Решение дифференциальных уравнений Примеры решения типовых задач Курс практики по математике Инженерная графика Машиностроительное черчение История дизайна Архитектура ПК Лабораторные работы Курс лекций по физике теплоэнергетика
Курс лекций по физике Законы теплового излучения Фотоэффект Ядерная модель атома Квантовые генераторы Зонная теория твёрдых тел Электропроводимость металлов Ядерная физика Дозиметрия

Лабораторные работы по электротехнике

Тепловые процессы в электрических аппаратах

Источники теплоты в ЭА

ЭА являются сложными электротехническими устройствами, содержащими много элементов, один из которых являются проводниками электрических токов, другие – проводниками магнитных потоков, а третьи служат для электрической изоляции. Часть элементов может перемещаться в пространстве, передавая усилия другим узлам и блокам.

Работа большой части аппаратов связана с преобразованием одних видов энергии в другие. При этом, как известно, неизбежны потери энергии и превращение ее в тепло.

При протекании тока по электрическому проводнику в нем выделяется мощность

,

где .

Удельное электрическое сопротивление материала проводника зависит от температуры q и в большинстве случаев (до температуры 150-2000С) вычисляется

,

где r0 – удельное сопротивление при q = 00С; a – температурный коэффициент сопротивления.

При работе на переменном токе проявляется поверхностный эффект.

Это явление неравномерного распределения плотности переменного тока по поперечному сечению одиночного проводника. Оно приводит к возникновению дополнительных по сравнению с постоянным током потерь мощности, которые учитываются коэффициентом поверхностного эффекта

.

Установлено, что этот коэффициент для немагнитных проводников зависит от формы и геометрических размеров проводника. С ростом частоты и уменьшением удельного сопротивления проводника поверхностный эффект проявляется сильнее. Чем больше диаметр проводника, тем больше поверхностный эффект. (коробчатое сечение)

Эффект близости – явление неравномерного распределения плотности тока (переменного), обусловленное влиянием друг на друга близко расположенных проводников с токами. Коэффициент близости Кd также, как и Кп зависит от геометрических размеров, формы проводников и d1 расстояния между ними. В отличие от Кп, Кd может принимать различные значения или быть равная единице.

Таким образом:

.

Эффект близости усиливается с ростом частоты, электропроводимости, зависит от взаимного расположения проводников, их формы и направления токов в них. Чем ближе проводники друг к другу, тем более эффект близости.

В проводниках из ферромагнитных материалов явления поверхностного эффекта и эффекта близости проявляется значительно сильнее и коэффициенты Кп и Кd в этих случаях существенно больше, чем в немагнитных проводниках.

В ферромагнитных нетоковедущих частях ЭА, находящихся в переменном магнитном поле, также имеют место источники теплоты, которые обусловлены вихревыми токами, возникающими тогда, когда переменный во времени магнитный поток пронизывает ферромагнитные части аппарата.

Для сплошных замкнутых магнитопроводов расчет потерь мощности проводится по формуле

,

где I – ток; N – число витков; lср – средняя длина магнитопровода; Sохл – площадь поверхности охлаждения; f – частота переменного тока.

Если магнитопровод выполнен из листовой стали, то потери мощности в нем определяются на основании приведенных в справочной литературе зависимости удельных потерь от амплитудного значения индукции, частоты тока, толщины листа и сорта стали.

Следует иметь в виду, что ферромагнитные части аппарата могут нагреваться в переменном магнитном поле, даже если они не образуют замкнутую систему для магнитного потока.

Имеется еще ряд источников теплоты, которые в одних аппаратах играют существенную роль, а в других ими можно пренебречь.

Так в электромеханических ЭА, предназначенных для коммутации электрических цепей, мощным источником теплоты является электрическая дуга. В других аппаратах потери на трение или удар составляют большую долю от общих потерь мощности. ЭА, имеющие движущиеся жидкости или газы должны быть рассчитаны с учетом гидравлических потерь, а изоляция высоковольтных и высококачественных аппаратов с учетом диэлектрических потерь.

Способы уменьшения потерь в ферромагнитных деталях

- увеличение расстояния друг от друга;

- введение немагнитного зазора в магнитопроводе;

- к.з. виток, создает дополнительное магнитное сопротивление и уменьшает ;

- применение в конструкциях немагнитных материалов.

Анализ способов распространения теплоты в ЭА

Различают три способа распространения теплоты в пространстве: теплопроводностью, тепловым излучением, конвекцией.

Теплопроводность – распространение тепловой энергии при непосредственном соприкосновении отдельных частиц или тел, имеющих разную температуру.

В соответствии с гипотезой Фурье количество теплоты d2Q проходящее через элементарную площадку изотермической поверхности dS за промежуток времени dt определяется как

,

где l - теплопроводность; n0 – единичный вектор нормали к площадке dS;

 – температурный градиент. Отрицательный знак обусловлен тем, что тепло распространяется d1 точек с большей температурой к точкам с малой температурой, т.е. противоположно градиенту температуры.

Изотермическая поверхность – где все точки имеют одинаковую температуру.

Для большинства веществ в определенном диапазоне температуры теплопроводность зависит от температуры линейно, т.е.

,

где l0 – теплопроводность при q = q0; b - температурный коэффициент теплопроводности.

Тепловой закон Ома

,

где Ф = Ф0 × S; d - длина пути потока Ф; Rт – термическое сопротивление.

Тепловое излучение – распространение внутренней энергии тела путем электромагнитных волн. Совокупность процессов взаимного излучения, поглощения, отражения и пропускания энергии в системе различных тел называют теплообменным излучением, лучеиспусканием или радиацией.

В общем случае плотность собственного излучения подчиняется закону Стефана-Больцмана

,

где Р – плотность теплового потока; e – коэффициент излучения тепла (0 £ e £ 1); Т – температура, 0К.

Тепло, отдаваемое телом при тепловом излучении, зависит от четверной степени абсолютной температуры нагретой поверхности.

Добротность цепи. Добро?тность - характеристика колебательной системы, определяющая полосу резонанса и показывающая, во сколько раз запасы энергии в системе больше, чем потери энергии за один период колебаний. Добротность обратно пропорциональна скорости затухания собственных колебаний в системе. То есть, чем выше добротность колебательной системы, тем меньше потери энергии за каждый период и тем медленнее затухают колебания
Фотопроводимость полупроводников