Тема: «Тепловыделения в электротехнических устройствах. Примеры расчета теплового режима элементов в электротехнических устройствах»

Теплота является универсальной формой энергии, возникающей в результате молекулярно-кинетического (теплового) движения микрочастиц - молекул, атомов, электронов. Универсальность тепловой энергии состоит в том, что любая форма энергии (механическая, химическая, электрическая, ядерная и т.п.) трансформируется в конечном счете либо частично, либо полностью в тепловое движение молекул (теплоту). Различные тела могут обмениваться внутренней энергией в форме теплоты, что количественно выражается первым законом термодинамики.

В электротермии выделяют следующие виды преобразования электрической энергии в тепловую:

- Нагрев сопротивлением происходящий за счет выделения теплоты в проводящем материале при протекании по нему электрического тока. Этот вид нагрева основан на законе Джоуля - Ленца и применяется в установках прямого и косвенного действия.

В установках прямого действия теплота выделяется непосредственно в нагреваемом изделии, включаемом в цепь.

В установках косвенного действия тепловая энергия выделяется в специальных нагревательных элементах и затем по законам теплопередачи поступает в нагреваемый объект. В обоих случаях нагреваемые объекты могут быть в твердом, жидком или газообразном состоянии.

- Индукционный нагрев, основанный на преобразовании энергии электромагнитного поля в тепловую посредством наведения в нагреваемом теле вихревых токов и тепловыделения в нем по закону Джоуля-Ленца. Нагрев может осуществляться прямым или косвенным методом.

- Диэлектрический нагрев помещенных в высокочастотное электрическое поле непроводящих материалов и полупроводников, происходящий за счет сквозных токов проводимости и смещения при поляризации.

- Дуговой нагрев, при котором материал нагревается за счет теплоты, поступающей в него из опорных пятен дуги, а также вследствие теплообмена с дугой и электродами.

- Электронно- и ионно-лучевой нагрев, в результате которого тепловая энергия выделяется при столкновении быстродвижущихся электронов или ионов, ускоренных электрическим полем, с поверхностью нагреваемого объекта.

- Плазменный нагрев, основанный на нагреве газа за счет пропускания его через дуговой разряд или высокочастотное электромагнитное или электрическое поле. Полученная таким образом низкотемпературная плазма используется для нагрева различных сред.

- Лазерный нагрев, происходящий за счет нагрева поверхности объектов при поглощении ими высококонцентрированных потоков световой энергии, полученных в лазерах - оптических квантовых генераторах.

Среди этих видов основными причинами тепловыделения в электрических установках являются:

Нагрев сопротивлением

Индукционный нагрев

Диэлектрический нагрев

Следовательно, тепловыделение в электрических установках происходит за счет тепловых действий полей электрического и электромагнитного.

Независимо от механизма переноса, тепловой поток всегда направлен от более нагретого к менее нагретому телу, а сам процесс теплообмена, согласно второму закону термодинамики, является необратимым. Теплообмен между телами зависит от их формы и размеров, а также от времени процесса, так как происходит в конкретных пространственно-временных условиях. Другими важными факторами являются физические свойства тел и их агрегатное состояние. В результате перепад температур, геометрия и физические свойства тел, агрегатное состояние и параметры теплоносителя, а также время процесса будут определять интенсивность теплообмена и количество переносимой теплоты.

Передача теплоты (в газах, жидкостях и твердых телах) происходит от молекулы к молекуле. При конвекции передача теплоты происходит в результате взаимодействия масс материальных частиц. При тепловом излучении теплота передается благодаря распространению электромагнитных волн в области инфракрасного спектра. Излучение является видом передачи теплоты, которая может осуществляться, в том числе и в вакууме.

Тепловая энергия, выделяемая на элементах электроустановки при ее работе, может вызвать недопустимое повышение температуры активных и конструктивных элементов электроустановки, снижение электрической и механической прочности изоляции обмоток, уменьшение времени безотказной работы. Поэтому определение тепловых потоков, расчет изменения температуры в пространстве внутреннего объема и на поверхностях охлаждения являются важными разделами проектирования электроустановок и электрических машин. На основе этого расчета оценивается тепловое состояние, выбираются такие тепловые и вентиляционные схемы и способы охлаждения, при которых превышение температуры частей электроустановки и электрической машины не превосходит пределов допускаемых значений, установленных ГОСТ 183-74.

При длительной работе электроустановки влияние на тепловой режим и нагрев ее отдельных частей оказывают изменения напряжения сети, частоты, нагрузки и другие факторы.

Во время работы трансформатора в его активных материалах - металле обмоток и стали магнитной системы - возникают потери энергии, выделяющиеся в виде тепла. Вследствие выделения тепла обмотки и магнитная система трансформатора начинают нагреваться, постепенно повышая свою температуру. Вместе с ростом температуры возникает температурный перепад между обмоткой или магнитной системой и окружающей средой - трансформаторным маслом или воздухом и вследствие этого теплоотдача от активных материалов к окружающей среде. Таким образом, часть тепла, выделяющегося в активных материалах, идет на их нагревание, и вторая часть отводится в окружающую среду.