
- •2. Содержание теоретического курса
- •3. Основная и дополнительная литература
- •3.1.Основная литература
- •3.2.Дополнительная литература
- •4. Практические занятия
- •6. Индивидуальные занятия
- •7. Самостоятельная работа
- •Часть I конспекта охватывает первый модуль (из двух) обучения по курсу. По мнению автора, эта часть является основополагающей для понимания всех процессов, связанных с аппаратами.
- •Введение
- •Основные физические явления и процессы в электрических аппаратах
- •1. Тепловые процессы в электрических аппаратах
- •1.1. Источники теплоты в электрических аппаратах
- •1.2. Способы распространения теплоты в электрических аппаратах
- •1.3. Задачи тепловых расчетов
- •1.4. Режимы нагрева электрических аппаратов
- •1.5. Термическая стойкость электрических аппаратов
- •Решение.
- •Решение.
- •Решение.
- •Решение.
- •Решение.
- •Решение.
- •Решение.
- •Решение.
- •Контрольные вопросы
- •Контактная система электрических аппаратов
- •Классификация электрических контактов
- •Контактная поверхность и контактное сопротивление
- •Нагрев контактов
- •2.4. Режимы работы контактов
- •2.5. Материалы контактов
- •Решение.
- •Решение.
- •Контрольные вопросы
- •3. Электромагнитные явления в электрических аппаратах
- •3.1. Основные понятия теории ферромагнетизма
- •Закон электромагнитной индукции
- •3.2. Кривые намагничивания и петли гистерезиса. Магнитные материалы
- •Динамические петли гистерезиса
- •3.3. Магнитная система и магнитная цепь электрических аппаратов
- •I закон Кирхгофа
- •II закон Кирхгофа
- •II закон Кирхгофа вытекает из закона полного тока. Учитывая, что м.Д.С. F определяется через ток I и число витков w, ,
- •3.4. Методы расчета магнитных цепей
- •Алгоритм решения задачи
- •Определение магнитного потока в неразветвленной магнитной цепи по заданной намагничивающей силе
- •Расчет магнитной цепи с учетом магнитного сопротивления и потоков рассеяния
- •3.7. Расчёт катушки электромагнита
- •3.8. Определение силы тяги
- •3.11. Сравнение электромагнитов постоянного
- •3.12. Магнитная цепь постоянного магнита
- •Решение.
- •Решение.
- •Контрольные вопросы
- •4. Электродинамическая стойкость электрических аппаратов. Расчет электродинамических усилий
- •Пример 14.
- •Решение.
- •Пример 15.
- •П ример 16.
- •Решение.
- •Пример 17.
- •Решение.
- •Контрольные вопросы
- •5. Электрическая дуга и дугогасительные системы
- •5.1. Электрическая дуга в цепи постоянного тока
- •5.2. Дугогасительные системы
- •5.3. Дугогасительные камеры
- •Приложения
- •Медный эмалированный провод пэв-1
- •Продолжение таблицы п.4
- •Часть I
Основные физические явления и процессы в электрических аппаратах
1. Тепловые процессы в электрических аппаратах
Электрические аппараты являются сложными электротехни-ческими устройствами, содержащими проводники элект-рического тока, магнитопроводы, участки электрической изоляции.
При работе аппарата в его токоведущей части, магнитопроводе, изоляции и деталях возникают потери элект-рической энергии, которые превращаются в тепло. Тепловая энергия частично расходуется на повышение температуры аппарата, а частично отдаётся в окружающую среду.
Нагрев
токоведущих частей, магнитопровода и
изоляции аппарата в значительной степени
определяют его надёжность. Поэтому во
всех возможных режимах работы температура
частей
аппарата
не должна превышать таких значений,
при которых обеспечивается его надежная
длительная работа.
1.1. Источники теплоты в электрических аппаратах
В аппаратах постоянного тока в электрическом проводнике с равномерной плотностью тока выделяется мощность в единицу времени:
,
(1)
где I - постоянный ток, R - активное электрическое сопротивление однородного проводника длиной l и поперечным сечением S,
.
(2)
Удельное электрическое сопротивление ρ материала проводника зависит от температуры v и чаще всего вычисляется по формуле (до температуры 150 ‑ 200 0С):
,
(3)
где
-
удельное
сопротивление при температуре 0 0С,
α - температурный коэффициент сопротивления.
На переменном токе в проводнике возникают два явления:
поверхностный эффект и эффект близости.
Поверхностный
эффект – это неравномерное распре-деление
плотности переменного тока по поперечному
сечению одиночного провода. Известно,
что чем больше частота тока, тем в большей
степени проявляется поверхностный
эффект. Существенную роль играют размеры
проводника: чем больше его диаметр, тем
в большей степени проявляется его
поверхностный эффект, который учитывается
коэффициентом
.
На рис. 1 представлены кривые
:
КП 1 – для сплошного токопровода
1 2 диаметром – d;
2 – для трубчатого токопровода.
Рис. 1
В проводниках большого сечения из-за поверхностного эффекта внутренняя часть сечения не обтекается током, следовательно, не используется. В этом случае применяют трубчатые токопроводы.
Неравномерность распределения плотности тока при поверхностном эффекте приводит к дополнительным (по отношению к постоянному току) потерям мощности, а следовательно, нагреву токопровода.
Эффект близости – это неравномерное распределение плотности переменного тока из-за влияния друг на друга близко расположенных токопроводов.
Коэффициент близости КБ также зависит от размеров, формы токопровода и расстояния между ними.
Таким образом, потери мощности при переменном токе вычисляют по формуле:
P~
.
(4)
В проводниках из ферромагнитных материалов поверх-ностный и эффект близости проявляются сильнее, а коэффициенты KП и KБ больше, чем в немагнитных проводниках.
Профессором Н.Е. Лысóвым предложена эмпирическая формула для расчета потерь мощности в токопроводе переменного тока из ферромагнитного материала [1]:
,
(5)
где Sохл - площадь поверхности охлаждения токопровода,
П - периметр поперечного сечения токопровода,
f - частота тока.
В ферромагнитных нетоковедущих частях электрических аппаратов, находящихся в переменном магнитном поле, возникают так называемые вихревые токи.
Для сплошного
замкнутого магнитопровода (рис. 2), на
который намотана катушка с числом
I W витков W и током, проходящим по
ней, I потери мощности можно
lСР посчитать по аналогичной формуле:
Рис.
2
,
(6)
где lср - длина средней линии магнитопровода.
Если
магнитопровод выполнен из листовой
стали, то потери мощности в нем определяются
по специальным справочникам в зависимости
от амплитудного значения магнитной
индукции Вт,
толщины листа и сорта стали
.
Итак, были рассмотрены основные и наиболее общие источники теплоты в электрических аппаратах. Но существует очень мощный источник теплоты, такой как электрическая дуга, возникающая в отдельных видах аппаратов, предназначенных для коммутации электрических цепей. Эта тема будет рассмотрена особо.