Исследование нагрева катушек электрических аппаратов

Лабораторная работа №5
Исследование нагрева катушек электрических
аппаратов
1.Цель работы
Целью
работы
является
исследование
нагрева
катушек
электромагнитов, а также влияния на нагрев конструктивного исполнения,
геометрических размеров, режимов работы катушек и конструктивного
исполнения магнитопроводов.
2.Предмет исследования
В лабораторной работе исследуются семь катушек (N1-N7),
расположенных на магнитопроводах. Конструктивное исполнение катушек
представлено на рис. 2.1 и 2.2, а их параметры приведены в табл. 2.1.
Для измерения температур в катушках установлены термопары,
месторасположение которых указано в табл. 2.1.
3.Описание установки
Установка питается от сети переменного напряжения 220 В и сети
постоянного напряжения 110 В.
Лабораторная работа размещена на левом поле унифицированного
лабораторного стенда кафедры электрических и электронных аппаратов.
Принципиальная схема лабораторного испытательного стенда
представлена на рис. 3.1. На передней панели стенда укреплены исследуемые
катушки N1, N2, N3, N4, N5, N6 и N7. Каждая обмотка катушки включена в
соответствующую схему с регулировочным резистором R, выключателем S,
амперметром PA (тип 4200 класс точности 1,5), по которому контролируют
протекающий в обмотке ток.
Например: для катушки N2: S2, PA2, R2. Схемы катушек N1, N2, N3,
N4 и N5 подключаются выключателем S8 к источнику постоянного тока =
110 В.
Схемы катушек N6 и N7 подключаются выключателем S9 к источнику
переменного тока ~ 220 В.
Термопары, установленные в обмотках катушек, подключаются к
измерительному прибору ИТ (тип КПВ1-503 класс точности 0,5)
измеряющему температуру, переключающими контактами ST шагового
искателя. Шаговый искатель переключается нажатием вниз переключателя Т.
Световое табло термопары указывает, какая термопара какой катушки в
данный момент подключена в данный момент к измерительному прибору
ИТ.
В левом окне светового табло высвечивается номер катушки, в правом
– номер термопары.
Например:
катушки.
① ④ обозначает что подключена 4-ая термопара 1-й
2
Включением выключателя S8 к лабораторному стенду и к исследуемым
катушкам N1, N2, N3, N4 и N5 подключается напряжение U=110 В от
источника постоянного тока.
Включением выключателя S9 к лабораторному стенду и к исследуемым
катушкам N6 и N7 подключается напряжение U=220 В от источника
переменного тока.
О подключении к лабораторному стенду напряжения постоянного и
переменного тока свидетельствует зажигание соответствующих сигнальных
ламп световой индикации.
4.Техника безопасности при выполнении работы
4.1. Перед выполнением лабораторной работы внимательно
ознакомиться с описанием учебной работы и лабораторным стендом.
4.2. Не включать установку без разрешения преподавателя, ведущего
занятия.
4.3. Не разрешается самостоятельно устранять возникшие в процессе
работы неисправности. В этих случаях необходимо обращаться к
преподавателям или дежурному лаборанту.
4.4. В случае аварий (появления больших токов) необходимо
срочно отключить выключатели S8 и S9.
3
5.Задание
5.1. Снять и построить зависимость температуры наружного слоя
первой катушки (N1) от времени θ = θ(t) при протекании тока І 1 =0,13
А.
5.2. Снять и построить зависимость распределения температур
от координат слоев катушек N1, N2, N3, N6 и N7 θ = θ(h) через время
нагрева t = 1 ч , токами І 1 =0,13 А, І 2 = =0,13 А, І 3 =0,5 А, І 6 =0,15 А,
І 7 =0,15 А.
5.3. Рассчитать плотности токов j в катушках N1, N2, N3, N6 и
N7.
5.4. Для первой катушки N1 определить установившееся значение
температуры θ у, величину постоянной времени нагрева Тн, значение
коэффициента теплоотдачи k T .
5.5. Снять и построить зависимость температуры четвертой
катушки N4 от времени в кратковременном режиме нагрева при
протекании тока І 4 =0,3 А в течение 10 мин и кривую остывания в
течение 30 мин.
5.6. Снять и построить зависимость температуры пятой катушки
N5 от времени θ= θ(t) повторно-кратковременном режиме нагрева при
протекании тока І 5=0,3 А в течение 45 мин.
5.7. Определить время рабочего периода Ір , время паузы І п ,
продолжительность включения ПВ % и установившееся значение
температуры повторно-кратковременного режима работы катушки N5.
6. Методические указания
Включить выключатели S8 и S9 и отрегулировать измеритель
температуры (ИТ) уставкой на нулевое значение.
Зафиксировать начальную температуру катушек θ о .
Подключить катушки N2, N3, N6 и N7 к сети при помощи
соответствующих выключателей.
При помощи реостатов R2, R3, R6 и R7 установить токи І 2 =0,13
А, І 3 =0,5А, І 6 =0,15А, І 7 =0,15 А соответственно в катушках N2, N3, N6
и N7.
Записать время начала опытов.
К пункту 5.1. К измерителю температур (ИТ) подключить
четвертую термопару первой катушки (на световом табло должно быть
1—4).
Записать время начала проведения опыта и начальную
температуру θ о .
Включить S1 и реостатом R1 установить ток І 1 =0,13 А.
Пять первых измерений провести с интервалом через 1 мин, а
следующие измерения — через 5 мин.
Опыт проводить в течение 1 часа.
К пункту 5.2. После, примерно, 1 часа нагрева катушек N1, N2,
4
N3, N6 и N7 провести измерения температур всеми термопарами этих
катушек.
Построить зависимости температур от координат слоев катушек
θ=θ (h) на одном графике.
К пункту 5.4. На кривой нагрева первой катушки N1 взять две
произвольные точки с координатами (θ 1 ,t 1 ) и (θ 2 ,t 2 )
Из уравнений
Θ1 = Θу (1-
)
Θ2 = Θу (1-
)
определить Θ у и Тн,
где Тн — постоянная времени нагрева;
Θу=θу—θо,
где θy — установившееся значение температуры, θ0 — начальное значение
температуры катушки N1;
Θ1=θ1—θо,
Θ2 =θ2—θо.
Для первой катушки N1 из графика θ= θ(h) определить
температуру θmax и координату наиболее нагретого слоя х.
Значение коэффициента теплоотдачи кT определить из уравнения
q(h-xmax)L= кTFox(θу—θо)
где q=
—плотность мощности источников теплоты в катушке,
) —удельное сопротивление провода катушки при
N1—число витков первой катушки;
І 1 =0,13 А — ток в первой катушке АП;
,
SoK=h l— площадь намоточного окна катушки;
h= (Dн—Dвн)/2 —высота намоточного окна катушки;
k3— коэффициент заполнения намоточного окна
катушки (принять k3=0,5);
Fox= DHl —охлаждающая поверхность катушки.
К пункту 5.5. Подключить к измерителю температуры ИТ
термопару катушки N4. Включить выключатель S4 и регулирующим
резистором R4 отрегулировать ток І 4=0,3 А.
В течение первых трех мин. после включения S4 проводить
измерения температуры через интервалы времени t=30 c. По
прошествии 3 минут проводить измерения температур через интервалы
времени Δ t = 1 мин. Нагрев обмотки катушки N4 проводить в течение
10-12 мин, затем отключить S4.
После отключения S4 в течение первых 10 минут проводить
измерения температуры через интервалы времени Δt= = 1 мин. По
прошествии 10 мин проводить измерения температур через
5
интервалы времени Δt=5 мин в течение 10 минут.
К пункту 5.6. Повторно-кратковременный режим включения
представляет собой чередование времени включения t p и времени
отключения (паузы) t п катушки, причем длительности включения и
отключения во время работы не изменяются. Режим работы
определяется продолжительностью включения ПВ, %
В данной работе при включении S5 начинается время паузы
(t п 60 с), ток І5 появляется после окончания паузы, начало опыта —
момент включения тока І 5 ;
— подключить к измерителю температуры (ИТ) термопару
обмотки катушки N5;
— включить S5 и, наблюдая за амперметром РА5, записать
время начала опыта;
— отрегулировать ток І 5 =0,3 А;
для каждого цикла t ц = t p +t п необходимо записать два показания:
максимальную и минимальную температуру за цикл, что соответствует
концу t p и концу t п .
К пункту 5.7. Время рабочего периода и время паузы определить с помощью часов по моментам включения и выключения
тока в катушке. Провести 10 измерений и найти средние значения.
По значениям температур в конце рабочих периодов построить
огибающую, а установившееся значение температуры повторнократковременного режима определить так же, как и в п. 5.4.
7. Контрольные вопросы
1. Какими видами теплопередачи распространяется теплота в
твердых телах?
2. Что представляет собой коэффициент теплоотдачи k T и от
каких параметров он зависит?
3. Как подсчитывается величина охлаждающей поверхности
обмотки, если она выполнена:
а) без каркаса,
б) с металлическим каркасом,
в) с пластмассовым каркасом?
4. Какое предварительное заключение о режиме включе ния
обмотки можно дать по величине плотности тока, как здесь
учитывать условия охлаждения?
5. Как можно определить установившуюся температуру
нагрева обмотки (назвать несколько способов)?
6. Влияет ли на температуру нагрева обмотки род протекающего тока (постоянный или переменный)?
6
7. Указать все источники теплоты в катушке электромаг нита
переменного тока со сплошным сердечником.
8. Как изменяется температура нагрева обмотки по тол щине
намотки (для разных исполнений каркаса)?
9. В каком случае радиус наиболее нагретого слоя сов падает
с радиусом наружной поверхности обмотки?
8.Вопросы для программированного контроля
1. Укажите размерность коэффициента теплоотдачи в си стеме
СИ.
2. Какой вид имеет кривая распре деления температуры в
цилиндрической стенке без источников теплоты?
3. Какой вид имеет кривая распределения температуры в
плоской стенке с внутренними источниками теплоты?
4. Какой вид имеет кривая распределения температуры в
плоской стенке без источников теплоты?
5. Укажите все источники теплоты в катушке переменно го
тока с ферромагнитным сердечником.
6. Напишите выражение для теплового сопротивления
конвективной теплоотдачи.
7. Укажите размерность теплового сопротивления в си стеме
СИ.
8. В каком случае радиус наиболее нагретого слоя сов падает
с радиусом наружной поверхности катушки?
9. Какими видами теплоотдачи теплота распространяется в
воздухе?
10. Напишите выражение закона Ома для теплопередачи.
1.
9.Литература
Таев И. С. Электрические аппараты управления. М.: Высш.
шк.,
1984. С. 23—35,
2.
Александров Г. Н. Теория электрических аппаратов. М.:
Высш. шк..
1985. С. 5—28.
Буткевич Г. В., Дегтярь В. Г., Сливинская А. Г. Задачник по электрическим аппаратам. М.: Высш. шк., 1977. С. 178—179, 181, 193.
7