电器的发热计算.ppt
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1、第一讲 电器发热计算,电器的允许温升电器中的热源电器中的热传递形式电器发热计算与牛顿公式各种工作制形式下的电器热计算短路电流下的电器热计算和热稳定性电器典型部件稳定温升的分布,电器的发热计算,教学目的与要求:掌握电器的温升及电器中热源的主要来源,熟悉电器的热传递形式;掌握电器发热计算的基本方法。教学重点与难点:电器温升与温度的不同,电器中的热源主要来自三个方面:电阻损耗;涡流与磁滞损耗;介质损耗。教学基本内容:1、电器的允许温升;2、电器中的热源;3、电器中的热传递形式。4、电器发热计算的基本方法,电器的发热计算,据统计,2006年12月21日至2007年11月30日,武汉市共发生火灾5111
2、起,其中电器引发的火灾2310起,占总数的45.20。,1-1 电器的允许温升,一、三种损耗及其影响 二、电器各部件的极限允许温升 三、电器极限允许温升 四、我国标准规定的电气绝缘材料的极限温升,1-1 电器的允许温升,1-1 电器的允许温升,一、三种损耗及其影响1、三种损耗:载流体中的能量损耗损耗、交变电磁场在导磁体(铁)中产生的磁滞与涡流损耗和绝缘材料的介质损耗。结果:散失到周围介质;其余用来加热电器。2、严重后果:温升超过极限允许温升时降低了电器的机械强度和绝缘强度,导致材料老化、寿命降低。结论:研究意义重大。,1-1 电器的允许温升,1-1 电器的允许温升,材料的温度超过一定极限后,其
3、击穿电压明显下降,图l-2为瓷的击穿电压与温度的关系。,1-1 电器的允许温升,1-1 电器的允许温升,二、电器各部件的极限允许温升:1、“电器各部件极限允许温升”的定义:电器各部件极限允许温升=极限允许温度-工作环境温度 2、电器各部件的极限允许温升制定依据:绝缘不损坏;工作寿命不过分降低;机械寿命不降低(材料软化)。,1-1 电器的允许温升,三、电器极限允许温升(按相关国家温升试验标准进行测量):1、电器中裸导体的极限允许温升应小于材料软化点(机械性能显著下降即软化);2、对绝缘材料和外包绝缘的导体:其极限允许温升的 大小由绝缘材料的老化和击穿特性决定。,1-1 电器的允许温升,四、我国标
4、准规定的电气绝缘材料的极限温度:,1-2 电器中的热源,产生热源的三个主要方面:电阻(含接触电阻)损耗、交流电器导磁材料的涡流和磁滞损耗,以及交流电器绝缘材料的介质损耗。一、电阻损耗 二、铁磁损耗 三、介质损耗,1-2 电器中的热源,一、电阻损耗:也称焦耳损耗。1、计算公式:P=KfI2R式中,Kf:考虑集肤效应和邻近效应的附加损耗系数,数值大小为Kf=Ks*Kn(Ks为邻近系数,Kn为集肤系数);R:电阻,100以内时,R=0(1+)*l/A。,2.焦耳定律 直流时电阻的计算其中实际中常常用简化了的二项公式工程计算式15注意常用的铜和铝电阻计算的误差情况(P7),1-2 电器中的热源,3、集
5、肤效应:交变磁通在导体内产生反电势,中心部分的反电势值比外表部分的大,导致导体中心的电流密度比外表部分小。集肤效应的大小用电磁波在导体中的渗入深度b表示,1-2 电器中的热源,渗入深度b的大小为:,b,式中,:电阻率;f:频率;:磁导率。由于b越小,集肤效应就越强。由上式可知,当频率f越高时,渗入系数 b越小,则集肤效应越强。,集肤效应和集肤系数 集肤效应(图11)电流在导体截面的不均匀分布本质:交变磁通在导体内感生反电势,阻止原电流的流通电磁波在导体的渗入深度b(式17的由来)集肤系数 常通过查图表获得集肤系数,一些结论:越靠近表面电流密度越大集肤效应还要考虑到截面形状的影响集肤效应系数Ks
6、 1,1-2 电器中的热源,集肤系数Kj的查表求解:(1)圆截面导体:先求100m长导体的直流电阻R100-,再求,查图1-4,得Kj。,1-2 电器中的热源,(2)矩形截面导体的Kj值查表1-2得。其中,ke,1-2 电器中的热源,4、邻近效应:由于相邻载流导体间磁场的相互作用,使两导体内产生电流发布不均匀的现象。邻近效应与相邻载流导体内电流流向有关。本质:导线之间的相互影响使各自的 电流密度不均影响因素:电流频率、导线间距、截面形状和尺寸等,5.附加损耗系数Kf通过交变电流和通过直流电流时产生的损耗之比 Kf=Ks Kn 其中,集肤效应:Ks,临近效应:Kn综合考虑集肤效应和临近效应,二、
7、铁磁损耗:电器中的载流导体在附近的铁磁零件中产生交变磁通,从而在铁磁体中产生涡流和磁滞损耗。,1-2 电器中的热源源,铁损:非载流铁磁部件在交变电磁场作用下产生的的损耗铁(磁)损(耗)磁滞损耗 涡流损耗式(18)(110)损耗与f成正比例工程上一般通过试验确定查手册求取,三、介质损耗:绝缘材料在交变电场中的损耗与电场强度E和频率f成比例,高压电器一般要考虑此损耗。其大小为:式中 p:介质损耗功率;f:电场交变频率;C:介质的电容;U:外加电压;tan:绝缘材料重要特征之一,与温度、材料、工艺等有关。:介质损耗角;tan大时,介质损耗也大。,1-2 电器中的热源,电器散热有三种形式,即 热传导、
8、热对流 和 热辐射。电器的热损耗由它们散失到周围。一、热传导:由质点之间直接作用产生,存在于绝缘的液体、固体、气体中。,1-3 电器的热传递形式,热传导,定义:热能在质点间的传递;本质:质点间的直接作用(电子、分子等的热运动)热能从物体的一部分向另一部分传递热能从一物体向与之接触的另一物体传递范围:所有物质固体物质的主要传热方式金属热传导过程借助自由电子,比其它物质传热快充要条件:存在温差,热传导,相关物理量温度阶梯(或梯度)式(113)两等温线温差与其距离之比表征温度的升(降)方向热流密度 式(114)单位时间内通过垂直于热流方向单位面积的热量傅立叶公式(热传导的基本定律)式115确立了热流
9、密度与温度梯度之间的关系表明沿热流方向单位长度上的温差为1K时在单位时间内通过单位面积的热量,热导率(导热系数)式(116)注意:金属的为负值不同物质的热导率相差甚大(P11)银425、铜390、铝210、黄铜85气体0.0060.6,二.对流定义:液体或气体粒子的相对移动而产生的热能转移;本质:高温区粒子密度比低温区低,使得粒子产生移动,而导致热能的转移。范围:流体气体、液体关系:传导和对流并存影响因素:粒子运动的本质和状态介质的物理性质发热体的几何参数和状态,对流,相关物理现象(图1-4)层流稳定、平行的运动注:贴近物体表面的层流一部分是热传导方式紊流紊乱分类:自然对流和强迫对流对流散热公
10、式解析式c、r、v分别是比热容、密度、温度、速度自然对流散热的经验式,三、热辐射 由电磁波传播能量,不需直接接触的传热方式。1、热辐射的方式:热能(发热)(转变为)辐射能(实质是一种电磁波)(转变为)热能(被吸收)2、热辐射时,单位面积上的热发射功率fs计算:式中:黑度;:发热体表面热力学温度,K;0:受热体的绝对温度,K。,1-3 电器的热传递形式,3、由热辐射散失的功率:式中,T1、T2:受热体、发热体的表面温度。结论:由于电器辐射功率较小,电器散热通常考虑的方式是:热传导和热对流。,1-3 电器的热传递形式,定义:以电磁波形式转移热量;二重性本质:热能辐射能热能范围:所有物质特点:热辐射
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