Giáo trình khí cụ điện dùng cho các trường đại học khối công nghệ hồ xuân thanh

CHƯƠNG I: PHÁT NÓNG TRONG KHÍ co ĐIỆN GIÁO TRÌNH KHÍ co ĐIỆNKhi dòng điện một chiều chảy trong vật dẫn thì chỉ có tác dụng của nhiệt làm thay đổi giá trị điện trở suất, dẫn tới việc thay

GIÁO TRlNH

★ LÝ THUYẾT ctf SỞ

★ CÂU HỎI KIỂM TRA

★ BÀI TẬP

TS HÔ' XUÂN THANH - ThS PHẠM XUÂN Hổ

GIÁO TRÌNH KHÍ CỤ DIỆN

(Dùng c h o c á c trường đ ợ i h ọ c khối c ô n g nghệ)

NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC QUỐC KIA THÀNH PHÔ HỒ CHỈ MINH

LỜI NÓI ĐẦU

Trong lĩnh vực Điện-Điện tử, Khí cụ điện là môn học căn bản Hầu hết các chương trình đào tạo ngành Điện-Điện tử đều xếp môn học này đầu tiên trong phần các môn kỹ thuật chuyên ngành

Hiện nay trên thị trường có rất ít tài liệu hay giáo trình trình bày về lĩnh vực này Chúng tôi biên soạn giáo trinh “Khí cụ Điện” với nội dung gồm

Phần tìm hiểu khai thác, sử dụng các khí cụ diện trong dân dụng cũng như công nghiệp sẽ được trình bày trong tập tiếp theo

Hy vọng giáo trình này sẽ là một tài liệu Kỹ thuật điện hữu ích cho các giao viên cũng như các bạn học sinh, sinh viên ngành Điện, Điện

tử, Cơ điện tử, Tự dộng hóa, và nhiều hơn nữa, góp phần vào việc phát triển dạy và học trong ngành Điện, mang lại cho độc giả nhiều kiến thức mới và bổ ích

Dù đã được biên soạn khá cẩn thận, sách khó tránh khỏi còn những sai sót Mọi lời góp ý, nhận xét hay đề xuất bổ xung nhằm hoàn thiện sách xin bạn đọc gửi vể bộ môn Cơ sở Kỹ thuật điện trường Đại học Su phạm Kỹ thuật

Xin chân thành cảm ơn

Tác giả

GIÁO TRINH KHÍ cụ ĐIỆN CHƯƠNG l: PHÁT NÓNG TRONG KHÍ cụ ĐIỆN

CHƯƠNG I

PHÁT NÓNG TRONG KHÍ cụ ĐIỆN

Tất cả các thiết bị điện đều được cấu tạo bởi các chi tiết có các đặc

tính cơ, hóa, lý rất khác nhau Khi chúng hoạt động dưới tác dụng của điện

trường và từ trường thì ngay trong các chi tiết như mạch vòng dẫn điện,

mạch từ, vật liệu cách điện đều xuất hiện các tổn hao công suất Tất cả

các tổn hao này đều chuyển hóa thành nhiệt năng làm cho nhiệt độ thiết bị

nóng lên Trong chương này, chúng ta sẽ nghiên cứu các vấn đề liên quan

đến việc phát nóng đó

I CÁC TỔN HAO TRONG THIẾT B| KỸ THUẬT ĐIỆN

1 Tổn hao công suất trong các phần dẫn điện

Như ta dã biết, khi có dòng điện chảy trong vật dẫn sẽ dẫn tới tổn

hao công suất ngay trong vật dẫn đó và tổn hao này được tính:

P = ị p J 2.dv V

Vói: J: Mật độ dòng (A/m2)

p: Điện trở suất (£2.m)

v: Thể tích vật dẫn đang xét

Trong trường hợp tiết diện là đều suốt dọc theo chiều dài của vật dẫn

và mật ổộ phân bố đểu trên tiết diện, ta có công thức:

Như chúng ta đã biết, điện trở suất p không phải là hằng số, mà p

thay đổi heo nhiệt độ được thay đổi theo biểu thức:

p = Po (1 + a0 ) (£2m)Trcng đó:

p0: Điện trở suất ở 0 ° c , (Qm)

a: Hệ số nhiệt điện trở suất, (1/ °C)

CHƯƠNG I: PHÁT NÓNG TRONG KHÍ co ĐIỆN GIÁO TRÌNH KHÍ co ĐIỆN

Khi dòng điện một chiều chảy trong vật dẫn thì chỉ có tác dụng của nhiệt làm thay đổi giá trị điện trở suất, dẫn tới việc thay đổi điện trở vật dẫn Nhưng khi vật dẫn, dẫn dòng điện xoay chiều thì trong vật dẫn ngoài tác dụng của nhiệt, còn phải xét đến sự thay đổi giá trị điện trở do sự biến thiên của từ trường xoay chiều, ảnh hưởng đến việc phân bố mật độ dòng trong vật dẫn Hai hiện tượng quan trọng ảnh hưởng đến thay đổi điện trở khi dẫn dòng xoay chiều là hiệu ứng bề mặt và hiệu ứng gần

Nguyên nhân của hiện tượng trên được giải thích là do sự biến thiên của điện trường xoay chiều luôn sinh ra sự biến thiên từ trường Việc khép vòng các đường sức từ trong lòng vật dẫn sẽ dễ dàng và dậm đặc hơn phía ngoài vật dẫn, dẫn tới diện kháng X phía trong vật dẫn sẽ cao hơn so với

bề mặt ngoài

Do hiện tượng cảm ứng điện từ xảy ra ngay chính bên trong vật dẫn, dẫn đến mật độ dòng điện sẽ phân bố không đểu cả về giá trị cường độ và pha dòng điện Phía ngoài bề mặt tiết diện dây dẫn mật

độ cao hơn và góc lệch pha nhỏ, còn phía trong vật dẫn mật độ nhỏ hơn và góc lệch pha cao hơn

Hiệu ứng bề mặt được

đánh giá bằng hệ số Kbm Đó

là tỷ số giữa tổn hao công suất

khi dẫn dòng xoay chiểu so với

GIÁO TRÌNH KHÍ cụ ĐIỆN CHƯƠNG l: PHÁT NÓNG ĨRONG KHÍ cu DIỆN

★ Với tiế t diện dây dẫn hình tròn

Với:

Rdc: Điện trở dây dẫn dài 100m,

f: Tần số (Hz).

Ghi chú: Chỉ áp dụng dường cong trên với vật liệu không từ tính

★ Với tiế t diện hình ông tròn rỗng

K bm f ' Ụ 7 T - X

V D C' D

Với:

S: Bề dày thành ống

D: Đường kính ngoài ông

★ Với tiế t diện vuông rỗng

CHUÔNG l: PHÁT NÓNG TRONG KHÍ cụ ĐIỆN GIÁO TRÌNH XHi cụ ĐIỆN

GIÁO TRĨNH KHÍ cọ ĐIỆN CHƯƯNG l: PHÁT NÓNG TRONG KHÍ cụ ĐIỆN

Với các thanh cái dần diện có tiết diện hình chữ nhật, có cạnh ngắn b và cạnh dài h Giá trị Kbmcó thể tra theo bảng sau với các tham số phụ thuộc là Kcvà h/b

Nguyên nhân của hiện tượng này cũng được giải thích từ lý thuyết điện trường, từ trường và lực tác động của từ trường dây dẫn này lên các hạt mang điện của dây dẫn kia

Từ trường do dòng điện chảy trong dây dẫn này cảm ứng trong dây dẫn kia 1 sức điện động, và từ trường của dòng điện cảm ứng có chiều ngược với chiếu của từ trường sinh ra nó

Từ đó, nếu dòng điện trong 2 dây dẫn cùng chiều thì trong phần dây gần nhau của 2 dây dẫn mật độ dòng diện sẽ nhỏ hơn so với phần ngoài của dây dẫn Nếu 2 dòng ngược chiều thì mật độ dòng sẽ lớn hơn trong phần gần nhau của 2 dây dẫn

Hiệu ứng gần cũng được xác định bằng tỷ số quan hệ giữa tổn hao công suất khi dẫn dòng xoay chiều so với dẫn dòng một chiều

_ P ạ C _

p ' dc R o r

Hiệu ứng gần chỉ thực sự ảnh hưởng trong một giới hạn hai thanh dẫn đặt gần nhau

CHƯƠNG l: PHÁT NÓNG TRONG KHÍ cụ ĐIỆN GIÁO TRÌNH KHÍ cụ ĐIỆN

Hệ số Kg phụ thuộc vào tần số, điện trở suất và ngay cả hình dáng, cách thức hai thanh dẫn gần nhau

GIÁO TRÌNH KHÍ cụ ĐIỆN CHƯdNG l: PHÁT NÓNG TRONG KHÍ cụ ĐIỆN

Hình 1.8

2 Tổn hao công suất trong các chi tiế t dẫn từ

Trong các thiết bị kỹ thuật điện chi tiết dẫn từ là các loại mạch từ, các chi tiết bằng sắt thép Dưới tác dụng của từ trường xoay chiều, trong các chi tiết này xuất hiện hiện tượng từ trễ và dòng điện xoáy, dẫn tới các tổn hao biến thành nhiệt đốt nóng thiết bị

Đối với trường hợp này 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

Công thức thực nghiệm của Neumann chỉ ra quan hệ giữa tổn hao công suấí trong mạch từ thép khôi và các thông số khác như sau:

CHƯƠNG I: PHÁT NÓNG TRONG KHÍ cụ ĐIỆN GIÁI TRÌNH KHÍ cụ ĐIỆN

Trong đó:

S: Diện tích xung quanh mạch từ (cm2)

f: Tần số dòng điện (Hz)

I.N: Sức từ động của cuộn dây (A.vòng)

I: Chiều dài dường sức từ trung bình (cm)

H: Cường độ từ trường (A/cm)

GIÁO TRÌNH KHÍ cụ ĐIỆN CHƯƠNG l: PHÁT NÓNG ĨR0N6 KHÍ cụ ĐIỆN

I: Cường độ dòng điện chảy xuyên qua vòng khép kín mạch tu (A)p: Chu vi đo trên mặt cắt ngang của khối thép (m)

P: Tổn hao công suất trong mạch tu thép khối (W)

343 343A

Hình 1.11

CHUÔNG l: PHÁT NÓNG TRONG KHÍ cụ ĐIỆN GIÁO TRÌNH khí cụ đ iệ n

c Tổn hao công suất trong các thành phẩn cách điện

Vật liệu cách điện có điện trở rất lớn, do vậy vẫn có dòng rò dù vô cùng nhỏ nên các tổn hao do dòng rò vẫn tính như vật liệu dẫn điện Với điện trường một chiều tổn hao cách diện chỉ có duy nhất được tính do dòng này

Đối với diện trường xoay chiều tổn hao cách diện được tính bởi công thức sau:

tgS: Hệ số tổn hao điện môi

II QUÁ TRÌNH PHÁT NÓNG VÀ NGUỘI CỦA VẬT THỂ CÓ NGUỎN NỘI TẠI

Thành lập các phương trình nhiệt

Tất cả các tổn hao đã xét ở phần trên đều chuyển thành nhiệt năng

ở ngay trong thiết bị điện và được xét là nguồn nhiệt nội tại Nguồn nhiệt nội tại này sẽ làm vật thể nóng lên lan truyền trong các chi tiết thiết bị và tỏa ra môi trường xung quanh theo qui luật lan tỏa từ nơi nhiệt độ cao sang vùng nhiệt độ thấp

Xem xét chi tiết tổn hao bên trong nó như vật thể độc lập có nguồn nhiệt nội tại Ta thấy năng lượng nhiệt do tổn hao trong thời gian dt, một phần làm tăng nhiệt độ của vật và một phần khác tỏa ra môi trường bởi biểu thức:

p dt = c M dx + Kt F T dtTrong dó:

T = 0 - e0: Chênh nhiệt vật và môi trường (°c )

F: Diện tích tỏa nhiệt (m2)

C: Nhiệt dung riêng của vật thể (Ws / ° c.kg)

Kt : Hệ số tỏa nhiệt (W / m2 °c )

M: Khối lượng của vật (kg)

Biểu thức trên được viết lại như sau:

Đây là phương trình vi phân cấp 1 giải phương trình vi phân trên, ta

sẽ tìm được độ chênh nhiệt theo thời gian

GIÁO TRÌNH KHÍ cụ ĐIỆN CHƯdNG l: PHÁT NÓNG TRONG KHÍ cụ ĐIỆN

Kết quả giải phương trình ta có được:

A: Hệ số tính tích phân được xác định từ điểu kiện ban đầu

T: Hằng số thời gian phát nóng Đó chính là thời gian cần thiết để vật thể phát nóng đạt đến giá trị nhiệt độ ổn định nếu không có sự tỏa nhiệt ra môi trường xung quanh Do đó, thời hằng được tính:

K r F chính là giá trị chênh nhiệt ở chế độ xác lập, chênh nhiệt

không tăng nữa (dx = 0), mặc dù vật dẫn vẫn tiếp tục dẫn điện đến thời gian vô cùng tận(nếu những thông số mạch điện và điều kiện môi trường không thay đổi) Tất cả nhiệt năng của nguồn nhiệt do tổn hao nội tại tỏa

ra hết ở môi trường xung quanh và không làm vật nóng thêm nữa Giá trị này được gọi là chênh nhiệt ổn định, hoặc chênh nhiệt xác lập, Ts

CHƯƠNG l: PHÁT NÚNG TRONG KHÍ cu DIỆN GIÁO TRĨNH KHÍ cụ ĐIỆN

Đây chính là hàm biến thiên của chênh nhiệt trong quá trình nguội của vật thể bắt đầu từ khi ngưng cung cấp công suất cho vật thể

2/- T = r ị ì - e j

3/- T = T

Nhận xét: Với sai số cho

phép, ta thấy sau một thời hằng

khoảng bằng 2/3(xs-x0) và sau

khoảng thời gian (4 + 5)T chênh

nhiệt X sẽ đạt tới chênh nhiệt ổn

y

H 1 1 2 b i s

GIÁO TRÌNH KHÍ cu OIỆN CHƯƠNG l: PHÁT NÓNG TRONG KHÍ cụ ĐIỆN

Ví dụ:

Xét thanh dẫn bằng dồng có tiết diện hình chữ nhật kích thước (12x5)mm2 đặt trong tủ cung cấp điện Thanh dẫn dược đặt trên vật liệu cách điện có nhiệt độ cho phép 0Cp= 90°c (cấp Y), nhiệt độ môi trường 40°c, điện trở suất trung bình ptb= 1,75.10'8Qm, nhiệt dung riêng của đồng c=0,39.103 Ws/(kg°C), hệ số tỏa nhiệt của đồng K r= 15 W/(m20C), thanh dẫn dẫn dòng điện DC, với mật độ 6A/mm2

a) Hãy cho biết mật độ dòng điện 6A/mm2 có cho phép không đối với thanh dẫn đã cho; và hãy viết phương trình đường cong phát nóng của thanh dẫn trong điều kiện ban đầu bằng không

b) Nếu không, hãy tính thời gian làm việc ngắn hạn của thanh dẫn.c) Hãy tính mật độ dòng điện cho phép để thanh dẫn có thể làm việc dài hạn liên tục

Giải

a) Để nhận xét mật độ dòng diện, hãy tính chênh nhiệt xác lập

Biết rằng: Chênh nhiệt xác lập

2

J

Trong đỏ: s: Tiết diện của thanh dẫn

p: Chu vi đo trên tiết diện

Ta nhận thấy, giá trị tính được lớn hơn chênh nhiệt cho phép

TCp = 90 - 40 = 50°c Vậy mật độ 6A/mm2 không được cho phép

Để viết phương trình phát nóng, cần tính thêm giá trị của thời hằng phát nóng T

CHƯƠNG I: PHẤT NÚNG TRONG KHÍ cụ ĐIỆN GIÁO TRÌNH KHÍ cụ ĐIỆN

Ỵ. Khối lượng riêng của đồng (Ytb= 8.9.1 o3 kg/m3)

s: Tiết diện thanh dẫn (m2)

GIAO TRINH KHÍ cụ DIỆN CHƯƠNG l: PHÁT NÓNG TRONG KHÍ cụ ĐIỆN

c) Tinh mật độ dòng điện cho phép:

Tữ đó thời gian cho phép t1= tCp = 1,117.408s = 456s

III TÍNH TOÁN VỚI CÁC CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC

thiết ngắn hạn

CHƯƠNG l: PHÁT NÓNG TRONG KHÍ cụ ĐIỆN GIÁO TRÌNH KHÍ cụ ĐIỆN

thiết bị khi làm việc ngắn hạn sao

cho phát nóng sau thời gian t|„,

chênh nhiệt đạt tới chênh nhiệt

Pn = Kt F Tnv' Hệ số nâng công suất khi làm việc ngắn hạn:

Chế độ làm việc ngắn hạn lập lại là chế độ làm việc với t|V < 5T, tn < 5T

và tck < 5T ở chế độ làm việc này, khi thiết bị kỹ thuật điện thi nhiệt độ phát nóng chưa đạt đến giá trị ổn định và khi nghỉ nhiệt độ chưa hạ tới nhiệt dộ môi trường Sau một khoảng thời gian thì nhiệt độ dao động ở giữa hai mức Gmax và 0min chưa đạt tới 0Cp và ở trên 00 môi trường Để phát huy hết hiệu suất thiết bị thì 0 max phải dạt đến 0Cp của thiết bị

Đồ thị tăng nhiệt trong chê độ làm việc ngắn hạn lặp lại với dòng định mức và dòng trên định mức mà vẫn bảo dảm tăng nhiệt tối đa bằng với tăng nhiệt cho phép ở chế độ dài hạn như hình sau:

GIÁO ĨHNH KHÍ CỤ ĐIỆN CHƯƠNG I: PHÁT NÓNG ĨRONG KHÍ cụ ĐIỆN

CHƯƠNG l: PHẤĨ NÓNG TRONG KHÍ co ĐIỆN GIÁO TRÌNH XHi cụ ĐIỆN

Trong trường hợp làm việc ở chế độ ngắn hạn lặp lại với dòng điện định mức trong thời lớn hơn 8 giờ, tăng nhiệt đạt tới giá trị lớn nhất Xmaỉ, nhưng giá trị này nhỏ hơn tăng nhiệt xác lập dài hạn liên tục Ts

Tm ax < T s

Để tận dụng hết khả năng chịu nhiệt của khí cụ điện, ta có thể tăng dòng điện sao cho tăng nhiệt lớn nhất Tmax trong thời gian làm việc bằng tăng nhiệt xác lập ở chế độ dài hạn liên tục Ts

ổn định trong mọi chu kỳ theo qui luật:

Khi làm việc thì tăng nhiệt tăng dần tới Tmax

Khi nghỉ thi tăng nhiệt giảm dần tới xmin

Do đó, khi làm việc chế độ ngắn hạn lặp lại, ta có thể viết phương trình đường cong phát nóng khi làm việc như sau:

GIÁO TRÌNH KHÍ cụ ĐIỆN CHƯƠNG l: PHÁT NÓNG TRONG XHi cụ DIỆN

Để tận dụng khả năng chịu nhiệt của khí cụ điện thì chọn Tmax = Ts

Khi đó phương trình được viết như sau:

Như vậy, hệ số nâng dòng điện: X

ở chế độ làm việc ngắn hạn lặp lại, thường dùng đại lượng gọi là hệ

số phụ tải hay còn gọi là thời gian lặp, tính theo phần trăm ký hiệu bằng

Thi hệ số nâng công suất là:

CHUÔNG l: PHÁT NÓNG TRONG KHÍ cụ ĐIỆN GIÁO TRINH KHÍ cụ OIỆN

3 Chế độ làm việc khi ngắn mạch

GIỚI HẠN CHÊNH NHIỆT KHI NGẤN

Quá trình này chỉ xảy ra trong thời gian vài giây và nhiệt độ phát nóng cho phép lớn hơn rất nhiều so với chế độ định mức dài hạn

Thí dụ:

ĐỐI với dây đồng cách điện cấp A (0Cp = 10 5°c ), thì 0nm = 2 5 0 °c

Khi phân tích hàm mũ e‘t/T thành chuỗi Macloren thì:

Điều này cho thấy trong chế độ ngắn mạch tnm < 0.05T quá trình này

là đoạn nhiệt, toàn bộ nhiệt lượng cung cấp bởi tổn hao chỉ làm tăng nhiệt

độ chi tiết mà không kịp tỏa ra môi trường xung quanh

a Khi không chú ý sự thay đổi p và c theo nhiệt độ

/

T

p n dt = c M dx + 0 Do đó: =>

dt

6IÂ0 TRÌNH KHÍ cụ ĐIỆN CHƯƠNG l: PHÁT NÓNG TRONG KHÍ cụ ĐIỆN

=> r ( f ) = — - í : Là phương trình đường thẳng xiên cho thấy rằng

chênh nhiệt tăng tỷ lệ thuận theo thời gian,

Khi thòi gian xét tử t0 đến tn thi chênh nhiệt X tử 0ban dáu đén tìnm cho

phép, phương trình được viết lại như sau:

0nm cho phép tùy thuộc vào vật liệu, nó phụ thuộc vào cấp vật liệu

cách điện hay vào nhiệt độ hóa mềm của vật liệu kim loại dẫn

Nhiệt độ mềm của một số kim loại dẫn:

c Khi chú ý cả p = Po (1 + a.0) và cm = Cmo (1 + p.e)

Khi mật độ dòng ngắn mạch phân bố đều trên tiết diện của vật dẫn

thì phương trình phát nóng có dạng: (dP) dt = (dC) d0

dP là vi phân công suất tổn hao trong thể tích vật dẫn có chiều dài là

dl và tiết diện ngang là ds

CHƯỮNG l: PHÁT NÓNG TRONG KHÍ cụ O IỆN GIÁO TRÌNH KHÍ cụ ĐIỆN

0O: Nhiệt độ trước khi xảy ra ngắn mạch

Nếu J là hằng số, sau khi lấy tích phân ta được:

Để đơn giản, người ta hay

dùng dường cong 0nm = f(Ae) với

các vật liệu khác nhau để tra

giá trị Afl tùy theo nhiệt độ ngắn

mạch 0nm như đồ thị dưới đây

Từ đổ thị và phương trình

trên, ta dễ dàng tính được mật

độ dòng ngắn mạch ứng với

thời gian ngắn mạch khi biết

được các điều kiện nhiệt độ

ban đầu và nhiệt độ cho phép

GIÁO TRÌNH KHỈ cụ ĐIỆN CHƯỚNG l: PHÁT NÓNG TRONG KHÍ cụ ĐIỆN

A0= - (-beta*tnm*alpha-log(1+alpha*tnm)*alpha + log(1+alpha*tnm)

*beta+beta*tO*alpha+log(1+alpha*tO)*alpha - Iog(1+alpha*t0)*beta)/ alphaA2

>> pretty(Ao)

- ('beta tnm alpha - log(1+ alpha tnm)alpha + log(1+ alpha tnm) beta + beta to alpha + log(1 + alpha tO)alpha - log(1 + alpha tO)beta)/ 2 alpha

Ổ đây t thay thế cho 0

Viết rút gọn và dùng những ký hiệu đang dùng, ta có:

ngắn mạch là lúc thanh dẫn đang làm việc ở nhiệt độ ổn định 90°c.

Tra theo đồ thị, ta thấy:

Khí cụ điện phải có giá trị Độ Bền Nhiệt Động, đó là giá trị dòng diện

ngắn mạch lớn nhất có thể xuất hiện trong khí cụ điện kèm theo với giá trị thời gian ngắn mạch cho phép tương ứng mà sự xuất hiện của nó không làm hư hỏng khí cụ và sau sự cố KCĐ vẫn làm việc bình thường

Người ta gọi giá trị dòng ngắn mạch Ithr tương quan với thời gian ngắn mạch tthr này là độ bền nhiệt hay dòng bền nhiệt

Điều kiện lựa chọn: l nm < ỉ , hr và tnm < t,hr

Giá trị dòng bền nhiệt thường được tính với thời gian tiêu chuẩn là 1s, 2s, 3s, 5s, và 10s các giá trị này được ghi trên các thiết bị kỹ thuật điện

CHUÔNG I: PHÁT NÓNG TRONG KHÍ cụ ĐIỆN GIÁO TRÌNH KHỈ cụ ĐIỆN

Chúng ta có thể sử dụng số liệu và đổ thị đã cho trong tài liệu sau:CẨM NANG THIẾT BỊ ĐÓNG CẮT ABB Lê Văn Doanh

NXB KHKT Hà Nội, 1998 (trang 165 170) khổ14,5 X 20,5cm

IV TÍNH TOÁN VỚI s ự TRUYỀN VÀ TỎA NHIỆT

1 Quá trình trao đổi nhiệt giữa vật thể và m ôi trường

Quá trình trao dổi nhiệt giữa vật thể với nguồn nhiệt nội tại và môi trường thường xảy ra qua hai giai đoạn

GIÁO TRÌNH Khi cụ DIỆN CHƯ0N61: PHẤT NÚNG TRONG KHÍ cụ DIỆN

Giai đoạn 1: Năng lượng nhiệt được dẫn từ nguồn phát nhiệt ra bể

mặt ngoài của vật thể gọi là quá trình truyền nhiệt Quá trình này có thể truyền dẫn qua các vật thể khác nhau để tới bề mặt ngoài cùng

Giai đoạn 2: Năng lượng nhiệt từ bề mặt vật thể tiếp xúc với môi

trường tỏa ra môi trường xung quanh bằng dối lưu hay bức xạ nhiệt

Để thuận lợi cho việc tính toán, ta chuyển quá trình truyền dẫn và tỏa nhiệt thành quá trình tương đương như việc truyền dẫn điện rồi vẽ mạch tương đương như mạch điện để tính toán

Các đại lượng tương quan giữa nhiệt và điện

I = U /R

Định luật Ohm về nhiệt

Qt = x / R t

CHƯƠNG l: PHÁT NÓNG ĨR0N6 KHÍ cụ ĐIỆN GIÁO TRÌNH KHÍ cụ ĐIỆN

2 Tính nhiệt trở qua các vật truyền

ngăn cách bởi các vách phẳng

Cho 2 mặt phẳng song song

xác định 1 vật truyền dày ô với hệ

5: Bề dày vật dẫn ngăn cách giữa 2 mặt phẳng có tiết diện s

Trường hợp vách phẳng có bể mặt s và có nhiều lớp kế tiếp, có

bể dày khác nhau và hệ số dẫn nhiệt khác nhau thì nhiệt trở của vách phẳng đó là:

GIÁO TRĨNH KHÍ cụ ĐIỆN CHƯƠNG l: PHÁT NÓNG TRONG KHÍ cụ DIỆN

2n.l.À r

2 j ĩ à I r

Trường hợp đa hình trụ có chiểu dài I và có nhiều lớp điện môi chồng

Khi đó, nhiệt trở của các lớp hình trụ đó được tính như sau:

CHƯONG I: PHÂĨ NÓNG TRONG KHi cụ DIỆN

Hệ SỐ tỏa nhiệt khi thanh dẫn hình trụ.

s Đặt trong không khí gồm đối lưu + bức xạ:

(9,5 + 7,35)W /m2 ,°c v' Đặt trong dầu biến áp: 156 w /m2 ,°c

✓ Đặt trong nước: 1400 w /m2.°c

Tính nhiệt trở cho tỏa nhiệt.

Xét quá trình tỏa nhiệt từ bề mặt vật thể phát nóng ra môi trường xung quanh, chúng ta tính nhiệt thông tức là công suất nhiệt toả ra môi trường theo công thức NEWTON như sau:

Do vậy, Qt được tính chính bằng ZP của các tổn hao

Thí dụ: Tính toán nhiệt với các dây dẫn bọc cách điện.

Xác định độ chênh nhiệt rơi trên bề dày cách điện và nhiệt độ của dây đồng tròn và dài vô tận có đường kính d = 20mm cách diện bằng PVC dày 5 = 5mm Khi dây đồng dẫn dòng 600A Nhiệt độ môi trường 00 = 35°c

Hệ số dẫn nhiệt PVC: X = 0,2 w / m°c Hệ số tỏa nhiệt Kt = 12 w /m 2 °c

GIÁO ĨRÍNH KHÍ cụ ĐIỆN CHƯdNG l: PHÁT NÓNG TRONG KHÍ cụ ĐIỆN

Thí dụ: Tính toán nhiệt ở bán dẫn công suất:

Đối với các thiết bị bán dẫn, công suất nhiệt do tổn hao công suất gây nên bởi dòng điện qua mối nối sẽ làm mối nối nóng lên và có thể-phá

(100+15 0 )°c Công suất tổn hao được tính bởi tích điện áp rơi trên mối nối và dòng qua mối nối

Trong Transistor: Pih = v ce Ic

Mạch nhiệt cho mối nối bán dẫn đến cánh tỏa nhiệt có thể biểu diễn:

Trong đó:

0j: Nhiệt độ cho phép mối nối

0C: Nhiệt độ cho phép vỏ thiết bị bán dẫn

eR: Nhiệt độ của cánh tản nhiệt

0A: Nhiệt độ môi trưởng hay 0mt

RjC: Nhiệt trở mối nối bán dẫn đến vỏ

Rcr: Nhiệt trở lớp cách điện dẫn nhiệt từ vỏ bán dẫn đến cánh tản nhiệt.Rra: Nhiệt trở tính cho tỏa nhiệt

Để tính toán cho cánh tản nhiệt, ta phải tính được RrA, sau dó tính được diện tích cần thiết cánh tỏa nhiệt cần có sau khi chọn vật liệu có hệ số tỏa nhiệt Kt đổ dơn giản chọn lựa cánh tản nhiệt, với các cánh tản nhiệt sản xuất sẵn theo các mẫu có trước nhà sản xuất cho sẵn, các quan hệ giữa nhiệt trở Rt vói chiều dài của cánh tản nhiệt mà ta có thể tra theo bảng đồ thị

ở trang trước và dồ thị bên dưối (trang 174, 175 sách Electronique Practique của A Perezmas et JM Fouchet)

CHUÔNG I: PHÁT NÓNG TRONG KHÍ cụ ĐIỆN GIÁO TRÌNH KHI cụ OIỆN

Kth C AY

Các mẫu mặt cắt ngang của các tấm tản nhiệt: WA 508

GIÁO ĨRÌNH KHÍ cụ DIỆN CHƯtìNG I: PHÁT NÓNG ĨRONG KHÍ cụ ĐIỆN

Kth CAV

NVA r,K)S

NVA 207 NVA 20*

NVA 211

\VA 2os

NVA 111

WA 202 NVA r.us

CHƯƠNG I: PHÁT NÓNG TRONG KHÍ cụ ĐIỆN GIÀO TRÌNH KHÍ cụ DIỆN

Poids: 2.02 kg/m

Trong trường hợp nhà sản xuất bán dẫn chỉ cho biết nhiệt độ tối đa của

vỏ bán dẫn 0C thay vì cho biết 0J và R j C, Ta sử dụng sơ dồ thay thế sau:

Và giá trị nhiệt trở cánh tản nhiệt cần có:

3 Nhiệt trở của chất làm mát tuần hoàn

Chất làm mát tuần hoàn là các dung dịch tiếp xúc với các vật liệu tổn hao để mang nhiệt lượng do tổn hao ra bề mặt tản nhiệt khác Nhiệt trở này được tính như sau:

GIÁO TRÌNH KHÍ cụ OIỆN CHƯƠNG l: PHÁT NÓNG TRONG XHÍ cụ ĐIỆN

CÂU HỎI ÔN TẬP

1) Phương trình đường cong phát nóng được viết như thế nào trong hai trường hợp:

• Trạng thái ban đầu bằng không

• Trạng thái ban đầu khác không

2) Tăng nhiệt xác lập được xác định như thế nào?

3) Hãy cho biết cách tính nhiệt độ và tăng nhiệt xác lập khi chú ý đến

hệ số nhiệt của điện trở suất

4) Hãy định nghĩa thời hằng phát nóng và nói ý nghĩa vật lý của nó.5) Hãy viết biểu thức cho biết quan hệ giữa thời hằng phát nóng và mật độ dòng diện:

• Trong trường hợp bỏ qua hệ số nhiệt của điện trở suất

• Trong trường hợp có tính đến hệ số nhiệt của điện trở suất

6) Cho một khí cụ điện làm việc với chế độ ngắn hạn lặp lại trong thời gian 8 giờ như sau:

• Trong thời gian At = b, dòng điện I = I,

• Trong thời gian tiếp đó At = t2 dòng điện I = l2 < h

a Hãy vẽ đồ thị biến thiên theo thời gian của dòng điện

b Hãy viết hệ thức để tính Tmax và Tmin khi khí cụ điện đã làm việc trên

CHƯƠNG l: PHÁT NÓNG TRONG KHÍ cụ ĐIỆN GIÁO TRÌNH KHÍ cọ ĐIỆN

Giải

a Vẽ đồ thị biến thiên của dòng điện

Trên trục hoành (t), chia làm 5-6 đoạn bằng nhau, mỗi đoạn tươngứng với thời gian của một chu kỳ c = t1+t2, với h có thể chọn một trong các

Vẽ hai đường cong phát nóng ứng với dòng điện I, và l2 với giá trị tăng nhiệt xác lập:

và Ts

kTps

Trong đó:

p: Chu vi đo trên mặt cắt ngang của dây dẫn

s: Diện tích mặt cắt ngang của dây dẫn hoặc còn gọi là tiết diện kT: Hệ số tỏa nhiệt,

p: Điện trở suất

Vẽ đường cong phát nóng và đường cong nguội lạnh trong hai chu kỳ c dầu, bắt đầu từ t = 0; vẽ đường cong phát nóng và đường cong nguội lạnh trong hai chu kỳ cuối với giá trị Xmax và Tmịn không đổi và Xma* < TS 1 ; Tmin > xs2

b Viết phương trình đường cong phát nóng trong một chu kỳ bâ't

kỳ trong giai đoạn quá độ để tính Tmax:

GIÁO TRÌNH KHÍ cụ ĐIỆN CHƯƠNG l: PHÁT NÓNG TRONG KHÍ GỤ ĐIỆN

Tmin được xác định trên đường nguội lạnh bắt đầu từ giá trị Xmax trongthời gian nguội lạnh t2, nhưng xmin > t S2, do đó, ta cần cộng thêm một giá trị

b ằ n g t s2 1 - e

-ọ

Thay thế (2) vào (1), ta có thể xác định giá trị của Tmax như sau:

Cố gắng kiên trì trả lời câu 6 này vì nó mang một số vấn đề tổng hợp

cơ bản trong chương 1

b Xác định dòng điện tương dương

Dòng điện tương đương là gì? (Dòng điện này dược xác trên cơ sở nhiệt lượng do dòng điện cung cấp)

Dòng điện tương đương (đầy đủ: Dòng điện tương đương nhiệt) là dòng điện không đổi, tạo ra một nhiệt lượng bằng với nhiệt lượng, do dòng điện biến đổi có chu kỳ trong chế độ làm việc ngắn hạn lặp lại Minh họa bằng đổ thị:

CHUÔNG l: PHÁT NÓNG TRONG KHÍ cụ ĐIỆN GIÁO TRÌNH KHi cụ ĐIỆN

Đặt điều kiện: Tăng nhiệt xác lập cho dòng điện tương dương ỏ chế độ dài hạn liên tục phải bằng tăng nhiệt lớn nhất Tmax trong chế độ ngắn hạn lặp lại:

k Tp s

( - '0 t /7, l - e 7 +7,2

7) Hệ số phụ tải công suất, hệ sô' phụ tải dòng điện là gì?

8) Hãy cho biết phương trình tính sức bền nhiệt động hay còn gọi là dòng điện nhiệt động

9) Tích phân Joule là gì? Ý nghĩa vật lý của nó là gì?

10) Hãy viết hệ thức để tính nhiệt trở của vách phẳng, vách trụ, của chất lỏng làm mát

11) Hãy vẽ đồ thị phân bố nhiệt độ của dây cáp diện có bọc cách diện, tính từ tâm của lõi dây, qua cách điện, đến môi trường chung quanh dây cáp

12) Hãy so sánh cường độ dòng điện cho phép của dây cáp diện bọc cách điện trong 3 trường hợp:

a Đặt trong không khí

b Đặt dưới đất

c Đặt trong ống kim loại, giữa và dây có lớp không khí và

cả ống lẫn dây đặt trong không khí

13) Trường hợp phải dẫn dòng điện lớn, thay vì dùng một dây lớn, ta dùng hai hay nhiều dây hơn (hợp lý) mà tổng tiết diện của các dây nhỏ hơn bằng tiết diện của một dây lớn thì tốt hơn đúng hay sai ? Vì sao?

14) Hãy suy luận và vẽ dồ thị sự phân bố nhiệt độ trong cuòn dây điện

từ lõi không khí Hãy viết công thức tính tăng nhiệt của cuộn dây

GIAO TRÌNH KHÍ cụ ĐIỆN CHƯƠNG I: PHÁT NÓNG TRONG KHÍ cụ ĐIỆN

Số lượng thanh dẫn

Dòng điện xoay chiểu cho phép (A)

Giải Nhận xét 1: Tiết diện đều bằng nhau (320mm2) nhưng dòng điện

cho phép khác nhau

Nhận xét 2: số lượng và kích thước các thanh dẫn khác nhau, nhưng

vẫn đủ tiết diện bằng nhau

Suy luận: Tăng nhiệt trong hai trường hợp phải bằng nhau và tất

nhiên chiều dài thanh dẫn và điện trở đều bằng nhau Vậy, có thể viết: