《02电器发热计算》由会员分享，可在线阅读，更多相关《02电器发热计算（56页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、1,电器导体的发热,电器有哪几种基本散热方式？举例说明。如果导体的尺寸一定，当该导体通以直流或等效的交流电流，若其散热环境相同，试问上述两种情况下的发热温升是否相同？为什么？在计算电器零部件的散热时，通常可忽略热辐射，而计算电弧的散热时则不能忽略热辐射。电器中导体发热时温度的上升速度与哪些因素有关？如果需要降低温度上升速度，需要在哪些方面采取措施？何谓电器发热时的热惯性？电器的热惯性与哪些因素有关？,2,1-3 电器中的热传递形式,电器散热有三种形式:电器的热损耗将通过上述散热方式散发到周围介质中。 一、热传导： 由质点之间直接作用产生，存在于金属导体及绝缘的液体、固体和气体中。 1、热流量c
2、d： 定义：热流量cd是指单位时间内通过给定面积S的热量，它与该处的温度梯度grad（=d/dl）有关。,热传导、,热对流、,热辐射。,3,1-3 电器中的热传递形式,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，负号表示热量的传递方向与温度梯度相反，即向温度降低的方向传递。热导率是表征物体传热能力的重要参数，它与材料、温度等许多因素有关。多数材料在一定的温度范围内与近似地成线性关系，即,式中: 0 0时的热导率； 温度；b 常数。,4,1-3 电器中的热传递形式,部分金属和液体的热导率与温度的关素,5,1-3 电器中的热传递形式,气体的热导率与各种因
3、素间的关系非常复杂，其与气体性质及其状态有关。 在100150范围内： 空气的热导率：(0.2440.75)10-4W/(mK) SF6的热导率： 1.3610-2W/(mK),工程上通常采用傅里叶定律的热传导功率Pcd相量形式：,6,1-3 电器中的热传递形式,2、热对流仅在流体中存在，其实质是粒子的彼此相对移动而产生热能转移。在流体对流的过程中，常伴随着热传导现象。自然对流强迫对流 (1) 定义 自然对流： 强迫对流： 应用：中小容量电器一般都采用自然对流散热;某些强电流电器或高频电器中采用强迫对流散热。,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。,7,1-
4、3 电器中的热传递形式,对流有层流 和紊流 两种形式 层流：粒子运动速度较低，运动平稳，平行分层运动。紊流： 粒于运动速度高，形成旋涡式的紊乱运动。,发热体附近流体介质的对流,8,1-3 电器中的热传递形式,(2) 计算 单位体积流体介质由对流而散出的功率可用以下矢量关系式表示：,式中： c、v 流体的比热容、密度、速度。,工程上，自然对流散热通常采用下列简化公式计算：,式中： 、0 发热体表面、流体介质的温度；A 冷却表面面积；Kdl 对流散热系数，通常由实验确定。,9,1-3 电器中的热传递形式,空气中垂直安放的平板形导体，对流散热系数可用以下经验公式计算,空气中水平安放的平板形导，发热面
5、朝上，其对流散热系数为,在变压器油中垂直安放的平板导体，其对流散热系数为,当发热体冷却面垂直安放时，由于表面温度沿高度的分布不同（下面的温度低，上的温度高），因而沿高度的散热系数也不相同下面的Kdl大，上面的Kdl小。,10,热对流的热流量dl： 式中 ： 对流时，发热体与流体介质的温差； ：表面传热系数或对流散热系数，W/(m2 K)； n： 与对流有关的非线性系数，可查表求出。 热对流时的热阻Rr ：,1-3 电器中的热传递形式,11,1-3 电器中的热传递形式,3、热辐射 (1) 定义 热辐射是由电磁波传播能量。,12,1-3 电器中的热传递形式,13,1-3 电器中的热传递形式,14,
6、1-3 电器中的热传递形式,热辐射的本质和特点 辐射换热不依赖物体的接触而进行热量传递; 辐射换热过程伴随着能量形式的两次转化； 一切物体只要其温度T0K，都会不断地发射热射线。,15,1-3 电器中的热传递形式,热辐射的本质和特点 1. 物体吸收率：是指投射到物体上而被吸收的热辐射能与投射到物体上的总热辐射能之比称为该物体的吸收率。 2. 物体反射率：从非发光体表面反射的辐射与入射到该表面的总辐射之比，它是表征物体表面反射能力的物理量。绝对黑体的反射率为0，纯白物体的反射率为1，实际物体的反射率介于0与1之间。 3. 物体透射率：透射是入射光经过折射穿过物体后的出射现象。被透射的物体为透明体
7、或半透明体，如玻璃，滤色片等。,16,1-3 电器中的热传递形式,(2) 计算根据斯忒藩玻耳兹曼定律，物体单位面积的辐射能为,式中： 斯忒藩玻耳兹曼常数，=5.6710-8 W/(m2)；T 发热体表面的温度；T0 接受辐射物体的温度；f 比辐射率发射率。即物体表面辐射本领与黑体辐射本领之比值，黑体的=1。,17,1-3 电器的热传递形式,比辐射率(发射率)f 与发热体表面状况及颜色有关。绝对黑体、绝对白体与灰色体： 绝对黑体：对辐射波全吸收、不反射的物体。因其含有大量热能，故其吸收能力最强，发射率f = 1； 绝对白体：对辐射波全反射、不吸收的物体，因其本身缺乏大量热能，故其发射能力最差f
8、灰色体：相对处于中间状态的物体， f 介于0到1之间。,结论：由于电器辐射功率较小，电器的主要散热方式是热传导和热对流。对于电弧而言，其温度很高，在几千甚至万度数量级，因而电弧的辐射功率不能忽略。,19, 1-4 电器表面稳定温升计算方法,1、牛顿热计算公式在实际应用中，常把传导、对流和辐射三种散热形式合并在一起考虑，这就是工程上常用的牛顿热计算公式电器表面的稳定温升值:,式中： PS 总散热功率；A 有效散热面积；根据不同的具体对象，对散热情况进行分析后确定。 发热体的温升， = - 0，其中和0分别为发热体和周围介质温度；KT综合散热系数。,20, 1-4 电器表面稳定温升计算方法,2、综
9、合散热系数 根据相似理论推导出的散热系数计算公式 (1) 导体式中： 、0发热体表面、流体介质的温度，单位为K；f 发射率，无量纲量；l0 导体长度，单位为m。 (2) 电器中的线圈当散热面积为A=(1100)10-4m2时，当A(0.010.05) m2时，,21,1-4 电器表面稳定温升计算方法,22,电器导体的发热,电器在什么条件下才能达到稳定温升？以时间来衡量，电器何时能达到其稳定温升？在电器中，发热时间常数与冷却时间常数是否相同?在整个发热过程中，发热时间常数T是否变动？为什么?何谓电器的发热时间常数？其大小对电器的发热及冷却过程有何影响？在电器的温升试验中如何测定电器的发热时间常数
10、？电器在短时工作制下为什么能提高负载能力?短时工作的时间为什么要小于4倍热时间常数才能提高负载能力?,23,电器导体的发热,反复短时工作制为什么能提高负载能力?在同样的TD%下，一个电器的热时间常数大，另一个热时间常数小，两者的过载能力是否相同？为什么？一导体的尺寸一定，散热环境相同，当该导体通以有效值相同、频率不同的交流电流时，试问上述两种情况下的发热温升是否相同？为什么？试证明电器的热时间常数T等于电器在绝热条件下温升达到其稳定温升w所需的时间。试用电器的热平衡方程式来阐述电器在什么条件下才能达到稳定温升？,24,电器导体的发热,若已知一个铜导体的直径(d)和电阻系数()，通以电流进行温升
11、实验。如欲求出其综合散热系数KT，应如何进行测量和计算？用于反复短时工作制的电器为什么比长期工作制的可以提高负载能力？其功率过载系数及电流过载系数如何计算？同一个电器在长期工作制或短时工作制下，若允许温升相同，其允许的发热功率是否相同？为什么？何谓电器的热稳定性及热稳定电流？如何校核电器导体的热稳定性?若其热稳定性达不到要求应采取哪些措施？,25,1-5 不同工作制下的热计算与零部件稳升分布,国标规定电器有四种工作制 长期工作制 间断长期工作制 （几小时工作制） 短时工作制 反复短时长期工作制,26,1-5 不同工作制下的热计算与零部件稳升分布,1、长期工作制 (1) 定义 电器工作于长期工作
12、制时，其工作时间通常大于8h，有的连续工作几天，甚至几个月。 (2) 电器发热过程温升计算电器通电产生的功率损耗，,热平衡原理：,发热=散热+吸热,式中： Pdt 在dt时间内电器的总发热量；KTAdt 在dt时间内电器的总散热量；cmd 在dt时间内电器温度升高d时所吸收的热量；c 比热容；m 发热体质量。,电器温度达到稳定。,27,1-5 不同工作制下的热计算与零部件稳升分布,在t = 0， = 0；t ， =w=P /KT A 的条件下，求解微分方程，得：,式中： T 电器的热时间常数，T=cm/(KTA)；0 电器开始通电时的温升，称为起始温升；w 电器通电经无限长时间后的温升，因温升
13、已不再增高，称为稳定温升，可利用牛顿公式计算。,当t=0，0=0时，,28,1-5 不同工作制下的热计算与零部件稳升分布,电器绝热状态：如果电器通电后，全部发热均为电器吸收，并使其温度升高（散热为零）。电器绝热状态下的热平衡：,积分后,当=w时，,29,1-5 不同工作制下的热计算与零部件稳升分布,电器发热和冷却过程,30,1-5 不同工作制下的热计算与零部件稳升分布,热时间常数T的物理意义： 电器在绝热条件下温升达到w所需的时间。 电器的比热容c和质量m越大，散热系数KT和散热面积A越小，热时间常数T越大，意味着电器达到稳定温升所需的时间也越长。 热惯性：电器这种温升不能随时间瞬时变化的现象
14、。 电器温升不能随时间瞬时变化，而代表热惯性大小的主要参量就是热时间常数，它是研究电器动态热过程的重要物理量。,31,1-5 不同工作制下的热计算与零部件稳升分布,当电器切断电源，电器的热平衡方程：,其解为：,长期工作制：电器通电时间超过4T （电器的热时间常数）。,(3)电器的冷却过程温升计算：,32,1-5 不同工作制下的热计算与零部件稳升分布,2、短时工作制 (1) 定义： 如果电器工作时间(通电时间) 4T ，则在通电时间内电器温升不会达到稳定值。 (2) 热计算 设t=0，0=0时，,式中： wd对应于短时工作功率Pd的电器稳定温升。,33,1-5 不同工作制下的热计算与零部件稳升分
15、布,问题：作为电器产品，在确保其最高工作温升不超过其允许极限温升的条件下，哪种工作制时电器所允许的通电功率更大？答：短时工作制。为了使电器得到充分利用，可以加大电器的电流进行超载运行，只要使电器短时通电结束时的温升不超过长期通电时的稳定温升，电器便不会损坏。令,得功率过载系数：,式中：wc对应于长期工作功率Pc下电器的稳定温升。,34,1-5 不同工作制下的热计算与零部件稳升分布,功率过载系数:,电流过载系数:,如果电器通电的时间比T小得多，将e-t/T用级数展开,并忽律高次项,35,1-5 不同工作制下的热计算与零部件稳升分布,3、反复短时工作制 (1) 定义 电器在通电和断电交替循环的情况下工作，电器通电和断电的时间均小于4T。 (2) 反复短时工作制下的热计算设电器反复短时工作的功率为Pf，在通电t1时间后电器的温升由零升高到,式中： wf 功率Pf对应的稳定温升。在断电t2时间后电器的温升由 降至,36,1-5 不同工作制下的热计算与零部件稳升分布,依此类推，对第k个周期，通电t1时间后电器的温升达到,在断电t2时间后电器的温升由 降至,令第k周期的温升与长期工作的功率Pc所对应的稳定温升wc相等，则得到反复短时工作的功率过载系数为,
