Нагрівання котушки

Процес нагрівання котушок – складне явище. Розподіл температури по котушці нерівномірний як у радіальному, так і в аксіальному (по висоті) напрямках. У першому наближенні можна визначити середнє перевищення температури котушки по потужності, що виділяється в ній, і середньому коефіцієнту тепловіддачі:

, (4.9)

де і - струм (А) і опір (Ом) холодної котушки;

=12-16 Вт/м^{2 . о}С – середній коефіцієнт тепловіддачі;

- еквівалентна поверхня, м²;

- експериментальні коефіцієнти.

Д ля котушок контакторів, магнітних пускачів, реле рекомендується:

β₁ = 0; β₂ = 0,9 – для безкаркасних бандажированих котушок; β₁ = 1,7 – для котушок намотаних на трубу; β₁ = 2,4 – для котушок, намотаних на осердя.

Характер розподілу температури вздовж радіуса котушки приведений на рис. 4.1. У середині котушки на відстані перевищення температури буде максимальним .

Якщо прийняти, що тепловіддача здійснюється з зовнішньої поверхні, то можна вважати:

; (4.10)

; (4.11)

, (4.12)

де - втрати, що приходяться на одиницю об'єму котушки, Вт/см³;

Р – потужність, що виділяється в котушці при сталій температурі, Вт;

- еквівалентний коефіцієнт теплопровідності, Вт/см· ^оС;

- геометричні розміри котушки, см.

Для котушок, що намотані круглим ізольованим провідником:

. (4.13)

Для котушок із прямокутного провідника:

, (4.14)

де - коефіцієнт теплопровідності матеріалу ізоляції провідника;

- діаметр провідника без ізоляції, см;

і - розміри провідника без ізоляції, см;

- товщина ізоляції, см.

Для проводу марки ПЕВ-1, ПЕЛ =0,0025 Вт/см·^оС; ПЕВ-2 - =0,002 Вт/см· ^оС.

, м² (4.15)

, м² (4.16)

Графічне визначення теплової постійної часу нагрівання

Графічно теплову сталу часу можна визначити такими способами:

а) по кривій нагрівання та охолодження (рис. 4.2, а);

б) методом дотичної, проведеної до будь-якої крапки кривої нагрівання (краще до іншої її половини) (рис. 4.2,б);

в) методом 3-х крапок (якщо не відомо ) (рис. 4.2,в).

Оснащення робочого місця

Дослідження нагрівання та охолодження котушок електричних апаратів проводиться на стенді для дослідження електромагнітів. Електронні прилади для виміру термо - е.р.с. і струму в котушці встановлені на лабораторному столі. Ватметр і вольтметр змонтовані на стенді.

Вказівки щодо виконання роботи

1. Паспортні дані записати тільки того обладнання, що бере участь в експерименті.

2. Зібрати принципову електричну схему установки для дослідження нагрівання та охолодження котушки (рис. 4.3).

3. Встановити зазор δ у магнітній системі заданий викладачем.

4. Включити електромагніт і встановити номінальну напругу живлення котушки (U_н = 220В).

5. Визначити опір холодної котушки R₀, вимірявши потужність Р₀ і струм I₀:

. (4.17)

6. Дослідити характеристику нагрівання котушки, записуючи показання приладів через кожні 2 хвилини до сталого перевищення температури. Результати експерименту записувати в таблицю 4.1.

7. Відключити котушку, що досліджується, від мережі і дослідити криву охолодження, записуючи показання в таблицю 4.1. через кожні 2 хвилини.

8. Встановити зазор δ₂ у магнітній системі і п.п. 6,7 повторити, записуючи показання в таблицю 4.1.

9. За даними таблиці 4.1. побудувати експериментальні криві нагрівання та охолодження (τ =f (t)).

10. Визначити середнє стале перевищення температури τ_ст.сер. розрахунковим шляхом по формулі (4.9).

11. Визначити розрахунковим шляхом теплову сталу часу нагрівання за виразом:

, (4.18)

, (4.19)

де =8900 кг/м³ – питома вага міді;

- середня довжина витка котушки, м;

- кількість витків котушки;

- перетин провідника, м²;

с = 390 Дж/кг ^{. о}С – питома теплоємність.

12. Визначити теплову сталу часу нагрівання графічним методом. Знайти її середнє значення Т_сер і порівняти з розрахунковим Т_р.

13. Розрахувати криві нагрівання та охолодження за виразами (4.2) і (4.4). Для розрахункових кривих сталу часу нагрівання прийняти рівної Т_сер.

14. Побудувати спільно експериментальну і розрахункову криві нагрівання та охолодження.

15. Визначити внутрішнє і максимальне перевищення температури котушки за формулами (4.11) і (4.12). Зовнішнє перевищення температури τ₁ прийняти за результатами експериментів рівне сталому.

Т аблиця 4.1

Режим дослідження

Умови проведення експерименту

Вим. величина

Од. вим.

Дослідні та розрахункові данні

Нагрівання котушки

U=Uн=220 В δ=δ1

t

хв

U2

мВ

τ

^оС

P

Вт

I

мА

Охолодження котушки

t

хв

U2

мВ

τ

^оС

Нагрівання котушки

U=Uн=220 В δ=δ2

t

хв

U2

мВ

τ

^оС

P

Вт

I

мА

Охолодження котушки

t

хв

U2

мВ

τ

^оС

Розрахунок кривої нагрівання τст = τст. при δ1; Т=Тсер1; τ0 = 0.

t

хв

τ

^оС

Розрахунок кривої охолодження τ0 = τкін1; Тохол=Тохол. сер1.

t

хв

τ

^оС

16. Побудувати криві розподілу перевищення температури по радіусу котушки (τ =f (r)) при різних зазорах магнітної системи в одній системі координат.