Лабораторная работа 3 исследование нагрева катушек электрических аппаратов

Цель работы: произвести экспериментальное исследование нагрева катушек реле и контакторов, построение кривых нагрева и охлаждения по полученным данным; аналитическое и экспериментальное определение превышения температуры нагрева катушки над окружающей средой и их анализ; определение постоянной времени нагрева.

1. Общие положения

Катушкой называется деталь электрического аппарата, представляющая собой обмотку из проводникового материала, предназначенная для создания магнитного потока. В электрических аппаратах катушки являются основными элементами конструкций различного рода электромагнитных систем: электромагнитных механизмов аппаратов управления и автоматики, магнитных усилителей, оперативных электромагнитов рабочих машин и др.

Процессы, протекающие в обмотках катушек, во многом определяют общие их характеристики. В этом отношении обмотка как конструктивный элемент электрического аппарата, в отличие от других элементов токоведущих систем аппаратов, имеет специфические особенности и должна отвечать при прочих равных условиях двум основным требованиям:

1) обмотка данной магнитной системы при возбуждении током заданной величины должна развивать необходимую намагничивающую силу и создавать заданную величину полного магнитного потока;

2) обмотка должна обладать такими конструктивными данными и такими характеристиками нагрева, при которых может быть обеспечен необходимый срок службы ее в реальных условиях эксплуатации.

При прохождении по катушке электрического тока часть энергии переходит в тепловую. В начальные моменты времени после включения катушки в сеть количество выделенного тепла превышает количество тепла, отдаваемого в окружающую среду. Разность между ними идет на повышение температуры нагрева катушки. С повышением температуры нагрева увеличивается количество тепла, отдаваемого катушкой в окружающую среду. При определенной температуре нагрева наступает равновесие между количеством выделяемого тепла и количеством тепла, отдаваемого в окружающую среду. Рост температуры нагрева катушки при этом прекратится и наступит установившийся тепловой режим.

Закон возрастания температуры нагрева описывается уравнением экспоненты

, (3.1)

где – установившаяся температура нагрева, ;

– постоянная времени нагрева катушки, с;

– время с момента включения катушки в сеть, с.

Установившееся значение температуры нагрева наружной поверхности катушки, с которой отдается тепло в окружающую среду, определяется выражением

,

где – температура окружающей среды, ;

– превышение температуры нагрева катушки над температурой окружающей среды, градусы. Превышение может быть определено по формуле Ньютона:

, (3.2)

где – ток в катушке, А;

– активное сопротивление катушки, Ом;

– коэффициент теплоотдачи с наружной поверхности катушки, учитывающий отдачу тепла конвекцией и лучеиспусканием.

Для данных катушек , Вт/см² ; – эквивалентная поверхность теплоотдачи катушки, см²

^,

здесь – наружная поверхность катушки, см²;

– внутренняя поверхность катушки, см²;

– коэффициент, учитывающий условия теплоотдачи с внутренней поверхности катушки по сравнению с теплоотдачей с ее наружной поверхности.

По опытным данным для коэффициента ориентировочно могут быть приняты следующие значения:

– бескаркасная бандажированная катушка постоянного тока, установленная на сердечник;

– катушка постоянного тока, намотанная на металлическую гильзу, установленная на сердечник;

– катушка постоянного тока, намотанная непосредственно на сердечник;

– катушка переменного тока, установленная на шихтованный сердечник, и катушка, имеющая изоляционный каркас, изготовленный из материала, плохо проводящего тепло.

Величина установившегося превышения температуры нагрева зависит от количества тепла, выделяемого в катушке в единицу времени и от того количества тепла, которое в единицу времени рассеивается через поверхность катушки и от ее оболочки в окружающую среду.

Количество выделяемого тепла прямо пропорционально квадрату тока и электрическому сопротивлению обмотки катушки , а количество рассеиваемого тепла зависит от теплового сопротивления пути передачи тепла от обмотки к поверхности, от размеров этой поверхности и от коэффициента теплоотдачи.

По мере увеличения температуры обмотки увеличивается и ее сопротивление. Следовательно, при неизменном токе катушки увеличивается и количество выделяющегося в ней тепла.

Однако при увеличении температуры катушки увеличивается перепад между этой температурой и температурой среды, а это увеличивает способность поверхности катушки рассеивать тепло. В итоге увеличение количества выделяющегося тепла в определенной мере компенсируется увеличением теплоотдачи. Поэтому для условий длительного режима работы, при котором колебания нагрузки обычно невелики, можно без заметной погрешности считать, что сопротивление проводника катушки и коэффициент, теплоотдачи - величины постоянные.

При этих условиях величина установившегося превышения температуры нагрева зависит только от величины тока; она изменяется прямо пропорционально квадрату тока.

Как видно из формулы (3.2), чем выше коэффициент теплоотдачи и эквивалентная поверхность охлаждения , тем меньше будет . не должна превышать определенной допустимой температуры нагрева, величина которой обусловливается классом изоляции катушки.

В табл.3.1 указаны предельные допустимые значения температуры нагрева обмоток катушек.

Целесообразно отметить практическую важность применения в катушках изоляции более высокого класса. Действительно, с ростом допустимой температуры нагрева можно увеличить плотность тока в обмотке, что приведет к снижению расхода меди и габаритов намагничивающей катушки.

Таблица 3.1

Изоляция провода, способ изготовления и обработки катушек	Предельные допустимые значения, ºС
	Температуры нагрева	превышения температуры при
1. Провод с хлопчатобумажной и шелковой изоляцией без пропитки. 2. Провод с эмалевой изоляцией, имеются междуслойные бумажные прокладки, обмотка без пропитки. 3. Провод с хлопчатобумажной, шелковой или эмалевой изоляцией с бумажными прокладками. Обмотка пропитана или погружена в масляный или масломодифицированный лак. 4. Провод с эмалевой изоляцией или с изоляцией класса А, катушка компаундирована или пропитана составами, отнесенными к более высоким классам нагревостойкости. 5. Провод со стекловолокнистой изоляцией, обмотка пропитана составами на основе шеллака или синтетических смол (класс В) 6.Провод со стекловолокнистой изоляцией. Обмотка пропитана составом повышенной нагревостойкости (класс F ). 7.Провод со стекловолокнистой изоляцией. Обмотка пропитана кремнийорганическими смолами (класс Н).	90 90 105 120 130 155 180	55 55 70 85 95 120 145

Постоянная времени нагрева Т - есть время, в течение которого тело нагрелось бы до установившейся температуры при условии отсутствия отдачи тепла в окружающее пространство. Постоянная времени нагрева определяется:

, (3.3)

где C - общая теплоемкость катушки, Вт·с/ .

Величина постоянной времени нагрева косвенно определяет собой скорость возрастания температуры после подключения катушки к сети: чем больше Т, тем медленнее нагревается тело до установившейся температуры и, наоборот, чем меньше Т, тем быстрее наступит установившийся режим.

Постоянные времени нагрева большинства аппаратов относительно велики – от нескольких минут до нескольких часов. Для опытного определения установившегося превышения температуры катушек необходимо нагревать катушку в течение времени, равного примерно трем-пяти постоянным времени нагрева, т.е. .

С цепью сокращения времени исследования применяется косвенный метод определения установившегося превышения температуры нагрева. Для этого кривую нагрева катушки снимают через равные малые промежутки времени рис. 3.1. Затем, определив для каждого приращение температуры , отложить на графике в произвольном масштабе. Для всех участков будет одинаковым, следовательно, отрезки будут пропорциональны приращениям температуры . Соединив полученные точки (1, 2, 3, 4, 5) прямой линией, получим ее пересечение с осями координат. Пересечение с осью дает величину установившегося превышения температуры , так как при установившемся режиме =0. Пересечение с осью дает величину пропорциональную /Т.

В данной работе измерение температуры нагрева катушки производится методом сопротивления. Метод сопротивления основан на изменении сопротивления металлического проводника в зависимости от его температуры. Сопротивление катушки в практически холодном состоянии при температуре в данном случае температура окружающей среды)

, (3.4)

где - сопротивление катушки при , Ом;

- температурный коэффициент сопротивления, 1/°С; для медных проводов

=0,00426 1/°С.

Сопротивление катушки в нагретом состоянии при температуре

. (3.5)

Рис. 3.1. Кривая нагрева катушек электрических аппаратов

Из уравнений (3.4) и (3.5) находим, что

. (3.6)

Таким образом, по формуле (3.6) можно найти температуру нагрева катушки, если измерить и рассчитать и . Сопротивление катушки при температуре определяется по формуле:

,

где - напряжение при и ;

- ток при и .

Сопротивление катушки при температуре можно определить по формуле:

где _, – соответственно значения напряжения и тока для каждого момента времени.

Методом сопротивления находится лишь средняя температура нагрева катушки, которая будет несколько ниже максимального значения.

Максимальное значение температуры нагрева катушки в установившемся тепловом режиме можно определить с помощью формулы Видмара

где – превышение температуры поверхности катушки.