phát nóng TRONG thiết bị điện

Chia sẻ: Dinh Quang Hieu Hieu | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:9

Thêm vào BST

Báo xấu

184
lượt xem 48
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Nhiệt lượng sinh ra do dòng điện chạy qua trong cuộn dây hay vật dẫn điện khi thiết bị điện làm việc sẽ gây phát nóng. Ngoài ra trong thiết bị điện xoay chiều còn có tổn hao dòng xoáy và từ trễ trong lõi sắt từ cũng sinh ra nhiệt. Nếu nhiệt độ phát nóng của thiết bị điện vượt quá trị số cho phép thì thiết bị điện sễ nhanh bị hư hỏng, vật liệu cách điện nhanh bị già hoá, độ bền cơ khí của kim loại bị giảm sút. Nhiệt độ cho phép của các bộ...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: phát nóng TRONG thiết bị điện

Ch¬ng III:ph¸t nãng TRONG thiÕt bÞ ®iÖn III.1.§¹i c¬ng vÒ ph¸t nãng III.1.1.Kh¸i niÖm chung NhiÖt lîng sinh ra do dßng ®iÖn ch¹y qua trong cuén d©y hay vËt dÉn ®iÖn khi thiÕt bÞ ®iÖn lµm viÖc sÏ g©y ph¸t nãng. Ngoµi ra trong thiÕt bÞ ®iÖn xoay chiÒu cßn cã tæn hao dßng xo¸y vµ tõ trÔ trong lâi s¾t tõ còng sinh ra nhiÖt. NÕu nhiÖt ®é ph¸t nãng cña thiÕt bÞ ®iÖn vît qu¸ trÞ sè cho phÐp th× thiÕt bÞ ®iÖn sÔ nhanh bÞ h háng, vËt liÖu c¸ch ®iÖn nhanh bÞ giµ ho¸, ®é bÒn c¬ khÝ cña kim lo¹i bÞ gi¶m sót. NhiÖt ®é cho phÐp cña c¸c bé phËn cña thiÕt bÞ ®iÖn tham kh¶o theo b¶ng cho s½n. Trong tÝnh to¸n ph¸t nãng thiÕt bÞ ®iÖn thêng dïng kh¸i niÖm ®é chªnh lÖch τ lµ hiÖu sè gi÷a nhiÖt ®é ph¸t nãng θ vµ nhiÖt ®é m«i trêng xung quanh thiÕt bÞ ®iÖn θ0. ë vïng «n ®íi cho phÐp τ = 350C, vïng nhiÖt ®íi τ = 500C. Sù ph¸t nãng thiÕt bÞ ®iÖn cßn phô thuéc vµo chÕ ®é lµm viÖc. ThiÕt bÞ ®iÖn cã ba chÕ ®é lµm viÖc: Dµi h¹n, ng¾n h¹n vµ ng¾n h¹n lÆp l¹i. III.1.2.C¸c nguån nhiÖt trong thiÕt bÞ ®iÖn- C¸c ph¬ng ph¸p truyÒn nhiÖt Trong thiÕt bÞ ®iÖn mét chiÒu sù ph¸t nãng chñ yÕu lµ do tæn hao ®ång. §èi víi thiÕt bÞ ®iÖn xoay chiÒu, sù ph¸t nãng sinh ra chñ yÕu lµ do tæn hao ®ång trong d©y quÊn vµ tæn hao s¾t tõ trong lâi thÐp, ngoµi ra cßn tæn hao do hiÖu øng bÒ mÆt. Song song víi qu¸ tr×nh ph¸t nãng cã qu¸ tr×nh to¶ nhiÖt gåm: DÉn nhiÖt, bøc x¹ nhiÖt vµ ®èi lu nhiÖt. Qu¸ tr×nh dÉn nhiÖt, nhiÖt lîng dÉn tÝnh theo c«ng thøc: ∂Q dQ = λ. .dS .dt ∂X trong ®ã: dQ- NhiÖt lîng ®îc dÉn theo ph¬ng x; ∂Q - Lµ gra®ien nhiÖt lu theo ph¬ng x; ∂X dS - DiÖn tÝch nhiÖt lu ®i qua; dt- Thêi gian; λ- HÖ sè dÉn nhiÖt [W/0C.cm2]. Bøc x¹ nhiÖt: Phô thuéc bÒ mÆt to¶ nhiÖt. 27
§èi lu nhiÖt: Ph©n lµm ®èi lu tù nhiªn vµ ®èi lu cìng bøc, ®èi lu phô thuéc vµo vÞ trÝ ph©n bè cña vËt thÓ, kÝch thíc bÒ mÆt, tÝnh chÊt m«i trêng xung quanh vËt vµ nhiÖt ®é m«i trêng. NÕu xÐt c¶ ®ång thêi ba h×nh thøc trªn th× cã c«ng thøc Niut¬n sau: P P = α.S.τ hay τ = Sα trong ®ã: P- NhiÖt lîng to¶ ra; S - Diªn tÝch to¶ nhiÖt; τ- §é chªnh nhiÖt cña vËt dÉn víi m«i trêng; α- HÖ sè to¶ nhiÖt [N/0C.cm2]. Dïng c«ng thøc trªn rÊt tiÖn nhng sai sè cì (15÷ 25%). HÖ sè α tra trong tµi liÖu thiÕt kÕ: + Víi cuén d©y truyÒn nhiÖt tèt trong ph¹m vi nhiÖt ®é 75 0C ÷ 1200C hÖ sè α lµ: α = 11.10-4 ÷ 12,98.10-4 [N/0C.cm2]. + Víi cuén d©y truyÒn nhiÖt kÐm: α = 9,84.10-4 ÷ 11,52.10-4 [N/0C.cm2]. III.1.3.NhiÖt ®é ph¸t nãng vµ cÊp c¸ch ®iÖn NhiÖt ®é m«i trêng xung quanh quy ®Þnh cho c¸c níc ë vïng «n ®íi θ0= 350C, níc ë vïng nhiÖt ®íi θ0 = 400C. NhiÖt ®é ph¸t nãng chªnh lÖch τ = θ - θ0 quy ®Þnh tõng vïng «n ®íi th×: τ = 350C, vïng nhiÖt ®íi τ = 500C. CÊp c¸ch ®iÖn: C¨n cø vµo kh¶ n¨ng chÞu nhiÖt ph¸t nãng lín nhÊt cña vËt liÖu c¸ch ®iÖn mµ kh«ng lµm ph¸ huû tÝnh chÊt c¬ b¶n cña nã, ngêi ta chia vËt liÖu c¸ch ®iÖn ra lµm c¸c chÊt c¸ch ®iÖn gåm c¸c cÊp: A: [T0] = (90÷ 105)0C E: [T0] = (105÷ 120)0C B: [T0] = (120÷ 140)0C C¸c bé phËn thiÕt bÞ ®iÖn quy ®Þnh + VËt liÖu kh«ng bäc c¸ch ®iÖn ®Ó xa vËt liÖu c¸ch ®iÖn [T 0] =1100C + D©y nèi tiÕp xóc cè ®Þnh [T0] = 750C + TiÕp xóc m¹ b¹c [T0] =1200C + vËt liÖu dÉn ®iÖn cã bäc c¸ch ®iÖn th×: - CÊp O: [T0] ≤ 800C - CÊp A: [T0] ≤ 950C - CÊp B: [T0] ≤ 1100C + VËt liÖu kh«ng dÉn ®iÖn kh«ng bäc c¸ch ®iÖn [T 0] ≤ 1100C 28
Ngoµi ra chÕ ®é lµm viÖc kh¸c nhau cã nhiÖt ®é lín nhÊt cho phÐp kh¸c nhau. III.2.Ph¸t nãng trong thiÕt bÞ ®iÖn ë chÕ ®é lµm viÖc dµi h¹n ThiÕt bÞ ®iÖn lµm viÖc dµi h¹n tøc lµ thiÕt bÞ ®iÖn cã thÓ lµm viÖc liªn tôc l©u dµi nhng thêi gian lµm viÖc ph¶i kh«ng nhá h¬n thêi gian cÇn thiÕt ®Ó thiÕt bÞ ph¸t nãng ®Õn nhiÖt ®é æn ®Þnh. Khi cã dßng ®iÖn I ch¹y trong vËt dÉn sÏ g©y ra tæn hao mét c«ng suÊt P vµ trong thêi gia dt sÏ g©y ra mét nhiÖt lîng: P.dt = RI2dt (III-1) NhiÖt lîng hao tæn nµy bao gåm hai phÇn: - §èt nãng vËt dÉn G.C.dτ. - To¶ ra m«i trêng xung quanh S.α.τ.dt Ta cã ph¬ng tr×nh c©n b»ng nhiÖt cña qu¸ tr×nh ph¸t nãng: P.dt = G.C.dτ + S. ατdt (III-2) trong ®ã: G- lµ khèi lîng vËt dÉn [g]; C- lµ tØ lÖ vËt dÉn to¶ nhiÖt [J/kg]; τ- lµ ®é chªnh lÖch nhiÖt [00C]; α- lµ hÖ sè to¶ nhiÖt. Tõ (III-2) ta cã ph¬ng tr×nh: P dτ S .α = + .τ (III-3) G.C dt G.C Gi¶i ph¬ng tr×nh vi ph©n (III-3) víi ®iÒu kiÖn t¹i t = 0 th× ®é chªnh lÖch ban ®Çu lµ τ0, ta ®îc: τ P  t  −αS −αS t T τ= 1 − e G.C  + τ 0 e G.C (iii-4) S .α     τ «d B A 1 G.C 2 3 §Æt: T = − lµ h»ng sè thêi gian S .α ph¸t nãng. τ0 P = τ od ®é chªnh nhiÖt æn t [ s] S .α 0 ®Þnh. ta cã: H×nh III-1:  − t  − t Ph¸t nãng dµi h¹n τ = τ od 1 − e T   + τ o e T (III-5)    Khi t = 0 mµ τ0= 0 th×: 29
 − t  τ = τ od 1 − e T    (III-   6) Khi ng¾t dßng ®iÖn (I = 0), qu¸ tr×nh ph¸t nãng chÊm døt vµ qu¸ tr×nh nguéi l¹nh b¾t ®Çu x¶y ra, nghÜa lµ P.dt = 0, ta cã ph¬ng tr×nh nguéi l¹nh: I2R.dt = 0 (III-7) Vµ: G.C.dτ + S.α + τ.dt = 0 nªn cã: dτ G.C + τ =0 (III- dt S .α 8) Víi ®iÒu kiÖn khi ng¾t dßng ®iÖn, ®é chªnh lÖch nhiÖt b»ng ®é chªnh lÖch nhiÖt æn ®Þnh. Gi¶i ph¬ng tr×nh vi ph©n (III-8) ta ®îc biÓu thøc thÓ hiÖn qu¸ tr×nh nguéi l¹nh: t − τ = τ od e T H»ng sè thêi gian ph¸t nãng T lµ kho¶ng thêi gian cÇn thiÕt ®Ó ®èt nãng vËt nªn tíi ®é chªnh nhiÖt æn ®Þnh nÕu kh«ng cã sù to¶ nhiÖt m«i trêng xung quanh. X¸c ®Þnh h»ng sè T b»ng gi¶i tÝch, ta cã: P.dt = G.C.dτ dτ P P = th×: τ = .t + τ 0 dt G.C G.C P NÕu τ0 = 0 th×: τ = .t G.C P Khi τ0 = τod th× t = T. Tõ τod = .T vµ theo c«ng thøc Niut¬n τod = G.C P α .S G.C Ta cã: T= (III-9) S .α Dïng ph¬ng ph¸p vÏ còng cã thÓ x¸c ®Þnh ®îc gi¸ trÞ T. Tõ gèc to¹ ®é gèc ta vÏ ®êng tiÕp tuyÕn víi ®êng cong 1 vµ ®êng cong 2. Ta nhËn ®îc AB = T . dτ τ od BC = = tgα = dt t =0 T AB trong ®ã: BC = τ«d vËy AB = T . Qu¸ tr×nh ph¸t nãng cã to¶ nhiÖt ra m«i trêng xung quanh th× sau thêi gian T ®é chªnh lÖch nhiÖt chØ ®¹t tíi gi¸ trÞ 0,632τ«d. III.3.Ph¸t nãng trong thiÕt bÞ ®iÖn ë chÕ ®é lµm viÖc ng¾n h¹n 30
ë chÕ ®é lµm viÖc ng¾n h¹n ®é chªnh lÖch nhiÖt cña thiÕt bÞ ®iÖn sau thêi gian lµm viÖc cha ®¹t tíi trÞ sè æn ®Þnh th× thiÕt bÞ ®iÖn ®· ngõng lµm viÖc. NhiÖt ®é ph¸t nãng ë chÕ ®é nµy lµ nhá nhÊt. Khi ngõng lµm viÖc (I = 0) qu¸ tr×nh nguéi l¹nh l¹i b¾t ®Çu. Gi¶ sö lµm viÖc dµi h¹n ®êng cong ph¸t nãng lµ ®êng 1 trong h×nh III-2. Phô t¶i nµy lµ Pf: τ Pf = α.S.τf (III-10) Sau thêi gian tlv (thêi gian lµm viÖc τmax ng¾n h¹n) ®é chªnh nhiÖt míi ®¹t tíi trÞ τ11 (III-13) Pf τf − tlv 1− e T V× c«ng suÊt tû lÖ víi b×nh ph¬ng dßng ®iÖn nªn: In 1 KI = = Kp = tlv (III- I× − 1− e T 14) KI- HÖ sè qu¸ t¶i vÒ dßng ®iÖn. VÝ dô: Mét thiÕt bÞ ®iÖn cã T = 180s nÕu lµm viÖc dµi h¹n th× dßng ®iÖn cho phÐp If =100A nhng nÕu lµm viÖc ng¾n h¹n trong thêi gian t lv = 5s th× cã thÓ t¨ng dßng ®iÖn lªn bao nhiªu? Lêi gi¶i: 31
1 1 KI = t = 5 =6 − lv − 1− e T 1− e 180 VËy dßng cho phÐp lín nhÊt lµ: In= KI.If = 6. 100 = 600[A]. III.4.Ph¸t nãng trong thiÕt bÞ ®iÖn ë chÕ ®é lµm viÖc ng¾n h¹n lÆp l¹i §©y lµ mét chÕ ®é mµ thiÕt bÞ ®iÖn lµm viÖc trong mét thêi gian tlv mµ nhiÖt ®é ph¸t nãng cha ®¹t tíi b·o hoµ vµ sau ®ã nghØ mét thêi gian tng mµ nhiÖt ®é cha gi¶m vÒ nhiÖt ®é ban ®Çu vµ tiÕp tôc lµm viÖc vµ nghØ xen kÏ. Qu¸ tr×nh lµm viÖc lµ nghØ cø lÆp l¹i tuÇn hoµn nh vËy. §Ó thÓ hiÖn møc ®é lµm viÖc lÆp l¹i, ngêi ta dïng kh¸i niÖm hÖ sè lµm viÖc (cßn gäi lµ hÖ sè ®ãng ®iÖn): t lv §L% = t + t .100% (III- lv ng 15) Trong thùc tÕ §L% thêng b»ng 25%, 40%, 60%. Trong chÕ ®é lµm viÖc ng¾n h¹n lÆp l¹i, nhiÖt ®é ph¸t nãng nhá h¬n chÕ ®é lµm viÖc dµi h¹n nhng lín h¬n chÕ ®é ng¾n h¹n. Tæng thêi gian lµm viÖc t lv vµ thêi gian nghØ tng gäi lµ thêi gian chu kú tck. tck= tlv+ tng Ta gi¶ thiÕt t¹i thêi ®iÓm ban ®Çu ®é chªnh nhiÖt ®é cña vËt dÉn lµ τ0 sau thêi gian lµm viÖc tlv vËt dÉn ®îc ®èt nãng ®Õn ®é chªnh nhiÖt lµ:  t − lv  t − lv τ 1 = τ od 1 − e T   + τ 0e T  (III-   16) Sau thêi gian nghØ tng vËt dÉn nguéi xuèng nhiÖt ®é: t ng τ 2 = τ 1e − T (III-17) Chu kú tiÕp theo vËt dÉn l¹i bÞ ®èt nãng tíi ®é chªnh nhiÖt ®é:  t − lv  t − lv 1 − e T τ 3 = τ od   + τ 2e T (III-18) τ    τ max 2 Sau mét sè chu kú ®é chªnh / τ nhiÖt ®é ®¹t ®Õn ®é chªnh nhiÖt cùcτ max f ®¹i τmax vµ ®é chªnh nhiÖt ®é cùc tiÓu τ min 1 τmin kh«ng thay ®æi, ta gäi lµ thêi kú 4 æn ®Þnh. T¬ng tù nh trªn ta viÕt: 3 Qu¸ tr×nh ph¸t nãng:  t − lv  t − lv τ max 1 − e T = τ od   + τ min e T (III-19)    t lv t ng t [ s] Qu¸ tr×nh nguéi l¹nh: t ng 32 t ck − τ min = τ max e T (III-20) H×nh III-3: Ph¸t nãng khi ng¾n h¹n lÆ p l¹i
Gi¶i hai ph¬ng tr×nh nµy ta ®îc:  t − lv  1 − e T    τ max = τ od   (III- tlv + t ng − 1− e T 21) Víi: τ«®- §é chªnh nhiÖt æn ®Þnh b»ng ®é chªnh nhÞªt cho phÐp τf[ C] 0 τmax- §é chªnh nhiÖt lín nhÊt khi lµm viÖc ng¾n h¹n lÆp l¹i 0 [ C] Cã: τmax< τf = τ«® nªn cã thÓ cho t¨ng t¶i thªm lªn ®Ó lµm viÖc nh ë ®êng cong ph¸t nãng 2 (øng víi τnl > τf ) h×nh III-3, ®Ó sau thêi gian lµm viÖc τ = τf. Ta cã: tlv − 1− e T τ f = τ ni tlv + t ng (III-22) − 1− e T HÖ sè qu¸ t¶i c«ng suÊt: tck − τ nl 1 − e T KP = (III- τ cf t − lv 1− e T 23) HÖ sè qu¸ t¶i dßng ®iÖn: tck − τ 1− e T K I = nl = K P = (III-24) τ cf t − lv 1− e T H×nh III-3 so s¸nh ®Æc tÝnh ph¸t nãng khi lµm viÖc trong chÕ ®é ng¾n h¹n lÆp l¹i (®êng 3) víi ®Æc tÝnh ph¸t nãng khi lµm viÖc dµi h¹n (®êng 1) ta thÊy khi lµm viÖc ng¾n h¹n lÆp l¹i l¹i cã thÓ t¨ng thªm phô t¶i (®êng 4). III.5.Sù ph¸t nãng khi ng¾n m¹ch Thêi gian ng¾n m¹ch x¶y ra rÊt ng¾n lªn nhiÖt ®é cung cÊp cho vËt thÓ hoµn toµn dïng ®Ó ®èt nãng vËt dÉn vµ gÇn ®óng ta coi kh«ng 33
cã nhiÖt lîng to¶ ra m«i trêng xung quanh. Trong thêi gian dt dßng ®iÖn ng¾n m¹ch sinh ra nhiÖt lîng lµ: l dQ = Knm.I2.R.dt = Knm.I2.ρ .dt S (III-25) trong ®ã: R' Km = ; R R- Lµ ®iÖn trë mét chiÒu cña vËt dÉn; R'- Lµ ®iÖn trë xoay chiÒu cña vËt dÉn; S - Lµ tiÕt diÖn cña vËt thÓ. Toµn bé nhiÖt lîng do dßng ®iÖn ng¾n m¹ch sinh ra ®Ó ®èt nãng vËt dÉn lªn ®é chªnh nhiÖt ®é lµ dτnm. Ta cã ph¬ng tr×nh: dQ = C.G.dτnm= C.S.l.γ .dτnm (III-26) Víi: γ - lµ khèi lîng riªng cña vËt dÉn; C- lµ nhiÖt dung cña vËt dÉn; 2 ρ I  So s¸nh biÓu thøc (III-25) vµ (III-26) ta cã: dτ nm = K nm   .dt γ .C F LÊy tÝch ph©n ta ®îc: 2 ρ t I τ nm = K nm ∫   .dt (III-27) γ .C 0 S Khi I = const th×: 2 2 t I I ρK nm 2 ∫  S  .dt =  S  t = J t . Cã: τ nm = γ .C J t 2 (III-28) 0    NÕu ®é chªnh lÖch nhiÖt lóc b¾t ®Çu ng¾n m¹ch lµ τ«® th× kÕt thóc ng¾n m¹ch ®é chªnh lÖch nhiÖt sÏ lµ: τ nm = τ«® + τnm. Trong thùc tÕ ' ρ, C thay ®æi theo nhiÖt ®é: C = C0[1+ b0(τ«®+τnm)]; ρ = ρ0[1+ α0(τ«®+τnm)]. (III-29) trong ®ã: C0- nhiÖt dung riªng khi τ = 0; α0- hÖ sè nhiÖt ®iªn trë; b0- hÖ sè nhiÖt ®é tØ nhiÖt; ρ0- ®iÖn trë suÊt khi τ = 0. Thay (III-29) vµo (III-28) ta ®îc: K nm ρ 0 [1 + α 0 (τ od + τ nm ) ]  I  2 τ nm = . .  .dt . (III- 30) γ C 0 [1 + b0 (τ od + τ nm ) ]  S  34
C©u hái «n tËp Ch¬ng III 1- ThÕ nµo lµ chÕ ®é lµm viÖc dµi h¹n, ng¾n h¹n, ng¾n h¹n lÆp l¹i trong thiÕt bÞ ®iÖn? C¸c chÕ ®é nµy cã liªn quan g× ®Õn qu¸ tr×nh ®èt nãng vµ lµm nguéi thiÕt bÞ ®iÖn? 2- C¸c nguån nhiÖt trong thiÕt bÞ ®iÖn lµ g×? C¸c ph¬ng thøc truyÒn nhiÖt trong thiÕt bÞ ®iÖn nh thÕ nµo? Nã thÓ hiÖn ë ph¬ng tr×nh nµo? 3- H·y x©y dùng biÓu thøc qu¸ tr×nh nung nãng vµ lµm nguéi cña vËt thÓ ®ång nhÊt ë chÕ ®é lµm viÖc dµi h¹n, ng¾n h¹n, ng¾n h¹n lÆp l¹i vµ chÕ ®é ng¾n m¹ch? 4- Môc ®Ých cña viÖc kh¶o s¸t qu¸ tr×nh nung nãng vµ lµm nguéi thiÕt bÞ ®iÖn ë c¸c chÕ ®é lµm viÖc dµi h¹n, ng¾n h¹n, ng¾n h¹n lÆp l¹i vµ chÕ ®é ng¾n m¹ch ®Ó lµm g×? 35