文档介绍：第十二章电器的发热与电动力
电器的发热与电动力是电器中存在的两种物理现象并对电器的正常工作有一定的影响。本章对发热的原因、影响及不同工作制发热的特点进行了一定的分析、对电动力的影响及在电器中如何利用电动力也作了说明。在分析过程中计算推导尽量简化,突出特点的分析。
第一节电器的发热与散热
一、电器的发热
电器工作时,电流通过导电部分将产生电阻损耗。载流导体的功率损耗为:
(12—1)
式中——电阻损耗功率(W);
——通过导体的电流(A);
——导体电阻(Ω)。
当导体中流进交变电流时,考虑集肤和邻近效应时‚R应为交流电阻。
此损耗将转变为热能。正常状态时,其中一部分散发到周围介质中去,另一部分使导体的温度升高,形成温升。如果发热时间极短(如短路时的发热),由于来不及散热,可认为损耗功率全部用来加热导体,提高导体的温升。此时可得出能量平衡公式为
(W·S) (12—2)
式中——电阻损耗功率(W);
——发热时间(s);
——导体质量(kg);
——导体的比热[W·s/(kg·℃)];
——导体的温升(℃);
上式可用于计算短路电流导体的温升。
铁磁体在交变磁通的作用下,会在铁磁零件中产生一定的涡流。这是因为铁的导磁率很高,而磁通变化速度又快,因而产生相应的电动势和涡流损耗。同时,磁通的方向和数值变化使铁磁材料反复磁化,产生磁滞与涡流损耗可以导致铁质零件发热。一般来说,这个损耗不大。但如果制造不当;如材料较差、铁片较厚或片间绝缘不好,则涡流损耗就比较大。
磁滞与涡流损耗一般与磁通密度大小、磁通变化率及铁磁材料有关。工程上为了简化计算过程且要取得较符合实际情况的结果,通常采用公式来计算。
(12—3)
式中——铁磁材料的损耗(W/kg);
——分别为磁滞、涡流损耗系数;
一一电源频率,即磁通频率(HZ);
——磁通密度幅值(Wb/m2)。
表12—1 铁心材料的磁滞、涡流损耗系数
在交流电器中常采用硅钢片迭成导磁铁心。所以也可根据选用导磁材料的型号,直接由YB73—70、YB73—63(冶金部关于电工用热轧钢片及冷轧钢薄板部标)查得相应型号材料的单位铁损,经过计算而得整个铁心的损耗。
绝缘介质中的介质损耗一般与电场强度及频率有关。电场强度和频率愈高则介质损耗也愈大。对于电场强度较小的低压电器而言,介质损耗小到实际上可以忽略不计。但在高压电器中,由于电压高,介质中的电场强度大,必须考虑介质损耗并计算介质的发热。
二、电器的散热
电器工作时,只要电器温度高于周围介质及接触零件的温度,它便向周围介质散热。所以发热和散热同时存在于电器发热过程中。
当电器产生的热量与散失的热量相平衡时,电器的温升维护不变,称为热稳定状态。此时的温升称为稳定温升。若温升随着时间而变化,则称为不稳定发热状态。
电器的散热以传导、对流与辐射3种基本方式进行。
热传导现象的实质是通过具有一定内部能量的物质基本质点间的直接相互作用,使能量从一个质点传递到另一相邻质点。热传导的方向是由较热部分传播;或由发热体向与它接触的物体传播。热传导是固体传热的主要方式,它也可在气体和液体中进行。
对流是通过流体(液体与气体)的运动而传递热量。热量的转移和流体本身的转移结合在一起。根据流体流动的原因,对流分为自然对流和强迫对流。机车的电机、电器因受安装空间的限制,较多采用强迫对流,可加强散热,缩小体积。
热辐射是发热体的热量以电磁波形式传播能量的过程。热辐射可穿越真空和气体而传播,但不能透过固体和液体物质。
热传导、对流、热辐射3种传热过程可通过一定的公式或经验公式来进行计算,但是分别进行热计算是相当复杂的,而且结果不十分准确。所以在实际计算发热体表面温升时,不分别单独考虑,而是在一定表面情况和周围介质条件下,把3种散热方式综合起来,用综合散热系数KT考虑散热,这就是通常采用的牛顿公式
(12—4)
式中——散热功率(W);
——综合散热系数[W/(m2·℃)];
——有效散热面积(m2);
——温升(℃)。
通过上式可得出,散热功率和温升及有效散热面积成正比,温升越高,有效散热面越大,散热功率越大。综合散热系数是指温度升高1℃,发热体单位面积发散到周围介质的功率。综合散热系数KT和发热体结构、工作制、布置方式及周围介质密度,传热系数等诸多因素有关。KT值由实验方法确定。在应用牛顿公式时重要的问题在于正确地选取综合散热系数。
表12—2 综合散热系数的实验值
第二节不同工作制下电器的发热
电器在使用过程中,由于工作任务的要求不同,其工作时间的长短也不同。如供电系统的一些开关,只要不出现故障和必要的检修,它就一直处于工作状态,而机车上控制空气压