Tài liệu TÍNH TOÁN NHIỆT Chương 6e pdf

TÍNH TOÁN NHIỆT CUỘN DÂY I/ Nhiệm vụ trình tự tính toán và các số liệu làm việc ban đầu : 1- Nhiệm vụ tính toán Khi đã có các thông số của cuộn dây thiết kế ra ta cần phải kiểm nghiệm lại để xác định được nhiệt độ bề mặt cuộn dây , nhiệt độ các lớp bên trong dây qu ấn , bên trong cuộn dây . Trên cơ sở đó có thể hiệu chỉnh kết cẩu cho thích hợp nhằm bảo đảm nhiệt độ phát nóng của dây quấn không được vượt quá nhiệt độ cho phép của nó . Có thể hiệu chỉnh kết cấu theo hướng sau : -Sử dụng vật liệu cách điện có cấp chịu nóng cao hơn cho dây quấn và cuộn dây . - Dùng các biện pháp tăng cường sự toả nhiệt của cuộn dây : giảm nhiệt trở giữa cuộn dây và lõi thép trong trường hợp cuộn dây nóng hơn lõi thép , t ẩm sơn cuộn dây , làm mát nhân tạo , tăng tính dẫn nhiệt của lớp bên ngoài cu ộn dây ,sử dụng sơn phủ bên ngoài có độ đen cao để tăng cuộn bức xạ , tăng kích thước cuộn dây dẫn để tăng kích thước mạch từ . 2-Tính t ừ tính toán : a - Xác định các số liệu ban đầu b - Tính toán nhiệt độ bề mặt cuộn dây c – Tính toán nhiệt độ trung bình và nhiệt độ lớn nhất của các lớp dây quấn bên trong cuôn dây . d - Hi ệu chỉnh chính xác các thông số của cuộn dây theo nhiệt độ tính toán . 3- Các s ố liệu ban đầu a- Kết cấu nam châm điện và các kích thước của nó b – Công suất cung cấp cho cuộn dây , các thành phần của công suất đối với nam châm điện xoay chiều c- Nhiệt độ môi trường xung quanh và nhiệt độ phát nóng cho phép của cuộn dây . d – các hệ số toả nhiệt , nhiệt dung riêng II / Tính toán nhi ệt độ bề mặt của cuộn dây : để tính toán nhiệt độ bề mặt của cuộn dây ở chế độ dài hạn ta có thể dùng công th ức New ton (6-12 ) P = K t . S bm τ Các thông số trong công thức được xác định như sau : a- Công suất cung cấp cho cuộn dây P Cần phải xác định công suất ở điện áp cung cấp lớn nhất . Đối với cuộn dây của nam châm điện 1 chiều tổn hao chỉ do điện trở thuần của dây quấn sinh ra bằng : P = I 2 R (W) Đối với cuộn dây của nam châm điện xoay chiều ,tổn hao sẽ là : P = P dq + P t + P x + P vn Ở đây P dq tổn hao trong dây quấn P dq = I 2 R P t - T ổn hao do hiện tượng từ trễ P x – Tổn hao do dòng xoáy P nv - Tổn hao trong vòng ngắn mạch cấc giá trị P t , P x , P nv đã được tính toán ở phần trước ,khi tính toán nhiệt độ của mạch từ cần phải tăng thêm tổn hao tạo ra ở phần vòng ngắn mạch đặt trên mạch từ . 2.Bề mặt toả nhiệt Bề mặt toả nhiệt của cuộn dây bao gồm bề mặt ngoài cuộn dây S n và bề mặt trong cuộn dây S t và bề mặt của hai mặt đầu cuộn dây . - Đối với cuộn dây một chiều phần lớn bề mặt một đầu của cuộn dây một chiều nhỏ hơn so với chiều dài cuộn dây và mặt đầu có vòng đệm bằng vật liệu cách điện dày nên sự toả nhiệt qua mặt đầu thường nhỏ và có th ể bỏ qua .Trường hợp đường kính của vòng đệm mặt đầu lớn hơn so với chiều dài cuộn dây ta phải tính cả bề mặt mặt đầu cuộn dây . - Khi to ả nhiệt chỉ có bề mặt bên ngoài S n và bề mặt bên trong S t bề mặt tính toán của cuộn dây có thể tính S = S n + kS t Trong đó k là hệ số đặc trưng hiệu quả toả nhiệt của bề mặt trong với bề mặt ngoài cuộn dây và k được lấy theo thực nghiệm . Cuộn dây có khung toả nhiệt kém k = 0 Cuộn dây không khung bọc bằng cách điện k = 0.9 Cuộn dây có khung (giấy , các tông tẩm bakelit) thì k = 1 Cu ộn dây quấn trên ống kim loại k = 1.7 Cuộn dây quấn trên lõi thép k = 2.4 S ự toả nhiệt của cuộn dây vào lõi thép có thể xác định chính xác hơn bằng cách đưa vào hệ số toả nhiệt tương K ttđ tính đến sự truyền nhiệt qua lớp cách điện và không khí trung gian và bề mặt toả nhiệt của mạch từ . ttd K = t m tm i i S S K    1 S 1 t   Ở đây i  và i  là chiều dày và hệ số dẫn nhiệt của lớp cách điện và không khí trung gian gi ữa dây quấn và lõi thép . S t bề mặt toả nhiệt bên trong cuộn dây K tm Hệ số toả nhiệt từ bề mặt mạch từ vào môi trường xung quanh . S m bề mặt làm mát của mạch từ . Đối vớ i cuộn dây nam châm điện xoay chiều trong trường hợp tổn hao trong thép không đáng kể v à nhiệt độ mạch từ thấp . Bề mặt toả nhiệt có thể lấy như đối với một chiều . Trong trường hợp tổn hao trong l õi thép lớn , nhiệt độ mạch từ cao gần như nhiệt độ b ên trong cuộn dây thì ta coi như cuộn dây không truyền nhiệt vào trong mạch từ và S = S n . Đối với các cuộn dây được bao bọc bởi các chi tiết khác , việc tính toán nhiệt cho cuộn dây phải tiến hành tính quá trình truy ền nhiệt từ cuộn dây đền bề mặt toả nhiệt bên ngoài . 3- H ệ số toả nhiệt K t Khi dùng công th ức Newton hệ số toả nhiệt được lấy như ở bảng 6-5 . Khi c ần xác định chính xác K t ta phải tiến hành tính toán riêng lẻ từng dạng trao đổi nhiệt . III/- TÍNH TOÁN NHIỆT ĐỘ TRUNG BÌNH VÀ NHIỆT ĐỘ LỚN NHẤT CỦA CÁC LỚP DÂY CUỐN BÊN TRONG Sự phân bố nhiệt độ bên trong cuộn dây rất phức tạp và phụ thuộc vào nhi ều yếu tố khác nhau . Trong khi tính toán , để đơn giản ta giả thiết như sau : 1- Nhi ệt độ trên toàn bộ bề mặt toả nhiệt là như nhau . 2- Nguồn nhiệt bên trong phân bố đồng đều theo thể tích . 3- Trường nhiệt ở các tiết diện có bán kính khác nhau là như nhau (như ở cuộn dây hình chữ nhật ) th ực nghiệm chứng minh rằng chỉ sai số 2-3 4- K ết cấu phức tạp của dây quấn gồm dây dẫn kim loại , cách điện , các loại sơn tẩm , các lớp không khí trung gian được coi như vật thể đồng nhất có hệ số dẫn nhiệt tương đương không phụ thuộc vào nhiệt độ theo thể tích cuộn dây. 5 – Khi không có toả nhiệt ở mặt đầu cuộn dây có thể coi điều kiện phát nóng của cuộn dây như phát nóng của cuộn dây có chiều dài vô cùng . 1-Nhi ệt độ trung bình của cuộn dây đường cong biểu thị sự thay đổi nhiệt độ bên trong dây quấn gần với đường parabol bậc hai và giá tr ị trung bình vủa nhiệt độ Ө tb và độ tăng nhiệt trung bình thường bằng 2/3 giá trị cực đại Ө max Th ực tế , muốn xác định nhiệt độ trung bình của cuộn dây thường dùng phương pháp nhiệt trở nhiệt độ trung bình của dây quấn được quy đình trong tiêu chu ẩn . 2-Tính toán nhiệt độ lớn nhất của dây quấn Tuỳ theo cấu tạo của mỗi một cuộn dây mà vị trí điểm nóng nhất của cuộn dây thay đổi . a) Các cuộn dây có sự toả nhiệt ở mọi phía đều như nhau thì các vòng dây ở giữa thiết diện . ngang của cuộn dây là nóng nhất. b) Các cuộn dây có bề mặt toả nhiệt là bề mặt trong và bề mặt ngoài . Còn hai m ặt đầu không toả nhiệt thì lớp dây ở giữa tiết diện ngang cuộn dây là nóng nh ất . c) Các cuộn dây chỉ có bề mặt toả nhiệt là bề mặt ngoài, còn các bề mặt khác toả nhiệt rất khó khăn thì lớp dây ở bề mặt trong là nóng nhất, loại này thường là cuộn dây của nam châm điện xoay chiều . Nếu bề mặt toả nhiệt gồm tất cả các bề mặt ngoài , trong và mặt đầu nhưng hệ số toả nhiệt của các bề mặt đó khác nhau thì vị trí điểm nóng nhất cũng thay đổi . Với các giả thiết ở trên nhiệt độ tăng nhiệt lớn nhất của các lớp dây quấn bên trong có thể xác định từ công thức sau : Đối với cuộn dây hình trụ : max  - n  =   max 2 4 rr p n td   +         ntd r r max 2 max ln 2 Pr  Đối với cuộn dây hình chữ nhật max  - n  = 2 max 24           dqtdq td td AA h p  Trong đó : P là tổn hao trong một đơn vị thể tích dây quấn P Ө = dq V P  r n và r max là bán kính bề mặt ngoài dây quấn và bán kính chỗ phát nóng lớn nhất h dq - chiều cao dây quấn (m) A dqt và A dqn - kích thước bên trong dây quấn và kích thước lớp dây quấn nóng nhất .  td - hệ số dẫn nhiệt tương của cuộn dây được tính như ở phần sau .: 3-Tính toán hệ số dẫn nhiệt tương đương của dây quấn Dây quấn cuộn dây bao gồm nhiều loại vật liệu khác nhau như kim loại , cách điện của dây dẫn , cách điện của các lớp dây dẫn , sơn tẩm v à không khí gi ữa các vòng dây được coi như là vật thể đồng nhất có hệ số dẫn nhiệt tương đương là td  = cd k  ở đây K = hệ số tính đến sự phụ thuộc của đường đồng nhiệt vào đặc điểm xếp đặt dây dẫn (quấn thường K qt hay quấn xen kẽ K x ) , đường kính dây dẫn , chiều dày cách điện giữa các lớp ,có thể tìm k trong hình 6-7. Hình 6-7 : S ự phụ thuộc của hệ số K th và K th vào tỷ số cd d d và hệ số lấp đầy dây quấn Khi quấn thường và quấn xen kẽ Giả thiết rằng nhiệt độ ở tiết diện phần kim loại dây dẫn là như nhau và toàn bộ bộ giảm nhiệt đô(tạo ra độ chênh nhiệt )xảy ra ở lớp cách điện , hệ số dẫn nhiệt của lớp cách điện sẽ được biểu thị bằng : cd  =           b b b 22 222 Trong đó  ,,b  - chiều dày cách điện của dây dẫn , của sơn tẩm hoặc không khí , của cách điện giữa các lớp .    ,, b - Hệ số dẫn nhiệt tương ứng với các lớp  ,,b  chỉ trong bảng (3-8) Đối với dây dẫn tròn chiều dày của sơn tẩm hoặc không khí được xác định như sau : Dây quấn thường 2b th =          cd ddcd cd cd d d d d d dd arcsin12 2 2 2 Dây quấn xen kẽ : 2b x =          cd cd cd cd d d d d d dd arcsin242 2 2 Bảng 6-8 : Hệ số dẫn nhiệt của cách điện dây dẫn cách điện giữa các vòng dây , gi ữa các lớp dây . Hệ số Khồn tẩm sơn cách điện Có tẩm sơn cách điện Vật liệu cách điện   0.06 - 0.07 0.08 - 0.09 0.10 - 0.19 0.2 - 0.25 0.11 - 0.12 0.13 - 0.15 0.15 - 0.2 0.23 - 0.3 ПЪ0, B  0.02 - 0.03 0.15 - 0.3 Lớp không khí mỏng   0.07 - 0.43 0.11 - 0.18 Cách điện giấy . . 2 -Tính t ừ tính toán : a - Xác định các số liệu ban đầu b - Tính toán nhiệt độ bề mặt cuộn dây c – Tính toán nhiệt độ trung bình và nhiệt độ. TÍNH TOÁN NHIỆT CUỘN DÂY I/ Nhiệm vụ trình tự tính toán và các số liệu làm việc ban đầu : 1- Nhiệm vụ tính toán Khi đã có các thông