城市軌道交通車輛電器發(fā)熱與電動力總結

1、 城市軌道交通車輛電器 電子教案 2.1 電器的發(fā)熱與散熱 2.1.1一概述 有觸點電器是由導電材料、導磁材料和絕緣材料等組成的。電器在工作時由于有電流通過導體和線圈而產生電阻損耗。如果電器工作于交流電路，則由于交變電磁場的作用，在鐵磁體內產生渦流和磁滯損耗，在絕緣體內產生介質損耗，所有這些損耗幾乎全部都轉變?yōu)闊崮?。其中一部分散失到周圍介質中，另一部分加熱電器本身，使其溫度升高。 2.1 電器的發(fā)熱與散熱 2.1.1一概述 電器溫度升高后，其本身溫度與周圍環(huán)境溫度之差，稱為溫升。 電器的溫度超過某一極限值后，其中金屬材料的機械強度會明顯下降，絕緣材料的絕緣強度會受到破壞。若電器溫度過高，會使其

2、使用壽命降低，甚至遭到破壞。反之，電器工作時的溫度也不宜過低，因為電器工作時溫度太低，說明材料沒有得到充分利用，經濟性差，相對體積大、質量大。 2.1 電器的發(fā)熱與散熱 2.1.1一概述 研究電器的發(fā)熱問題的意義： 保證電器正?？煽康倪\行及縮小電器體積、 節(jié)約原材料、降低成本、延長使用壽命等方面具有重要意義。 各國電器技術標準都規(guī)定了電器各部件的發(fā)熱溫度極限及允許溫升。 所謂發(fā)熱溫度極限，就是保證電器的機械強度、導電、導磁性以及介質的絕緣性不受危害的極限溫度。允許溫升是發(fā)熱溫度極限與最高環(huán)境溫度的差值。 因為電器的工作環(huán)境直接影響電器的散熱過程，我國國家標準規(guī)定最高環(huán)境溫度為+40(一般為35

3、)，即：單元2 電器的發(fā)熱與電動力 溫升: 電器溫度升高后，其本身溫度與周圍環(huán)境溫度之差，稱為溫升。 極限溫升 : 因為電器的工作環(huán)境直接影響電器的散熱過程。我國國家標準規(guī)定最高環(huán)境溫度為 +40(一般為35)，即 允許溫升發(fā)熱溫度極限40 2.1 電器的發(fā)熱與散熱 二、電器的發(fā)熱電器發(fā)熱有以下三種表現形式： 1、短路電流導體的溫升 PtGc (Ws) P電阻損耗功率(W)；t發(fā)熱時間(s)； G導體質量(kg)；c導體的比熱Ws(kg)；導體的溫升()； 磁滯與渦流損耗 (Wkg)2、磁滯、渦流損耗P鐵磁材料的損耗(Wkg); 分別為磁滯、渦流損耗系數；f 電源頻率，即磁通頻率(Hz)；Bm

4、磁通密度幅值(Wbm2)。3、絕緣介質中的介質損耗-與頻率有關三、電器的散熱電器工作時，只要電器溫度高于周圍介質及接觸零件的溫度，它便向周圍介質散熱。所以發(fā)熱和散熱同時存在于電器發(fā)熱過程中。電器的散熱以傳導、對流與輻射三種基本方式進行。計算公式式中P散熱功率(W)；綜合散熱系數W(m2)；S有效散熱面積(m2)；溫升()。電器散熱的三種方式： 1、熱傳導-是通過具有一定內部能量的物質基本質點間的直接相互作用是能量從一個質點傳遞到另一相鄰質點的過程。 熱傳導方向從較熱部分向較冷部分傳導； 熱傳導是固體傳熱的主要方式。 2、熱對流-通過流體的運動而傳導熱量。自然對流和強迫對流。 3、熱輻射-發(fā)熱體

5、已電磁波形式傳播能量的過程。能穿故空氣和氣體，但不能透過固體和液體。一、長期工作制時電器的發(fā)熱長期工作制是指電器通電后連續(xù)工作到發(fā)熱穩(wěn)定，此時溫升達到穩(wěn)定值。其特點是電器損耗所產生的熱量全部散發(fā)到周圍介質中。 Pdt在dt時間內電器總的發(fā)熱量； 在dt時間內電器的散熱量； 加熱電器本身的熱量。通過計算可得： 不難看出，這是一條上升的指數曲線。2.2 不同工作制下電器的發(fā)熱 圖2-1 長期工作時發(fā)熱與冷卻曲線1 曲線1：導體的穩(wěn)定溫升w 當t趨向無窮大時電器的溫升達到穩(wěn)定值稱為穩(wěn)定溫升w 與起始溫升沒有關系。隨時間的增長按指數曲線上升的。2 曲線2：導體的溫升 導體的溫升是隨時間的增長按指數曲線

6、上升的。3 冷卻曲線3： 是溫度按指數曲線下降的。4 電器的熱時間常數T-決定于導體總的散熱量與其散熱情況之比。 時間常數值越大，表示達到穩(wěn)定溫升所需的時間越長。1 導體的溫升曲線2： 式中Pdt-在時間了內電器總的發(fā)熱量KTSdt-在時間了內電器總的散熱量 cGd- 加熱電器本身的熱量通過計算可得：不難看出，這是一條上升的指數曲線，如圖11中曲線2所示。 當t時，電器的溫升達到穩(wěn)定值，稱為穩(wěn)定溫升 電器各部分的穩(wěn)定溫升不應超過允許溫升。式中是一個常數，我們稱之為電器的熱時間常數(簡稱時間常數)，以表T示 由上分析可得以下幾點：由上分析可得以下幾點：(1)導體的溫升是隨時間的增長按指數曲線上升

7、的。開始上升速度較快，隨著的增大上升速度逐漸減慢，直到穩(wěn)定溫升，此時達到熱穩(wěn)定狀態(tài)。其原因是由于散熱功率和溫升成正比所致。(2)穩(wěn)定溫升與起始溫升無關，它由P/KTS決定。當散熱面積和散熱條件已確定時(S與一定)，正比于發(fā)熱功率P，或正比于電流的平方，電流愈大，穩(wěn)定溫升值也就愈大。如要限制最大溫升，在散熱條件不變的情況下，實際上就是限制通過的最大電流。因此，電器的額定電流值就是根據長期發(fā)熱時的最大溫升不超過允許溫升來確定的。(3)時間常數T決定于導體總的熱容量與其散熱情況之比。其值是由電器本身的物理參數決定的，與發(fā)熱功率(電流)無關。總之，T值越大，表示達到穩(wěn)定溫升所需的時間越長。(4)理論上

8、講，時，溫升達到穩(wěn)定值。實際上接近穩(wěn)定溫升所需的時間并不需要無限長。從圖11中可以看出；當4T時，這時溫升即可認為達到穩(wěn)定值。由于T與電流無關，故對同一電器，通以不同電流，雖其值不等，但達到的時間是相等的。間斷長期工作制(八小時工作制)也屬于長期工作制。在電器規(guī)定的工作時間內溫升早已達到穩(wěn)定值，但超過8h之后必須斷電源，分斷后可以清除觸頭的氧化物及塵垢。電器觸頭工作于間斷長期工作制時，其允許溫升可以比長期工作制時取的略高一些。 1 曲線1：導體的穩(wěn)定溫升w 當t趨向無窮大時電器的溫升達到穩(wěn)定值稱為穩(wěn)定溫升w 與起始溫升沒有關系。隨時間的增長按指數曲線上升的。2 曲線2：導體的溫升 導體的溫升是

9、隨時間的增長按指數曲線上升的。3 冷卻曲線3： 是溫度按指數曲線下降的。4 電器的熱時間常數T-決定于導體總的散熱量與其散熱情況之比。 時間常數值越大，表示達到穩(wěn)定溫升所需的時間越長。二、短時工作制及過載系數 電器的短時工作制是指電器通電時間很短，溫升未達到穩(wěn)定就停止工作，并且下一次工作要等到電器冷卻到周圍介質溫度。例如機車主斷路器中的分、合閘電磁鐵即屬于短時工作制情況，它分別僅在分、合閘時短時通電，分、合閘結束時就斷電。短時工作制的發(fā)熱和冷卻曲線如圖12中曲線1、2所示。 由以上分析可得出以下幾點：(1)某電器在長期工作制下工作時，其穩(wěn)定溫升達到允許溫升。該電器若用于短時工作制時，允許超載運

10、行。這樣可使電器得到充分作用。(2)該電器在短時工作制下，其功率(或電流)的過載倍數與發(fā)熱時間及時間常數T有關。T越大，越小，過載倍數則越高。 三、間斷工作制(反復短時工作制) 間斷工作制是指電器在通電和斷電周期循環(huán)下的工作過程。通電時間內溫度未達到穩(wěn)定值，斷電后又不能冷卻到周圍介質溫度。多次重復通電后，電器可能達到穩(wěn)定溫升。例如，SS3型電力機車上控制伺服電機的接觸器及CJ8Z型接觸器的起動線圈均按間斷工作制考慮。 圖13間斷工作制的發(fā)熱曲線圖13說明了間斷工作制的發(fā)熱過程，以t1表示通電發(fā)熱時間，t2表示斷電冷卻時間。t=t1+t2稱為工作周期。通過分析可得其功率過載倍數、電流過載倍數分別

11、為由上我們可以看出間斷工作制的過載倍數與工作周期t及發(fā)熱時間有關，t越大或越小，過載倍數就越大。在電器標準中常用通電持續(xù)率TD來表示間斷工作制的負荷輕重程度，通電持續(xù)率的定義是即工作時間與工作周期t之比的百分數，顯然TD值愈大，說明工作時間愈長，任務愈繁重，過載系數就愈小。上一節(jié)回目錄下一節(jié) 第3節(jié) 短路時電器的發(fā)熱及電器的熱穩(wěn)定性 電器在通過工作電流時，在其工作制下，要經受額定電流發(fā)熱的考驗。若電路發(fā)生了短路故障，其短路電流遠大于額定電流，當保護電器還未將故障切除前，電器還必須能承受住一定時間內短路電流的發(fā)熱考驗。由于短路電流的時間很短，可以認為是絕熱過程，即不考慮散熱，全部損耗都用來加熱電

12、器。電器的熱穩(wěn)定性是指在一定時間內能承受短路電流(或所規(guī)定的等值電流)的熱作用而不發(fā)生熱損壞的能力。例如不會因發(fā)熱而產生不允許的機械變形，觸頭處不會熔焊等。熱穩(wěn)定性以表示，稱為t秒時熱穩(wěn)定電流(用有效值表示)，一般時間采用1s、5s與10s為準的熱穩(wěn)定電流I1、I5及I10。按照熱量相等的原則，同一電器不同時間的熱穩(wěn)定電流可以互相換算。換算公式為 時間愈短，其熱穩(wěn)定電流可以愈大。各種電器使用于不同電路，熱穩(wěn)定電流有不同的規(guī)定，如表27所示。時間愈短，其熱穩(wěn)定電流可以愈大。 各種電器使用于不同電路，熱穩(wěn)定電流有不同的規(guī)定，如表27所示。開關電器的熱穩(wěn)定電流 第四節(jié) 載流導體的電動力及電動穩(wěn)定性一

13、、載流導體的電動力 載流導體處在磁場中會受到力的作用，載流導體間相互也會受到力的作用，這種力稱為電動力。對于這種現象，有可利用的一面，如電動機的原理就是利用它將電能轉換為機械能。也有危害的一面，如對大容量輸配電設備來說，在短路情況下電動力可達很大數值，對配電裝置的性能和結構影響極大。在電器中，載流導體間、線圈匝間、動靜觸頭間、電弧與鐵磁體間等都有電動力的作用。在正常電流下電動力不致于使電器損壞，但動、靜觸頭間的電動斥力過大會使接觸壓力減小，接觸電阻增大造成觸頭的熔化或熔焊，影響觸頭的正常工作。有時在強大短路電流所形成的電動力下，使電器發(fā)生誤動作或使導體機械變形，甚至損壞。利用電動力的作用改善和

14、提高電器性能的例子也是很多的。例如接觸器的磁吹滅弧、快速自動開關的速斷機構等。 第四節(jié) 載流導體的電動力及電動穩(wěn)定性 電動力的方向判斷可用左手定則或磁通管側壓力原理來進行。左手定則為伸平左手，磁通穿過左手掌，四個手指為電流方向，那大拇指指的就是電動力方向。磁通管側壓力原理(米特開維奇定則)是：把磁力線看成為磁通管，磁通管密度高的一側具有推動導體向密度低的一側運動的力,這個方向即為電動力的方向。電動力方向判斷的兩種方法其結果是一樣的，可根據具體情況采用某一種。在結構及產生磁場因素復雜的情況下用磁通管側壓力原理來判定電動力方向較為方便。例如圖14、圖15、圖16所示情況。 一、載流導體的電動力 載

15、流導體的電動力: 載流導體處在磁場中會受到力的作用，載流導體間相互也會受到力的作用，這種力稱為電動力。 電動力的方向判斷可用左手定則或磁通管側壓力原理來進行。 2.4 載流導體的電動力及電動穩(wěn)定性 環(huán)型導體和U型導體所受電動力電弧受到的電動力二、載流導體電動力計算基礎和電動穩(wěn)定性 當長為L并通有電流I的導體垂直置于磁感應強度為B的均勻磁場中時，作用在該導體上的 電動力F為 F=BILsin三、觸頭電動力 觸頭閉合通過電流時，在觸頭間有電動力存在。這是因為觸頭表面不管加工怎樣平整，從微觀上看仍然是凹凸不平的，由于接觸面積遠小于觸頭表面積，電流線在接觸點處產生收縮，由此而引起觸頭間的電動斥力。見圖2-8載流導體在磁場中收到的電動力二、載流導體電動力計算基礎和電動穩(wěn)定性當長為L并通有電流I的導體垂直置于磁感應強度為B的均