарата нагревается за счет как этих потерь, так и потерь в токоведущей цепи.

2 УСТАНОВИВШИЙСЯ РЕЖИМ НАГРЕВА

Процесс нагрева считается установившемся, если с течением времени температура частей аппарата не изменяется. Температура считается установившейся, если за 1 час нагрева она возрастет не более чем на 1ºС. В установившемся режиме все выделяющееся тепло отдается в окружающее пространство.

3 НАГРЕВ АППАРАТОВ В ПЕРЕХОДНЫХ РЕЖИМАХ ПЕРЕХОДНЫЙ ПРОЦЕСС ПРИ НАГРЕВЕ И ОХЛАЖДЕНИИ

Тепло, выделяющееся в аппарате, частично отдается в окружающее пространство, частично идет на повышение его температуры.

Количество тепла, отдаваемого в окружающее пространство, определяется с помощью уравнений Ньютона [1]:

(1.7)

I – количество тепла, отдаваемое телом в окружающую среду за время ;

II – количество тепла, воспринимаемое телом при изменении его температуры на .

Где - мощность тепловых потерь в теле, ;

* - теплоемкость тела, ;

*- удельная теплоемкость единицы массы, ;

*- изменение температуры тела;

*- масса тела, ;

*- коэффициент теплообмена (является сложной функцией температуры и других физических параметров);

*- площадь охлаждения, .

Если P=const, то решение уравнения (1.7) имеет вид

(1.8)

Где - превышение температуры в начале процесса (t=0);

- установившееся превышение температуры,

;

T – постоянная времени нагрева,

Зависимость показана на рисунке 1.2.

Рисунок 1.2 – Переходный процесс нагрева и охлаждения

Зависимость при отключении аппарата изменяется в соответствии с выражением

(1.9)