电器理论基础教学作者许志红电器的发热理论PPT学习教案

1、会计学1电器理论基础教学作者许志红电器的发电器理论基础教学作者许志红电器的发热理论热理论第1页/共66页 电器发热的来源在于内部的能量损耗，降低电器工作温度的主要途径就是设法减小损耗。第2页/共66页电阻损耗：电阻损耗：磁滞、涡流损耗：磁滞、涡流损耗：电阻可以是导体的金属电阻，也可以是导体连接处的接触电阻。交变磁通在铁心中产生的附加损耗。介质损耗：介质损耗：交变电磁场在绝缘体内产生的损耗。摩擦、碰撞损耗：摩擦、碰撞损耗：联动机构部分在运行过程中产生的损耗。电弧损耗：电弧损耗：电弧温度极高，是一个不可忽视的热源。第3页/共66页) 12(2RIKPf电流通过导体所产生的能量损耗称为电阻损耗（或电

2、流通过导体所产生的能量损耗称为电阻损耗（或称焦耳损耗）称焦耳损耗）第4页/共66页RIKPf2AlRAJIlAm) 32(2mJKPf第5页/共66页透肤深度透肤深度)62()2/(fb趋肤损耗系数趋肤损耗系数fpAKj2集肤效应的大小可以用电磁波在导体内集肤效应的大小可以用电磁波在导体内部渗入深度部渗入深度b b来表示：来表示：第6页/共66页根据公式导体直径、电阻率及电源频率。计算参数 ，再查图2-3，可得趋肤损耗系数Kj 。 fd20 圆截面导体：圆截面导体：第7页/共66页矩形截面导体的趋肤损耗系数可参考课本表2-1。其中其中20时矩形截面导体的趋肤损耗系数fabKc31105 矩形截

3、面导体：矩形截面导体：第8页/共66页两个相邻载流导体间磁场相互作用使两导体内产生两个相邻载流导体间磁场相互作用使两导体内产生电流分布不均匀的现象。电流分布不均匀的现象。邻近效应与相邻载流导体内电流流向有关。 第9页/共66页对圆截面导体：对圆截面导体：邻近效应系数Klj，可查表2-3得到。其中系数Kx为fdKx20式中，d导体的直径； l两导体中心线之间的距离。第10页/共66页导体通过的电流为交流，则交变磁通在铁磁体内产生涡流和磁滞损耗。减小铁磁损耗常采用的措施：减小铁磁损耗常采用的措施： 采用导磁性能好的铁磁材料； 采用永磁材料； 采用非磁性间隙； 采用短路圈等。第11页/共66页实线片

4、厚0.5mm，虚线片厚0.35mm实心钢导体损耗曲线第12页/共66页绝缘材料在交变电场中的损耗与电场强度绝缘材料在交变电场中的损耗与电场强度E和频率和频率f成比例，高压电器一般要考虑此损耗成比例，高压电器一般要考虑此损耗。 交变电场中的介质损耗为 )72(tan22fCUp第13页/共66页理论上 工程上，采用经验公式 )82(tanCiXR)92(108 . 1tan)(4mabe第14页/共66页电器中连接部分在工作过程中会产生机械摩擦和碰电器中连接部分在工作过程中会产生机械摩擦和碰撞，由此产生的损耗形成电器工作中的热源。撞，由此产生的损耗形成电器工作中的热源。机械碰撞越大，电器的机械寿

5、命越低。5 5、电弧发热、电弧发热有触点电器在工作过程中，当执行接通任务时，产生的触头之间的弹跳，将产生电弧和火花；执行分断任务时，也会在触头间产生严重的电弧燃烧现象电弧为高温游离气体，其产生大量的热量。第15页/共66页 电器散热有三种形式，即 热传导、热对热传导、热对流和热辐射流和热辐射。 电器的热损耗由它们散失到周围。 热传递方式热传递方式定义定义传递介质传递介质热传导质点间的直接传递固态、液态和气态热对流粒子间的相对运动液态和气态热辐射通过电磁波传播气态第16页/共66页 热传导现象的实质是质点间的直接作用，把能量从一个质点传递到另一个相邻质点。传递介质：传递介质：绝缘的液体、固体、气

6、体绝缘的液体、固体、气体 热传导是固态物质传热的主要方式，温差的存在是热交热传导是固态物质传热的主要方式，温差的存在是热交换的必要条件！换的必要条件！第17页/共66页分析热传导现象必须用到著名的傅里叶定律:单位时间内通过物体单位面积的热量与该处的温度梯度成正比，即：式中，热导率，负号表示热量传递的方向与温度梯度 相反，即向着温度降低的方向传递。)102( gradq第18页/共66页本质是通过粒子互相移动而产生热能转移，对流常本质是通过粒子互相移动而产生热能转移，对流常伴有热传导现象。伴有热传导现象。传递介质：传递介质：液体、气体液体、气体对流方式对流方式 自然对流：自然对流：强迫对流：强迫

7、对流：流体质点因温度升高而上升形成的对流；质点在外力作用下被迫流动形成的对流； 第19页/共66页 由电磁波传播能量，不需直接接触的传热方式。由电磁波传播能量，不需直接接触的传热方式。 传递介质：传递介质：气体气体热辐射应具备发射物体、辐射的传播空间以及处于辐射路径上吸收辐射热的物体。 热传导、热对流在传热途径中需要存在温度差热传导、热对流在传热途径中需要存在温度差的物体；的物体； 辐射传热可以在真空中辐射传热可以在真空中第20页/共66页在一定温度范围内多数材料的与近似呈线性关系，即)112()1 (0b热导率范围甚大，银为425，铜为390。，铝为210，黄铜为85，某些气体为：0.006

8、。第21页/共66页以图2-7为例进行热传导计算，尺寸如图所示，P代表整个物体的热流。由式（2-10）可得)122( dxdq面积为AP12图2-7 物质热传导示意（12）)132()(21AAP)142()/(TRAAP)152(1TAR第22页/共66页热传导公式与欧姆定律相比，极为相似。欧姆定律欧姆定律)162( AlUAlURUI热传导与电传导的对比关系如下表热传导热传导温度温度热流热流P热阻热阻RT热导率热导率=PRT热源热源电传导电传导电压电压U电流电流I电阻电阻R电导率电导率U=IR电源电源第23页/共66页圆筒截面右图，热传导率，设导体长度为l。半径为半径为r处厚度为处厚度为d

9、r的圆筒的热阻为的圆筒的热阻为)172(2rldrdRT长圆筒热阻为长圆筒热阻为)182(ln2121221rrlrldrRrrTr1r2=102O第24页/共66页若内外壁的温度为1与2，则通过外表面散出的热流P为)192()(ln22112rrlP绝缘层总热阻绝缘层总热阻)202(ln12111iiniiTrrlR第25页/共66页牛顿提出了热流密度与固体壁面温度和流体温度的牛顿提出了热流密度与固体壁面温度和流体温度的温度差之间的关系，即温度差之间的关系，即)242()(0Ap)252(A1TR对流散热的热阻对流散热的热阻第26页/共66页例：空气中垂直安放的平板形导体，对流系数为：例：空

10、气中水平安放的平板形导体，发热面向上，对流系数为：例：变压器油中垂直安放的平板导体，对流系数为：)262()(55. 225. 00)272()(25. 325. 00)282()()4838(25. 00第27页/共66页热辐射的方式：热辐射的方式： 热能热能（发热）（发热）（转变为）辐射能辐射能（实质是一种电磁波）（转变为）热能热能（被吸收）（被吸收） 设在一个封闭的腔体壁上，开一个小孔，可近似为封闭的腔体。从小孔进入的光线几乎全部被壁面吸收。入射光线黑体腔体图2-14 黑体示意第28页/共66页黑体单位面积发射的功率黑体单位面积发射的功率)292(4Tpf两个物体间通过辐射交换的热量与两

11、个物体间通过辐射交换的热量与T4之差成正比之差成正比)302()(4241TTpf第29页/共66页辐射热阻辐射热阻)342(TpRn由于精确计算散热过程和确定散热参数极其困难。n常常将这三种散热方式综合考虑。n采用工程上的计算方法综合散热系数，来计算电器的散热。第30页/共66页导体、铁磁体导 体绝缘体周围介质 设 备焦耳损耗涡流、磁滞损耗介质损耗散发加温升热发热耗热热平衡1 1、电器的发热损耗、电器的发热损耗第31页/共66页电器温度电器温度 金属材料金属材料机械强度机械强度 ，详见图详见图2-16绝缘材料绝缘材料绝缘老化，击穿，绝缘老化，击穿，详见图详见图2-17触头材料触头材料温度温度

12、 ，Rj ，产生熔焊现象，产生熔焊现象第32页/共66页为了保证电器工作的可靠性及一定的使用寿命，国际和各国的技术标准对电器各部分的极限允许温升都有明确的规定。极限允许温升制定依据：极限允许温升制定依据： 电器的绝缘部分不致因温度过高而损坏，或使工作寿命过分降低； 导体和结构部分不致因温度过高而降低其机械性能。 电器的触头部分除了考虑机械强度外，还要考虑氧化以及其他问题（接触电阻）。第33页/共66页（1）电器温升电器温升=电器本身温度-周围环境温度（2）电器各部件的极限允许温升极限允许温升=极限允许温度-工作环境温度我国标准规定周围空气的温度范围为我国标准规定周围空气的温度范围为40第34页

13、/共66页（按相关国家温升试验标准进行测量）：（按相关国家温升试验标准进行测量）： 1、电器中裸导体的极限允许温升应小于材料软化点 （机械性能显著下降即软化）。 2、对绝缘材料和外包绝缘的导体：其极限允许温升的大小由绝缘材料的老化和击穿特性决定。3、对于触头材料，除考虑机械强度外，还要考虑氧化和其他问题。第35页/共66页我国标准未作统一规定！一般要求：我国标准未作统一规定！一般要求： 油中的裸导体不应超过250 ;不和有机绝缘材料或油接触的 铜或黄铜部件不应超过300 ;铝在任何情况下不应超过200 ;固定接触连接部分的发热不应超过其它部分载流导体的发热;电器主触头温度限制在200 以内弧触

14、头要求不熔焊; 我国标准规定的电器绝缘材料的耐热等级见课本表2-7。第36页/共66页电器在工作过程中，如果通电时间足够长，使其工作温度接近于一个稳定的值，那么就可以采用牛顿公式进行计算。第37页/共66页输入的导体热量输入的导体热量提高导体本身温度提高导体本身温度+散热散热)352( cmddtAKpdtT第38页/共66页输入的导体热量散热输入的导体热量散热)362( wTAKp式中， 发热体的稳定温升，w第39页/共66页 综合散热系数，包含了所有的散热形式，因而各种具体条件对KT数值的影响极大，而KT的实验数据往往又是在特定条件下得到的，这就要求在选用时必须慎重对待。 其次，对于有效散

15、热面的选取，也必须跟据不同的具体对象，对散热情况进行分析后确定。 电器工作中某中工作情况下的综合散热系数可见教材表2-8第40页/共66页根据相似理论求得导体的综合散热系数数值计算公式如下：)372( 1273)273(08. 21004. 2)-(33. 1030725. 000TflK第41页/共66页对于电器中的线圈，综合散热系数公式为：对于电器中的线圈，综合散热系数公式为：当散热面积为当散热面积为A=(1100)10-4 m2 时，时，当散热面积为当散热面积为A=(0.010.05) m2 时，时，)382(10)-(005. 01 46340TAK)392(10)-(05. 01 2

16、3340TAK第42页/共66页典型电器励磁线圈稳定温升的计算典型电器励磁线圈稳定温升的计算分析：分析：稳定温升计算公式为：稳定温升计算公式为：wTAKpAKpT直流：直流：)402(2RIp交流：交流：)412(2RIKpfj第43页/共66页圆柱形线圈：圆柱形线圈：Ad1表示上下端面散热面积，根据散热情况可归到外表面或者内表面计算。若采用绝缘的骨架时，由于其散热条件与内表面相同，则可以归为内表面进行计算。)462(xqnnhDA内表面散热面积为内表面散热面积为)472(xqwwhDA内表面散热面积为内表面散热面积为)482(2)(22d1nwD DA上下端面的散热面积为上下端面的散热面积为

17、第44页/共66页矩形线圈：矩形线圈：)492()(2xq00nhbaA内表面散热面积为内表面散热面积为内表面散热面积为内表面散热面积为上下端面散热面积为上下端面散热面积为)502()(2xqxq00whbbaA)512()(222xq00d1xqbbbaA第45页/共66页线圈电阻为线圈电阻为)522(xpjxqqlR式中，lpj导线的平均长度；qx导线的截面积。圆柱形线圈圆柱形线圈)542(4)532(2D2xnwpjxdqDNl矩形线圈矩形线圈)552()(2xq00pjbbaNl导线的截面积与式（2-54）相同。第46页/共66页由此可知，线圈稳定温升为由此可知，线圈稳定温升为以上解析

18、算法，根据实验和经验参数修正以后，可以得到较为准确的稳定温度值，但是要进一步计算准确地温升值和电器中温度的分布规律，可以用大型有限元计算软件建模计算。)562(dTwxq2AKRIKfjw第47页/共66页电器的发热与其加热过程和冷却过程有关。即工作电器的发热与其加热过程和冷却过程有关。即工作时间直接影响电器的工作温升。时间直接影响电器的工作温升。我国规定，电器有四种工作制：我国规定，电器有四种工作制：长期工作制；长期工作制；间断长期工作制；间断长期工作制；短时工作制；短时工作制；反复短时工作制。反复短时工作制。第48页/共66页电器工作于长期工作制时，其工作时间常数大于电器工作于长期工作制时

19、，其工作时间常数大于8h,有的连续工作几天，甚至几个月。实际上电器有的连续工作几天，甚至几个月。实际上电器达到稳定温度的时间往往不需要达到稳定温度的时间往往不需要8h或更长时间。或更长时间。热平衡公式热平衡公式cmddtAKPdtT不工作不工作0wTwAKP ，工作时工作时cmddtAKdtAKTTwdAKcmdtT )(w第49页/共66页令 热时间常数，决定于导体总的热容量与其散热情况之比。TtTtee0w)1 (dtTd)(wdAKcmdtT )(wAKcmTT积分得dtTd11w)1 (wTte0设边界条件 wt=0，t=，00第50页/共66页不散热，短时发热的极限状态不散热，短时发

20、热的极限状态。0若t=0， )802(wTddt积分得)812 (wTt热平衡公式cmdPdt 电器在绝热情况下温升随时间的增长为一直线。在绝缘条件下，当在绝缘条件下，当=w时，通电时间时，通电时间 t = T。第51页/共66页没有能量输入。没有能量输入。w若t=0， )822(11dtTd积分得)832 (wTte热平衡公式热平衡公式cmddtAKT0第52页/共66页根据以上电器发热和冷却过程的理论分析，当通电或断电时间超过4倍热时间常数以后，电器的热过程已基本达到稳定，温升趋于常数。因此，在电器发热计算时，只要是通电(或断电)时间超过4T，即可按长期工作制考虑，而不必要求工作时间大于8

21、h。第53页/共66页工作时间很短，在通电时间内温度达不到稳定值，工作时间很短，在通电时间内温度达不到稳定值，在不通电时间内温升会冷却到周围介质温度。在不通电时间内温升会冷却到周围介质温度。 短时工作时的温升变化短时工作时的温升变化工作温度为工作温度为d为为)842()1 (wcwdd1Tte)852(111wcTwdTcdpTteAKAKppp)862(pcdipIIp功率过载系数功率过载系数电流过载系数电流过载系数第54页/共66页)872(1ptTp)882(1itTp如果电器通电时间很短，通电时间比其热时间常数小很多，则将 用幂级数展开，略去高次项后Tte1式（2-88）说明，短时工作

22、制下电器的热过载能力与电器的热时间常数成正比，与通电时间成反比。第55页/共66页电器在通电和不通电情况下循环交替工作。温度未达到长期工作的稳定温升，电器断电时温升也不会下降到周围环境温升。t1-通电时间；t2-断电时间；t-电器的工作周期; pf-长期通电的热功率；wf-长期通电的允许温升第56页/共66页)942()932(2f1f2f1TtTtee对曲线对曲线2)892()1 (wfaTtTtee对曲线对曲线1)902()1 (11wfabTtTtee)922()912(f2ecaf1db)952()1 ()1 (121wff1TtTttee第57页/共66页允许过载的功率系数允许过载的

23、功率系数)962(11121f1wfpTtTtteep用幂级数展开，并略去高次项后，可得用幂级数展开，并略去高次项后，可得)972(1121ptttttp电流过载系数电流过载系数)982(1pittpp通电持续率通电持续率TD%： 在电器标准中常用通电持续率在电器标准中常用通电持续率TD%反映反映反复工作制的繁重程度。值越大，工作时间越长，任务越繁反复工作制的繁重程度。值越大，工作时间越长，任务越繁重。重。)992(%100%1ttTD第58页/共66页说明：说明：短时工作制和长期工作制均可以从反复短时工作制推出。长期工作制不允许过载短时工作制过载能力最强反复短时工作制过载能力介于两者之间u 反复短时工作制反复短时工作制 长期工作制 短时工作制1pttp 1pp1ptTp 第59页