TÍNH TOÁN PHÁT NÓNG Ở CÁC QUÁ TRÌNH KHÔNG ỔN ĐỊNH NHIỆT. I/- HẰNG SỐ THỜI GIAN PHÁT NÓNG. Hằng số thời gian phát nóng được định nghĩa là thời gian từ khi bắt đầu cho nguồn nhiệt vào vật phát nóng dến khi vật phát nóng đạt nhiệt độ ổn định, nếu nhiệt độ k hông toả ra môi trường chung quanh. Đối với vật phát nóng đồng nhất hằng số thời gian phát nóng bằng : T = K S MC t . . ( 6-13) Trong đó : C - nhiệt dung riêng của vật phát nóng J/kG. 0 C M - kh ối lượng của vật phát nóng kG K t - hệ số toả nhiệt chung W/m 2 . 0 C S - di ện tích bề mặt toả nhiệt m 2 Để xác định chính xác hằng số thời gian phát nóng của một bộ phận khí cụ điện gồm nhiều chi tiết bằng vật liệu khác nhau, ví dụ như nam châm điện gồm có các loại vật liệu như đồng, thép, cách điện là rất phức tạp cho nên trong th ực tế tính toán ta có thể tính bằng công thức đơn giản sau : T = K S M C M C t t t d d . . . .   ( 6-14) Trong đ ó : C d , C t - nhiệt dung riêng của đồng và thép. M d , M t - khối kượng đồng và thép.  - hệ số xét đến sự truyền nhiệt từ đồng đến thép. Độ lớn  phụ thuộc vào thời gian phát nóng và giá trị  = S M G t . - Khi t < T/3 - nếu nhiệt truyền từ cuộn dây sang lõi thép tốt ( cuộn dây không có khung dây ) thì  t = 0,55. N ếu nhiệt truyền từ cuộn dây sang lõi thép kém thì  k = 0,45. - Khi t < T/3 và  = 1,25 thì  t = 0,55.  k = 0,45.  > 5 thì  t = 0,272.  k = 0,225. - Khi t < T/3 và 1,2 <  < 5 thì  t = 0,55. ( 0,5 + 0,5. 75,3 5   )  k = 0,45. ( 0,5 + 0,5 . 75,3 5   ) II/- TÍNH TOÁN NHI ỆT Ở CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC NGẮN HẠN. Ch ế độ làm việc ngắn hạn là chế độ mà thiết bị làm việc ở thời gian ngắn rồi nghỉ, có thể đặc trưng bằng chu kỳ làm việc có thời gian làm việc t lv < 4.T và thời gian nghỉ khi dòng phụ tải giữ không đổi. Trong tính toán ta thường tính thời gian l àm việc ngắn hạn tính toán b ằng 3 lần thời gian làm việc ngắn hạn của chu kỳ làm việc để nói lên khả năng thiết bị điện phải khởi động lâu hơn b ình thường. Các thông số cần xác định khi tính toán nhiệt là : độ tăng nhiệt, công suất, dòng điện, hệ số quá tải dòng điện, hệ số quá tải công suất và thời gian làm việc liên tục cho phép. Độ tăng nhiệt cho phép ở chế độ l àm việc ngắn hạn trong khí cụ điện lấy như ở chế độ làm việc dài hạn như trong bảng 6-1 dã nêu. Kh ả năng quá tải công suất ( hay dòng điện ) của các bộ phận cũng như toàn bộ khí cụ điện ở chế độ ngắn hạn sẽ lớn hơn ở chế độ dài hạn. Khả năng quá tải được đặc trưng bằng hệ số quá tải K p hoặc K I : K p = P P dh nh ; K I = I I dh nh ( 6-15) Trên hình 5-5 bi ểu thị sự phụ thuộc của K I 1 vào tỷ số giữa thời gian làm việc ngắn hạn và hằng số thời gian phát nóng T nh t . Hình 6-5: Sự phụ thuộc của năng lực quá tải của cá thông số thời gian ở chế độ làm việc ngắn hạn lặp lại. Mật độ dòng điện cho phép ở chế độ nhắn hạn trong dây quấn đồng cho trong bảng 6-6 và trong thanh dẫn trong bảng 6-7. Bảng 6-6 : Trị số mật độ dòng điện cho phép trong dây quấn đồng trong thời gian làm việc 1 giây. 304 305 Bảng 6.7: Mật đọ dòng bền nhiệt đối với vật dẫn bằng các vật liêuj khác nhau (d ạng thanh, dạng trụ…) Mật độ dòng cho phép Vật liệu 3 s 4 s 5 s Đồng 94 82 51 Đồng thau 44 38 24 Nhôm 48 42 27 Có thể tính đổi giá trị dòng điện và thời gian này giá trị dòng điện và thời gian khác theo quan hệ sau: 2 2 21 2 1 tItI  Hay 2211 tItI  (6-15) Trong thực tế thường gặp trường hợp chế độ làm việc rất ngắn hạn tức là t nh << T và việc tính toán ở chế độ này sẽ đơn giản hơn như ví dụ dưới đây: Ví dụ 6-1 : Hãy xác định khả năng quá tải và các thông số tương ứng của thanh dẫn vào của 1 khí cụ điện để kiểm nghiệm khả năng làm việc của khí cụ điện ở chế độ khởi động ngắn hạn. Thanh dẫn bằng đồng cuấn ủ nửa M1 có kích thước 3×20mm. Chu k ì làm việc tính toán 30s. Độ tăng nhiệt cho phép 50 o c, nhiệt độ môi trường xung quanh là 40 o c Tính toán sơ bộ Thanh dẫn bằng đồng M1 ở chế độ làm việc dài hạn sẽ có dòng phụ tải I dh = 275A Điện trở của 1 cm thanh dẫn ở nhiệt độ 50 + 40 = 90 o c là: R 90 = R 20 [1 + α(θ -20)] 4 4 20 100293.0 ]700043.01[ 23.0 1 1001754.0 )]20(1[         s l Trong đó ρ 20 lấy trong bảng 6-2 T ổn hao công suất cho phép ở chế độ làm việc dài hạn P dh = I 2 dh R θ = 275 2 × 0.0293× 10 -4 = 0.222 W/cm H ằng số thời gian phát nóng theo công thức (6-13) s SK MC T t 466 6.4106.5 34.5385.0 4         Trong đó : C = 0.385 J/g o C : nhiệt dung riêng của đồng. S = 2(0.3 + 2) = 4.6 cm 2 : diện tích bề măt làm nguội của thanh dài 1 cm Kh ối lượng của thanh : M = γ×S×l = 8.9 × 0.3 × 2.1 = 5.34 g 4 106.9 506.4 222.0        S P K dh t W/cm o C Độ tăng nhiệt ở chế độ ngắn hạn:           T t od nh e1   0650 93601e1 od od 466 30 od             Ở đây τ o là độ tăng nhiệt ổn định khi công suất ở chế độ làm việc ngăn hạn, công suất này có thể lớn hơn công suất ở chế độ dài hạn. C o o 0 ' 770 065.0 50 065.0    Đối với chế độ rất ngắn hạn: C t T o nh nho 776 30 466 50 '   Công suất cho phép ở chế độ ngắn hạn: 42.3 065.0 222.0 1     T t dh nh nh e P P W/cm Công su ất ở chế độ rất ngắn hạn: 44.3 30 5034.5385.0    nh nh nh t CM P  W/cm Dòng điện cho phép ở chế độ ngắn hạn 1080 065.0 275 1     e I I dh nh A Dòng điện ở chế độ rất ngắn hạn 1085 30 466 275  nh dhnh t T II A H ệ số quá tải công suất ở chế độ ngắn hạn: 4.15 222.0 42.3  dh nh kp P P  Hệ số quá tải công suất ở chế độ rất ngắn hạn: 6.15 222.0 44.3  nhdh nh p t T P P K Hệ số quá tải dòng điện ở chế độ ngắn hạn: 92.34.15  p dh nh I K I I K Hệ số quá tải dòng điện ở chế độ rất ngắn hạn: 95.36.15  p dh nh I K I I K Tính toán kiểm nghiệm Theo hình 6-5, đối với ??? = 0 khi 064.0 466 30  T t nh thì 255.0 ng dh I I từ đó suy ra 92.3 255.0 1  I K Thời gian làm việc liên tục cho phép ở chế độ làm việc ngắn hạn 5.31 50770 770 ln466ln ' '      oo o nh Tt   sec Th ời gian làm việc liên tục cho phép ở chế độ làm việc rất ngắn hạn 30 776 50 466 '  o o nh Tt   sec Vi ệc tính toán thời gian nhằm kiểm tra quá trình tính toán ở trên là đúng. Mật độ dòng điện ở chế độ làm việc dài hạn 458 23.0 275    S I J dh dh A/cm 2 = 4.58 A/mm 2 Mật độ dòng điện ở chế độ ngắn hạn (t nh = 30 sec) 1800 23.0 1080    S I J nh dh A/cm 2 = 18 A/mm 2 Khi thời gian làm việc băng 1 sec, mật độ dòng điện xác định theo công thức (6-16) 2 301 2211 /97301800 mmAtjj tItI nhss   Theo bảng 6-7 đối với thanh dẫn đồng, mật độ dòng điện cho phép trong 1 sec là 2 /182394 mmA cho nên mật độ dòng điện j 1s = 97 A/mm 2 là có thể chấp nhận được. . thước 3×20mm. Chu k ì làm việc tính toán 30s. Độ tăng nhiệt cho phép 50 o c, nhiệt độ môi trường xung quanh là 40 o c Tính toán sơ bộ Thanh dẫn bằng đồng. gian nghỉ khi dòng phụ tải giữ không đổi. Trong tính toán ta thường tính thời gian l àm việc ngắn hạn tính toán b ằng 3 lần thời gian làm việc ngắn hạn của