郑铁院机车电传动系统课件12电器的发热与电动力

第十二章电器的发热与电动力

第一节电器的发热与散热第二节不同工作制下电器的发热第三节短路时电器的发热及电器的热稳定性第四节载流导体的电动力及电动稳定性第一节电器的发热与散热一、概述有触点电器是由导电材料、导磁材料、绝缘材料等组成的电器在工作时由于有电流通过导体和线圈而产生电阻损耗。如果电器工作于交流电路，则由于交变电磁场的作用，在铁磁体内产生涡流和磁滞损耗。在绝缘体内产生介质损耗。所有这些损耗几乎全部都转变为热能。其中一部分散失到周围介质当中，另一部分加热电器本身，使其温度升高。温升---电器温度升高后，其本身温度与周围环境温度之差。电器的温度超过一定范围以后，其中的金属材料的机械强度会下降，绝缘材料的绝缘强度会受到破坏。若电器温度过高，会使其使用寿命降低，甚至遭到破坏。反之，电器工作时的温度也不宜过低，因为电器工作时温度太低，说明材料没有得到充分利用，经济性差，相对的体积大、重量重。发热温度极限---保证电器的机械强度、导电、导磁性以及介质的绝缘性不受危害的极限温度。国家标准规定最高环境温度为十40℃。允许温升---发热温度极限-40℃。

第一节电器的发热与散热第一节电器的发热与散热二、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。载流导体单位时间的功率损耗为：

式中P——电阻损耗功率；(W)

I——通过导体的电流；(A)

R——导体电阻。(Ω)当导体中流过交变电流时，考虑集肤和邻近效应时，应为交流电阻。

第一节电器的发热与散热电阻损耗将转变为热能。正常状态时，一部分散发到周围介质中，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Pt=Gcτ

式中P——电阻损耗功率（W）；

t——发热时间（s）

G——导体重量（kg）

c——导体的比热（W·s／（kg·℃）；

τ——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，产生磁滞损耗。磁滞与涡流损耗可以导致铁质零件发热。第一节电器的发热与散热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。三、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，电器的温升维持不变，称为热稳定状态。此时的温升称为稳定温升。若温升随时间而变化测称为不稳定发热状态。电器的散热以传导、对流与辐射三种基本方式进行第一节电器的发热与散热第一节电器的发热与散热在一定表面情况和周围介质条件下，把三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P＝KTSτ

式中P——散热功率（W）；

KT——综合散热系数；

S——有效散热面积（m2）；

τ——发热体的温升。散热功率和温升及有效散热面积成正比，温升越高，有效散热面积越大，则散热功率越大。综合散热系数是指温度升高1℃，发热体单位发散到周围介质的功率。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。从电器发热和冷却的观点一般将电器的工作状况分为长期工作制、间断长期工作制、八小时工作制及间断工作制（反复短时工作制）几种。

第二节不同工作制下电器的发热一、长期工作制时电器的发热长期工作制是指电器通电后连续工作到发热稳定，此时温升达到稳定值。其特点是电器损耗所产生的热量全部散发到周围介质中。当发热未达到稳定前，这个热量一部分用于升高导体的温度，另一部分散发到周围介质中去。根据能量平衡原理，得能量平衡公式为

Pdt=cGdτ十KTSτdt式中Pdt－－在dt时间内电器总的发热量

KTSτdt－－在

dt时间内电器的散热量

cGdτ－－加热电器本身的热量第二节不同工作制下电器的发热长期工作制时发热与冷却曲线

当t→时，电器的温升达到稳定值，称为稳定温升

电器各部分的稳定温升不应超过允许温升。式中是一个常数，称为电器的热时间常数（简称时间常数），以T表示

第二节不同工作制下电器的发热

第二节不同工作制下电器的发热由上分析可得以下几点：

（1）导体的温升τ是随时间的增长按指数曲线上升的。开始上升速度较快，随着τ的增大上升速度逐渐减慢，直到稳定温升，此时达到热稳定状态。（2）稳定温升τw与起始温升无关，它由P／KTS决定。当散热面积和散热条件已确定时﹝S与KT一定），τw正比于发热功率P，或正比于电流的平方，电流愈大，稳定温升值也就愈大。（3）时间常数T决定于导体总的热容量与其散热情况之比。其值是由电器本身的物理参数决定的，与发热功率（电流）无关。

二、间断长期工作制（八小时工作制）间断长期工作制也属于长期工作制。在电器规定的工作时间内温升早已达到稳定值，但超过8h之后必须断电源，分断后可以清除触头的氧化物及尘垢。电器触头工作于间断长期工作制时，其允许温升可以比长期工作制时取的略高一些。

第二节不同工作制下电器的发热第二节不同工作制下电器的发热三、短时工作制及过载系数电器的短时工作制是指电器通电时间很短，温升未达到稳定就停止工作，并且下一次工作要等到电器冷却到周围介质温度。功率过载系数，表示在温升、散热一定的条件下短时工作与长期工作相比，功率允许过载的倍数，由此也可相应得到短时工作时工作电流的允许过载倍数。短时工作制时的发热、冷却曲线

由以上分析可得出以下几点：（1）某电器在长期工作制下工作时，其稳定温升达到允许温升。该电器若用于短时工作制时，允许超载运行。这样可使电器得到充分作用。（2）该电器在短时工作制下，其功率（或电流）的过载倍数与发热时间及时间常数T有关。T越大，过载倍数则越高。

第二节不同工作制下电器的发热第二节不同工作制下电器的发热三、间断工作制（反复短时工作制）间断工作制是指电器在通电和断电周期循环下的工作过程。通电时间内温度未达到稳定值，断电后又不能冷却到周围介质温度。多次重复通电后，电器可能达到稳定温升。间断工作制的发热曲线

上图说明了间断工作制的发热过程，t1表示通电发热时间，t2表示断电冷却时间。称为工作周期。

在电器标准中常用通电持续率TD％来表示间断工作制的负荷轻重程度，通电持续率的定义是

即工作时间t1与工作周期t之比的百分数，显然TD％值愈大，说明工作时间愈长，任务愈繁重，过载系数就愈小。第二节不同工作制下电器的发热电器在通过工作电流时，在其工作制下，要经受额定电流发热的考验。若电路发生短路故障，其短路电流远大于额定电流，当保护电器还未将故障切除前，电器还必须能承受住一定时间内短路电流的发热考验。由于短路电流的时间很短，可以认为是绝热过程，即不考虑散热，全部损耗都用来加热电器。电器的热稳定性是指在一定时间内能承受短路电流（或所规定的等值电流）的热作用而不发生热损坏的能力。

第三节短路时电器的发热及电器的热稳定性一、载流导体的电动力载流导体处在磁场中会受到力的作用，载流导体间也会受到力的作用，这种力称为电动力。在电器中，载流导体间、线圈匝间、动静触头间、电弧与铁磁体间等都有电动力的作用。在正常电流下电动力不致于使电器损坏，但动、静触头间的电动斥力过大会使接触压力减小，接触电阻增大造成触头的熔化或熔焊，影响触头的正常工作。有时在强大短路电流所形成的电动力下，使电器发生误动作或使导体机械变形，甚至损坏。

第四节载流导体的电动力及电动稳定性二、电器的电动稳定性电器的电动稳定性就是指当大电流通过电器时，在其产生的电动力作用下，电器有关部件不产生损坏或永久变形的性能。也可以说电器有关部分在电动力作用下不产生损坏或永久变形所能通过的最大电流的能力。它以可能的最大冲击电流的峰值表示，也有的以它与额定电流的比值表示。

第四节载流导体的电动力及电动稳定性第四节载流导体的电动力及电动稳定性

三、触头电动力触头闭合通过电流时，在触头