1. Тепловые процессы в электрических аппаратах
Источники теплоты в электрических аппаратах
При протекании тока по электрическому проводнику в нём выделяется мощность P, которая для однородного проводника с равномерной плотностью постоянного тока I в единицу времени определяется как
где R – активное электрическое сопротивление проводника длиной l и поперечным сечением S
поверхностным эффектом называется явление неравномерного распределения плотности переменного тока по поперечному сечению одиночного проводника, а эффектом близости – явление неравномерного распределения плотности переменного тока, обусловленное влиянием друг на друга близко расположенных проводников с токами.
Неравномерность распределения плотности тока приводит к возникновению дополнительных потерь мощности. При этом следует учитывать, что в проводниках из ферромагнитных материалов вышеуказанные явления проявляются значительно сильнее, чем в немагнитных проводниках.
Различают три способа распространения теплоты в пространстве: теплопроводностью, тепловым излучением и конвекцией.
Теплопроводность – распространение тепловой энергии при непосредственном соприкосновении отдельных частиц или тел, имеющих разную температуру. Теплопроводящие свойства среды характеризуются коэффициентом теплопроводности.
Тепловое излучение – распространение внутренней энергии тела путём излучения электромагнитных волн. Совокупность процессов взаимного излучения, поглощения, отражения и пропускания энергии в системе различных тел называется теплообменом излучением. Процесс осуществляется электромагнитными колебаниями с различной длиной волны.
Конвекция – распространение теплоты при перемещении объёмов жидкостей или газов в пространстве из областей с одной температурой в области с другой температурой. Различают естественную и вынужденную (искусственную) конвекцию.
Формула Ньютона для расчета процесса нагрева элементов аппарата
Температура наружной поверхности аппарата относительно окружающей среды рассчитывается по формуле Ньютона:
Эту формулу можно представить в виде теплового закона Ома:
Задачей теплового расчета является определение мощности источника теплоты и условий, при которых максимальная температура элементов аппарата не превысит предельно-допустимого.
Для понижения действия источника теплоты используют проводниковые материалы с малым удельным сопротивлением, для передачи вспомогательного тока используют трубчатые проводники.
Различают прямую и обратную задачи теплового расчета:
-прямая- зная допустимую температуру, геометрические размеры и способ охлаждения определяют допустимую нагрузку по формуле Ньютона. Из неё находят длительно допустимый ток.
- обратная- зная способ охлаждения, допустимую температуру и нагрузку находят требуемую площадь охлаждения.
Связь между объемной плотностью источника тепла и намагничивающей силы обмотки определяется выражением:
Уравнение баланса энергии при нагревании
За время dt энергия в виде тепла, генерируемая в аппаратах расходуется на увеличение температуры тела, а часть её отделяется в окружающую среду.
Уравнение баланса можно записать в виде диф. ур-я:
Решением уравнения является сумма установившейся и свободной составляющих. Если процесс перестал изменятся, то производная равна 0.
Зависимость температуры от времени будет иметь вид:
Постоянная времени определяется как время, необходимое для достижения 2/3 установившихся значений температуры. Можно считать, что процесс установления достигает установившегося значения за 5Т.