Лабораторная работа № 56. Исследование источников теплоты

Лабораторная работа №2
Исследование источников теплоты в электрических
аппаратах
1. Цель работы
Поскольку
электрические
аппараты
являются
сложными
электротехническими устройствами, содержащими много элементов, по
одним из которых протекают электрические токи, другие являются
проводниками магнитных потоков, третьи служат для электрической
изоляции, четвертые перемещаются в пространстве, передавая усилия другим
частям, то при работе электрического аппарата существует преобразование
одних видов энергии в другие. При этом, как известно, неизбежны потери
энергии, которые превращаются в тепло. Изучение источников тепла, а
именно: джоулевых потерь, дополнительных потерь от поверхностного
эффекта и потерь в ферромагнитных нетоковедущих частях, находящихся
вблизи токоведущих, является целью настоящей лабораторной работы.
2. Предмет исследования
Исследованию подвергаются: токоведущий контур, состоящий из
медной и алюминиевой шин, три стальные 'полосы, расположенные
перпендикулярно осям токоведущих шин на разном расстоянии от них, и
четыре стальные рамы, охватывающие токоведущие шины, и имеющие на
пути магнитного потока немагнитные промежутки разной величины.
3. Описание установки
Установка питается от сети переменного напряжения 220 В через
понижающие
автотрансформатор
типа
АОСН-20-220—75
У4
и
трансформатор типа ОСУ 40/0,5.
Часть лабораторной работы, являющаяся предметом исследования,
смонтирована на стене лаборатории, а пульт управления и измерительные
приборы размещены на правых полях унифицированного лабораторного
стенда кафедры электроаппаратостроения.
Испытательная установка состоит из П-образиого токоведущего
контура,
представляющего
собой
последовательно
соединенные
алюминиевую 4 и медную 5 шины поперечного сечения 100ХШ м,м2 (см.
рис. 1). Шины подсоединяются непосредственно к выводам понижающего
трансформатора 10 и соединены между собой при помощи перемычки 11.
Стальные полосы 1, 2, 3 длиной 1210 мм и поперечного сечения 60X4 мм2
расположены перпендикулярно осям то ков едущих шин соответственно на
расстояниях 90, 160 и 320 мм.
Рис. 1. Эскиз расположения исследуемых шин, ферромагнитных полос
и рам
Стальные рамы 6 ,7 , 8 и 9 , охватывающие токоведущие шины, выполнены в виде квадратов со стороной, длина которой равна 310 мм. Рамы
выполнены из стальной полосы с поперечным сечением 60X4 мм2, имеют
немагнитные промежутки, длина которых соответственно равна 0; 1; 2 и 3
мм. Для измерения распределения плотности тока по поперечному сечению
токоведущих шин на широкие стороны их поперечного сечения наклеено по
9 тонких изолированных по всей длине измерительных проволочек, концы
которых электрически соединены с шинами. Расположение измерительных
проволочек показано на рис. 2,а (нумерация проволочек снизу вверх). Для
измерения величины магнитного потока в поперечном сечении стальных
полос и рам на них установлены измерительные обмотки, имеющие по 20
витков каждая.
Расположение измерительных обмоток на стальных полосах, показано
на рис. 2,6. На каждой полосе установлено по 12 обмоток, имеющих
нумерацию слева направо.
На рис. 2, в показано расположение измерительных обмоток на
стальных рамах.
2
Измерение температуры шин таковедущего контура, стальных полос и
рам производится при помощи хромелькопелевых термопар по одной на
каждую токоведущую шину и стальную раму и по 12 на стальную полосу.
На токоведущих шинах термопары расположены на серединах
широких сторон поперечного сечения на расстояниях 1800 мм от места
подсоединения к трансформатору. На стальных полосах термопары
расположены в местах расположения измерительных катушек (нумерация
слева направо), а на стальных рамах — в месте расположения измерительной
катушки 3 (см. рис. 2).
Электрическая схема установки и схема измерений приведена на рис. 3.
Включение токоведущего контура производится при помощи выключателя
SF1. При этом загорается сигнальная лампа, расположенная над SF1.
Измерение величины тока, протекающего по контуру, производится при помощи трансформатора тока ТТ с коэффициентам трансформации 2000/5 и
амперметра
РА.
Регулирование
величины
тока
производится
автотрансформатором Т1. Включение питания измерительных приборов и
переключателей производится выключателем SF2, о включенном положении
которого свидетельствует загорание сигнальной лампы, расположенной над
ним. Подключение термопар к автоматическому потенциометру Pt,
потенциальных проволочек и измерительных катушек к цифровому
вольтметру PU производится при помощи переключателей S3 и S4.
Положение 2 переключателя S3 соответствует подключению к
измерительным приборам термопар и измерительных катушек полос 1 и 2, а
положение 3—полосы 3. В положении 4 к измерительным приборам
подключены измерительные проволочки и термопары токоведущих шин 4 и
5, а в положении 5—измерительные катушки и термопары стальных рам 6, 7,
8 и 9. В положении 1 переключателя S3 входы измерительных приборов
обесточены.
3
Рис. 2. Эскиз расположения потенциальных проволочек, измерительных
катушек и термопар
4
Рис. 3. Электрическая схема и схема измерений
Нажатие переключателя S4 вниз соответствует переключению к
термопаре, измерительной катушке или проволочке, имеющей номер на
единицу больший предыдущей. Номер шины, полосы или рамы
индицируется на цифровом электронном табло Тб. 1, номер термопары на
табло Тб. 2, номер измерительной катушки или проволочки на табло Тб. 3.
К гнездам 1 и 3 подсоединены измерительные проволочки под номером
1 токоведущих шин 4 и 5 соответственно, а гнезда 2 соединены электрически
с входом вольтметра PU. Эти гнезда предназначены для подключения к ним
переносного прибора Рф, измеряющего угол сдвига фаз между векторами
плотности тока в разных точках поперечного сечения токоведущих шин.
К гнездам 2, кроме того, подсоединяется магнитный потенциалометр
для измерения разности магнитных потенциалов вдоль стальных полос и рам.
4. Техника безопасности при выполнении лабораторной работы
1.
При выполнении лабораторной работы воспрещается включать
органы управления, расположенные на стэнде и не относящиеся к данной
работе.
5
2.
Воспрещается прикасаться к токоведущим частям испытательной
установки при включенных выключателях SF1 и SF2 (токоведущие части
окрашены в красный цвет).
3.
Воспрещается прикасаться к клеммам на стенде при включенных
выключателях SF1 и SF2.
4.
При включенных выключателях SF1 и SF2 опасные для жизни
напряжения могут появляться на всех зажимах испытательной установки и
стенда, а также на исследуемом контуре.
5.
В случае возникновения аварийной ситуации необходимо
выключить выключатели SF1 и SF2 и обратиться к лаборанту.
5. Задание
1.
Ознакомиться с испытательной установкой, с расположением
органов управления, измерительных приборов и техникой безопасности при
выполнении лабораторной работы.
2.
Экспериментально снять кривую нагрева медной шины при токе
через нее I=2000 А.
Полученные данные представить в виде таблицы и графика.
3.
Экспериментально снять распределение амплитуды и фазы
вектора плотности тока по поперечному сечению медной и алюминиевой
шин в установившемся процессе нагрева.
Полученные данные представить ,в виде таблиц.
4.
Экспериментально снять кривую распределения температуры
вдоль
ферромагнитных
полос,
расположенных
перпендикулярно
токоведущим шинам в установившемся процессе нагрева токоведущих шин.
Полученные данные представить в виде таблиц и графиков.
5.
Экспериментально снять распределение магнитного потока и
разности магнитных потенциалов вдоль ферромагнитных полос,
расположенных перпендикулярно токоведущим шинам в установившемся
процессе нагрева.
Полученные данные представить в виде таблиц и графиков.
6.
Экспериментально
снять
зависимость
температуры
установившегося процесса нагрева ферромагнитных рам, охватывающих
токоведущие шины, от величины воздушного промежутка на пути
магнитного потока.
Полученные данные представить в виде таблицы и графика.
7.
Построить векторную диаграмму плотности тока по поперечному
сечению токоведущих шин.
8.
Построить по данным п. 3 распределение плотности тока по
поперечному сечению и при помощи ЭЦВМ «Наири-2» рассчитать
коэффициенты поверхностного эффекта для шин токоведущего контура.
9.
Построить графически зависимости максимальной температуры
ферромагнитных полос, расположенных перпендикулярно токоведущим
шинам, в функции расстояния от оси токоведущей шины.
6
10. Рассчитать по данным п. 5 распределение температуры вдоль
ферромагнитных полос, расположенных перпендикулярно токоведущим
шинам.
Полученные данные сравнить с данными п. 4.
6. Методические указания
К пункту 2 задания.
Определить время, необходимое для нагрева токоведущих шин до
температуры установившегося состояния нагрева по формуле:
(1)
где Т—постоянная времени нагрева шины (см. [1], с. 47)
(2)
где
и — удельная теплоемкость и плотность материала
нагреваемой шины (см. [2], с. 178—179);
V и F—объем и охлаждающая поверхность единицы длины шины;
-коэффициент теплоотдачи с поверхности шины в окружающую
среду.
Расчет произвести для медной шины, приняв kT=15 Вт/(м2*К).
Включить выключатель SF1, установить S3 в положение 4, a S4 в положение,
при котором показания электронных табло Тб. 1 и Тб.2 будут соответственно
4 и 1.
Включить SF1, установить ток I=2000 А и в течение времени, равном
Iуст, через каждую минуту производить замеры температуры медной шины.
Данные свести в таблицу.
К пункту 3 задания.
Переключатель S3 поставить в положение 4, а переключатель S4 в
положение, при котором на электронном табло Тб. 1 будет показание номерашины 4, а на табло Тб. 3 — показание номера потенциального конца. К
гнездам 1 и 2 подключить фазометр. В качестве базового напряжения принять напряжение, снимаемое с 1-го потенциального конца, т. е. с гнезд 2.
Подключая поочередно при помощи переключателя S4 потенциальные
концы к милливольтметру PU и гнездам /, произвести измерения величины
напряжения и угла сдвига фазы этого напряжения по отношению к
напряжению на 1-м потенциальном конце.
После снятия показаний на шине 4 при помощи S4 поочередно
подключить к милливольтметру PU и гнездам 3 потенциальные концы шины
5 и снять показания PU и Рφ. При этом соответствующий вход Pφ
переключить с гнезд 1 на гнезда 3.
Данные измерений внести в таблицу.
Величину плотности тока на поверхности шиныφ в месте прокладки
потенциальной проволочки определить по формуле
(3)
7
где
-величина напряжения, измеренная PU;
—удельное сопротивление материала шины (см. [2], с. 178);
1= 1,0 м — длина потенциальной проволочки.
К пункту 4 задания.
При помощи S3 и S4 установить номер ферромагнитной полосы на
табло Тб. 1 и термопары на табло Тб. 2.
Подключая поочередно к Pt соответствующую термопару произвести
измерения данных всех 12-ти термопар на каждой полосе.
Полученные данные свести .в таблицу и изобразить графически на
одном рисунке.
К пункту 5 задания.
При помощи S3 и S4 установить номер ферромагнитной полосы или
рамы на табло Тб. 1 и измерительной катушки на табло Тб. 3. Поочередно
измерить величину э. д. с для всех измерительных катушек жаждой из полос
и рам.
Значение магнитного потока определяется по формуле
(4)
где Е — действующее значение э. д. с. измерительной катушки;
— амплитудное значение магнитного потока;
f— частота тока;
— число витков измерительной катушки.
Разность магнитных потенциалов измеряется при помощи магнитного
потенциалометра. Для этого торцы потенциометра подсоединяются к двум
точкам на ферромагнитной полосе, между которыми производится измерение
разности магнитных потенциалов, а измерительные концы подсоединяются к
милливольтметру, т. е. к гнездам 2. При измерении разности магнитных
потенциалов переключатель S3 необходимо перевести в положение 1,
подключить потенциалометр к гнездам 2 и произвести измерения разностей
магнитных потенциалов между точками ферромагнитных полос, отмеченных
кругами.
Напряженность магнитного поля на участке измерения вычисляется по
формуле
(5)
где k — постоянная потенциалометра;
n—показания милливольтметра;
d — расстояние между точками, между которыми производится
измерение разности магнитных потенциалов. (В данном случае d= 90 мм.)
Постоянную потенциалометра необходимо определить таким образом:
охватить потенциалометром токов едущую шину, сомкнув при этом его
торцы, снять значение величины тока, протекающего по шине, и показания
милливольтметра PU. Вычислить
8
(6)
Полученные данные свести в таблицу и изобразить графически
зависимости Вт=Вт(х), Н=Н(х), где х — координаты точек по длине полос.
К пункту 8 задания.
По данным п. 3 построить распределение плотности тока по
поперечному сечению шин. Проэкстраполировать зависимости до границ
поверхности шины. Построить зависимости j'2=j2(х), где x — координата
точки на широкой стороне шины, x=0—100 мм. Коэффициент
поверхностного эффекта вычислить как [1]
(7)
Где j — плотность переменного тока;
j= -плотность постоянного тока
где I — величина тока, протекающего по шине;
S - площадь поперечного сечения шины.
Вычисление kn произвести на ЭЦВМ «Наири-2».
К пункту 9 задания.
По данным графических зависимостей п. 4 для х=х1 и х=x2, где х1 и x2
— координаты точек на полосах, в которых υ=υmax1 и υ= υmax2, построить
зависимость υmax= υmax(L), где L — расстояние оси полосы от оси
токоведущей шины.
К пункту 9 задания.
Перепад температуры в месте установки измерительной катушки и
окружающей средой определяется по формуле Ньютона [1]
К пункту 10 задания.
Перепад температуры в месте установки измерительной катушки и
окружающей средой определяется по формуле Ньютона [1]
где Р—мощность источников тепла в ферромагнитной полосе;
kT— коэффициент теплоотдачи с поверхности полосы в
окружающую среду, принять kT=15Вт/(м2*К);
F—величина охлаждающей поверхности полосы;
— температура окружающей среды, принять равной
=
где
— начальная температура поверхности токоведущей шины,
измерения в п. 1.
В месте установки измерительной катушки
P=i2*R
Величина тока i определяется как
9
где E1=E*w.
При расчете на единицу длины полосы имеем
,
,
,
где П—периметр поперечного сечения полосы;
— удельное сопротивление материала полосы (см. [1], с. 178);
za — глубина проникновения электромагнитного поля (см.
[ 1 ] , c.12).
Тогда
(9)
Расчет произвести для полосы 2. Величина za вычисляется из
следующих рассуждений.
Для значения Н в данной точке полос определяется величина
магнитной индукции В по кривой намагничивания (см. рис. 4).
Площадь поперечного сечения, через которую проходит магнитный
поток Ф, измеренный при помощи измерительной катушки, равна
Откуда
(10)
Тогда
(11)
П р и м е ч а н и е . В данном расчете распространением тепла вдоль ферромагнитной полосы
пренебрегаем.
1)
2)
3)
Контрольные вопросы
Назовите основные источники тепла в электрических аппаратах.
Какое явление называется поверхностным эффектом?
Какое явление называют эффектом близости?
10
Рис. 4. Кривая намагничивания материала ферромагнитных полос и рам
4)
Изобразите качественно кривую распределения плотности
переменного тока по сечению прямоугольной шины.
5)
Изобразите кривую распределения плотности переменного тока
по сечениям двух параллельных прямоугольных шин, расположенных
узкими сторонами близко друг к другу (токи в шинах направлены в разные
стороны).
6)
От какого параметра зависит коэффициент поверхностного
эффекта для проводников из ферромагнитного материала?
7) В каком случае коэффициент поверхностного эффекта больше—в
случае неферромагнитного или в случае ферромагнитного проводника при
прочих равных условиях?
8) Напишите выражение для потерь в проводниках при переменном
токе с учетом эффекта близости и поверхностного эффекта.
9) Для какой, цели применяют трубчатые проводники в случае
переменного тока?
10) Чем объяснить применение ферромагнитных бандажей на крайних
шинах пакета шин?
11
Вопросы для программированного контроля
1. Укажите правильное качественное распределение плотности
переменного тока по сечению одиночной прямоугольной шины.
2. Укажите все источники тепла в катушке переменного тока с
ферромагнитным сердечником.
3.
Укажите все источники тепла в катушке постоянного тока с
ферромагнитным сердечником в установившемся режиме.
4.
Для какой цели применяют ферромагнитные бандажи на крайних
шинах пакета?
5. От какого параметра зависит коэффициент поверхностного
эффекта для проводников из немагнитного материала?
6. Как зависит коэффициент поверхностного эффекта от частоты
переменного тока для немагнитных проводников?
7. Из какого материала применяют бандажи на крайних шинах
пакета шин при переменном токе?
8.
Как изменяется коэффициент близости с увеличением
расстояния между проводниками?
9.
Через какое врёмя превышение температуры тела будет равно
Ѳ==0,99 Ѳуст?
10. Укажите правильное написание теплового сопротивления с
поверхности нагретого тела в окружающую среду.
Л И Т ЕР А ТУ Р А
1.
Дегтярь В. Г., Годжелло А. Г. Конспект лекций по курсу
электрические аппараты.—М„: МЭИ, 1976, с. 3—16.
2.
Буткевич Г. В., Дегтярь В. Г., Сливинская А. Г. Задачник по
электрическим аппаратам.— М.: Высш. школа, 1977, с. 170—198.
12