Bài giảng kỹ thuật điện - Chương 4 ppsx

Page 1 1 BMTBD-LT KCĐ-nxcuong-V2-11-05 2 BMTBD-LT KCĐ-nxcuong-V2-11-05 Quá trình nhiệt của thiết bò điện Vật liệu của thiết bò điện vật liệu dẫn điện vật liệu dẫn từ vật liệu cách điện điện trường từ trường tổn hao công suất làm phát nóng các chi tiết và lan truyền trong thiết bò điện thiết bò điện phát nóng Page 2 3 BMTBD-LT KCĐ-nxcuong-V2-11-05 θ (nhiệt độ) θ θ 0 quá trình quá trình t (thời gian) θ 0 : nhiệt độ môi trường. θ : nhiệt độ ổn đònh. Tổn hao công suất làm tăng nhiệt độ của một vật thể theo thời gian gồm hai giai đoạn: 1/ quá trình quá độ: một phần nhiệt năng làm tăng nhiệt độ của vật thể còn một phần khác tỏa ra môi trường chung quanh. Sự tỏa nhiệt này tỷ lệ với độ chênh nhiệt (τ) giữa nhiệt độ của vật thể θ và nhiệt độ môi trường chung quanh (θ 0 ) τ = θ - θ 0 2/ quá trình xác lập: nhiệt độ của vật thể tăng đến một nhiệt độ nào đó, gọi là nhiệt độ ổn đònh (θ ), khi đó toàn bộ nhiệt năng phát ra trong vật thể đều tỏa hết ra môi trường chung quanh. Nhiệt độ của vật thể không tăng lên được nữa mà ổn đònh ở nhiệt độ này- chế độ xác lập nhiệt Quá trình nhiệt của thiết bò điện 4 BMTBD-LT KCĐ-nxcuong-V2-11-05 Trong các vật liệu dẫn điện, dẫn từ và vật liệu cách điện của thiết bò điện: vật liệu cách điện chòu nhiệt kém nhất Ỉ nhiệt độ cho phép của thiết bò điện thường được quy đònh bởi ________ ________________________ >18018015513012010590 Nhiệt độ cho phép ( 0 C) CHFBEAY Cấp cách điện Quá trình nhiệt của thiết bò điện Yêu cầu: thiết bò điện phải có nhiệt độ phát nóng thấp hơn so với nhiệt độ cho phép Hậu quả: nếu nhiệt độ của cách điện tăng cao thì nó bò già hóa nhanh và tuổi thọ giảm đồng thời độ bền cơ cũng bò suy giảm Page 3 5 BMTBD-LT KCĐ-nxcuong-V2-11-05 Các dạng tổn hao công suất trong các thiết bò điện Năng lượng tổn hao trong các vật liệu kỹ thuật điện trong một đơn vò thời gian được gọi là công suất tổn hao Công suất tổn hao trong các chi tiết dẫn điện Công suất tổn hao trong các chi tiết dẫn từ Công suất tổn hao trong các chi tiết cách điện 6 BMTBD-LT KCĐ-nxcuong-V2-11-05 Công suất tổn hao trong các chi tiết dẫn điện dòng điện Ỉ dây dẫn điện Ỉ tổn hao công suất bên trong dây dẫn =ρ ∫ 2 V Pjdv j - mật độ dòng điện, A/m 2 ρ - điện trở suất, Ωm; V - thể tích dây dẫn, m 3 Page 4 7 BMTBD-LT KCĐ-nxcuong-V2-11-05 Công suất tổn hao trong các chi tiết dẫn điện q l R ρ= [ ] )(1 1 1 θ − θ α + ρ=ρ θ I l q Nếu dây dẫn có tiết diện đều dọc theo toàn bộ chiều dài, véc tơ mật độ dòng điện vuông góc và phân bố đều trên bề mặt tiết diện: =ρ= ρ⋅ 22 PjVj l R 2 q=I ρ: điện trở suất của vật dẫn phụ thuộc vào nhiệt độ θ của dây dẫn ρ θ1 : điện trở suất ở nhiệt độ θ 1 α [1/ o C]: hệ số nhiệt điện trở, α Al = 0,0042 (1/ o C); α Cu =0,0043 (1/ o C) Thường cho sẵn ρ θ1 ở θ 1 = 0 0 C nên ρ = ρ 0 (1+ αθ) 8 BMTBD-LT KCĐ-nxcuong-V2-11-05 Công suất tổn hao trong các chi tiết dẫn điện DC l RR q ρ == AC f f l RkRk q ρ == k f = k bm k g >1 : hệ số tổn hao phụ do hiệu ứng bề mặt (k bm >1) và hiệùnggần(k g >1) I l q Dòng điện 1 chiều: Dòng điện xoay chiều: Page 5 9 BMTBD-LT KCĐ-nxcuong-V2-11-05 Hiệu ứng bề mặt Hiệu ứng bề mặt sinh ra do hiện tượng phân bố dòng điện không đều trên bề mặt tiết diện q của dây dẫn điện: càng gần bề mặt ngoài của dây dẫn mật độ dòng điện càng lớn hơn so với mật độ dòng điện ở khu vực gần tâm của dây dẫn 10 BMTBD-LT KCĐ-nxcuong-V2-11-05 Hiệu ứng bề mặt hệ số tổn hao phụ k bm do hiệu ứng bề mặt phụ thuộc vào: -tầnsốcủadòngđiện - thông số hình học của tiết diện dây dẫn phụ thuộc vào tần số của dòng điện Page 6 11 BMTBD-LT KCĐ-nxcuong-V2-11-05 Hiệu ứng bề mặt phụ thuộc vào thông số hình học của tiết diện dây dẫn δ/D δ/h 12 BMTBD-LT KCĐ-nxcuong-V2-11-05 Hiệu ứng gần Hiệu ứng gần là hiện tượng phân bố dòng điện không đều trên tiết diện của các dây dẫn đặt gần nhau khi có dòng điện xoay chiều chạy qua Hiệu ứng gần được đánh giá bằng hệ số gần K g Page 7 13 BMTBD-LT KCĐ-nxcuong-V2-11-05 Công suất tổn hao do từ trễ và dòng xoáy trong các chi tiết dẫn từ Các chi tiết sắt từ (các loại mạch từ, các chi tiết bằng sắt thép, vỏ máy làm từ các hợp kim sắt v.v ) nằm trong vùng có từ trường biến thiên Ỉ tổn hao do từ trễ và dòng xoáy Công suất tổn hao do từ trễ và dòng xoáy trong các chi tiết dẫn từ 2 00 tu tre tr fB pp fB ⎛⎞ = ⎜⎟ ⎝⎠ 2 00 dong xoay x f B pp fB ⎛⎞ = ⎜⎟ ⎝⎠ p tr , p x [W/kg] : công suất tổn hao do từtrễvàdòngxoáytrên1 đơn vò khối lượng ở tần số f 0 và từ cảm B 0 Mạch từ ghép từ tôle kỹ thuật điện 14 BMTBD-LT KCĐ-nxcuong-V2-11-05 Công suất tổn hao do từ trễ và dòng xoáy trong các chi tiết dẫn từ Cóthểxácđònhtổnhaotrongmạchtừghéptừtôlekỹthuậtđiện từ các đường cong thực nghiệm ( ) = Fe m PfB Page 8 15 BMTBD-LT KCĐ-nxcuong-V2-11-05 Công suất tổn hao do từ trễ và dòng xoáy trong các chi tiết dẫn từ Thực nghiệm Neumann Ỉ quan hệ giữa tổn hao công suất trong mạch từ thép khối và các thông số khác như sau: Mạch từ thép khối dòng điện xoáy trong mạch từ tương đối lớn vì ta có thể xem mạch từ là cuộn dây thứ cấp có điện trở không lớn. () /= P fINl Sf S - diện tích xung quanh của mạch từ, cm 2 f - tần số dòng điện xoay chiều, Hz IN - s.t.đ cuộn dây, A .vòng l - chiều dài đường sức từ, cm đường cong 1 và 2 do sai số đo của các thí nghiệm khác nhau 16 BMTBD-LT KCĐ-nxcuong-V2-11-05 Công suất tổn hao trong vật liệu cách điện Tổn hao nhiệt Joule trong vật liệu cách điện do cách điện có điện trở R rất lớn = ≈ 2 U P0 R Khi điện trường biến thiên Ỉ xảy ra tổn hao điện môi trong vật liệu cách điện: =⋅ω⋅⋅δ 2 PU Ctg P, W : công suất tổn hao f, Hz: tần số điện trường U, V: điện áp tgδ: hệ số tổn hao điện môi C, F: điện dung của hệ thống π δ= −ϕ 2 φ: góc lệch pha giữa dòng điện và điện áp Page 9 17 BMTBD-LT KCĐ-nxcuong-V2-11-05 Quá trình phát nóng Xét một vật thể đồng nhất, đẳng nhiệt có nguồn nhiệt nội tại: - Công suất nhiệt P =const - Nhiệt độ bằng nhau ở mọi điểm bên trong vật thể - Hệ số tỏa nhiệt K T [W/m 2 0 C] và nhiệt dung C[W.s/ 0 C] của vật thể không phụ thuộc vào nhiệt độ Phương trình cân bằng năng lượng Pdt= Năng lượng sản sinh từ bên trong vật thể trong thời gian dt (Pdt) sẽ biến thành nhiệt năng, một phần làm tăng nhiệt độ của nó ( Cd τ) và phần khác tỏa ra môi trường xung quanh ( K T S τdt) 18 BMTBD-LT KCĐ-nxcuong-V2-11-05 Quá trình phát nóng = ⋅τ+ τ T Pdt C d K S dt ⋅ τ +⋅τ−= T KS dP 0 dt C C τ=θ−θ o độ tăng nhiệt so với nhiệt độ của môi trường, o C . S - diện tích tỏa nhiệt, m 2 C - nhiệt dung, W s/ o C. Page 10 19 BMTBD-LT KCĐ-nxcuong-V2-11-05 Quá trình phát nóng 1 2 τ o τ t τ 0 τ = τ (1 – e -t/T ) đường 1 od T p kS τ = Giải phương trình vi phân bậc nhất xét đến các điều kiện biên của bài toán Sk C T T = : độ tăng nhiệt ổn đònh [s] : hằng số thời gian phát nóng [s] τ = τ 0 e -t/T + τ (1 – e -t/T ) đường 2 ⋅ τ +⋅τ−= T KS dP 0 dt C C Với điều kiện biên: t=0, τ = τ 0 = 0 Với điều kiện biên: t=0, τ = τ o ≠ 0 20 BMTBD-LT KCĐ-nxcuong-V2-11-05 Quá trình phát nóng τ = τ o e -t/T + τ (1 – e -t/T ) Các nhận xét: od T P t kS ττ →∞ ⇒ → = od T P kS τ = Đây là chế độ xác lập nhiệt: công suất tổn hao gây phát nóng vật thể cân bằng với công suất tỏa nhiệt ra môi trường chung quanh phương trình cân bằng nhiệt Newton ở chế độ xác lập 1 2 τ o τ t τ 0 [...]... BMTBD-LT KCĐ-nxcuong-V 2-1 1-0 5 44 Page 22 Chế độ làm việc ngắn hạn lặp lại Thiết bò điện làm việc theo chu kỳ với dòng điện ngắn hạn lặp lại Inl I Inl tlv tck t tng Trong mỗi chu kỳ: - Thời gian làm việc chưa đủ lớn (tlv < 4T) nên nhiệt độ của thiết bò chưa đạt đến giá trò xác lập - Thời gian nghỉ chưa đủ dài (tng > R1, R2 do đó nhiệt chỉ truyền theo hướng ngang trục (hướng kính) A-A dr A R1 R2 A r θ1 θ2 l BMTBD-LT KCĐ-nxcuong-V 2-1 1-0 5 33 Sự truyền... trong mạch điện Ở đây ta có sự tương tự giữa hai đại lượng nhiệt và đại lượng điện Đại lượng nhiệt, đơn vò Nhiệt lượng, W.s Nhiệt thông, W Mật độ nhiệt thông, W/m2 Hệ số dẫn nhiệt, W/m0C Độ chênh nhiệt, 0C Nhiệt trở, 0C/W Nhiệt dung, W.s/ 0C Đại lượng điện, đơn vò Điện lượng, A.s Dòng điện, A Mật độ dòng điện, A/m2 Điện dẫn suất, 1/Ωm Điện áp, V Điện trở, Ω Điện dung, F BMTBD-LT KCĐ-nxcuong-V 2-1 1-0 5 31... BMTBD-LT KCĐ-nxcuong-V 2-1 1-0 5 58 Page 29 Ứng suất nhiệt cho phép (thermal stress withstand capacity) Độ bền nhiệt của mạch vòng dẫn điện trong thiết bò kỹ thuật điện được đặc trưng bằng giá trò dòng điện ngắn mạch cho phép chảy qua nó trong một khoảng thời gian xác đònh mà không gây ra hư hỏng mạch vòng dẫn điện Sau sự cố ngắn mạch, thiết bò kỹ thuật điện trở lại làm việc bình thường Giá trò dòng điện. .. ΦT=? BMTBD-LT KCĐ-nxcuong-V 2-1 1-0 5 26 Page 13 Sự truyền nhiệt của vật thể phát nóng ở chế độ xác lập Xét vi phân nhiệt lượng dQ của vật thể dẫn điện truyền qua vi phân dS của tiết diện vật thể cách điện theo phương x Phương trình truyền nhiệt Fourrier: d 2 Q = −λ Vật thể cách điện Vật thể dẫn điện dQ ∂θ dSdt ∂x dS x λ [W/m0C]: hệ số dẫn nhiệt của vách cách điện BMTBD-LT KCĐ-nxcuong-V 2-1 1-0 5 27 Sự truyền... max (1 − e − tlv + t ng T ) = τ dh (1 − e BMTBD-LT KCĐ-nxcuong-V 2-1 1-0 5 − tck T ) 48 Page 24 Chế độ làm việc ngắn hạn lặp lại τ − tck / T τ nl 1 − e = τ dh 1 − e −tlv / T τnl 2 τdh 1 2 τ nl Pnl I nl = = 2 τ dh Pdh I dh Do tlv tng τ1 tlv tng t Suy ra hệ số quá tải dòng điện cho phép KI = I nl 1 − e −tck / T = I dh 1 − e −tlv / T BMTBD-LT KCĐ-nxcuong-V 2-1 1-0 5 49 Chế độ làm việc ngắn hạn lặp lại KI = I nl... làm việc và thời gian nghỉ là vô cùng BMTBD-LT KCĐ-nxcuong-V 2-1 1-0 5 38 Page 19 Chế độ làm việc dài hạn τ t = 4T = τ od (1 − e 4 ) ≈ 0,982τ od ≈ τ od trong thực tế khi t ≥ 4T thì có thể coi là thiết bò điện làm việc ở chế độ dài hạn Độ chênh nhiệt ổn đònh của TBĐ được xác đònh bằng phương trình cân bằng nhiệt Newton: τ od = P kT S BMTBD-LT KCĐ-nxcuong-V 2-1 1-0 5 39 Chế độ làm việc dài hạn τ od = P kT... thì đủ dài (tng >4T) để nhiệt độ của thiết bò điện bằng với nhiệt độ môi trường τ I Inh τdh τ1 t tng tlv tlv khi t = tlv thì τ = τ1< τdh t thiết bò điện làm việc non tải Nếu thiết bò điện làm việc ở chế độ ngắn hạn với dòng điện hoặc công suất bằng với dòng điện hoặc công suất dài hạn đònh mức thì sẽ không tận dụng hết khả năng chòu nhiệt của thiết bò điện BMTBD-LT KCĐ-nxcuong-V 2-1 1-0 5 41 Chế độ làm việc... θ1 λS Δθ = θ1 − θ 2 = Φ T x = δ, θ = θ2 δ = Φ T RT λS BMTBD-LT KCĐ-nxcuong-V 2-1 1-0 5 29 Sự truyền nhiệt qua vách phẳng θ1 Δθ = θ1 − θ 2 = Φ T RT = δ = Φ T RT λS φT θ2 θ1 Δθ x φT RT θ2 δ 0 [ C/W]: nhiệt trở do dẫn nhiệt qua vách cách điện có λ S bề dầy δ, tiết diện S và hệ số dẫn nhiệt λ Δθ = θ1 - θ2 : độ chênh nhiệt BMTBD-LT KCĐ-nxcuong-V 2-1 1-0 5 30 Page 15 Sự truyền nhiệt qua vách phẳng Δθ = θ1 − θ 2 . Page 1 1 BMTBD-LT KCĐ-nxcuong-V 2-1 1-0 5 2 BMTBD-LT KCĐ-nxcuong-V 2-1 1-0 5 Quá trình nhiệt của thiết bò điện Vật liệu của thiết bò điện vật liệu dẫn điện vật liệu dẫn từ vật liệu cách điện điện trường từ. dài Sk C T T = 22 BMTBD-LT KCĐ-nxcuong-V 2-1 1-0 5 Quá trình phát nóng θ θ T t Page 12 23 BMTBD-LT KCĐ-nxcuong-V 2-1 1-0 5 Quá trình nguội Ỉ τ = τ e -t/T τ τ t =τ+ τ T 0Cd KSdt khi t=0 thì τ = τ 24 BMTBD-LT KCĐ-nxcuong-V 2-1 1-0 5 Sự. từ ghép từ tôle kỹ thuật điện 14 BMTBD-LT KCĐ-nxcuong-V 2-1 1-0 5 Công suất tổn hao do từ trễ và dòng xoáy trong các chi tiết dẫn từ Cóthểxácđònhtổnhaotrongmạchtừghéptừtôlek thuật iện từ các đường