Работа № 4
Расчет режимов нагрева и охлаждения электрических аппаратов

Рабочие файлы: [zdch_41.kjg]

Цель работы

Ознакомление с тепловыми процессами в быстродействующем автоматическом выключателе. Приобретение навыка моделирования тепловой цепи ЭА в режиме КЗ.

Программа работы в лаборатории

  1. Рассчитать параметры ветви распределительной сети 220 В, 50 Гц.
  2. Рассчитать параметры быстродействующего автоматического выключателя.
  3. Выполнить расчётные эксперименты с моделью автоматического выключателя.
  4. Подготовить совокупность документирующих скриншотов.

Задача

Для быстродействующего автоматического выключателя, рассчитанного на отключение токов короткого замыкания в промышленной сети 220 В, 50 Гц (данные паспорта указаны в табл. 1) определить: максимальное переходное сопротивление стягивания медного контакта $R_{ст}$, ударный ток короткого замыкания $I_{кз}$; сопротивление тепловой цепи $R_т$ (греющиеся детали ЭА, корпус, окружающая среда); тепловую емкость токопроводящих деталей $C_т=m·c$, постоянную времени нагрева $T_т=R_т·C_т$, минимальную массу меди для токопроводящих деталей $m_{min}$; время охлаждения (до повторного включения после КЗ) $t_{вст}$.

Таблица 1
Вар. $I_н$, А
R10
$θ_{доп.кз}$,
°C
  Вар. $I_н$, А
R10
$θ_{доп.кз}$,
°C
1 10 250 11 100 300
2 13 250 12 125 300
3 16 250 13 160 300
4 20 250 14 200 300
5 25 250 15 250 300
6 32 250 16 315 300
7 40 250 17 400 300
8 50 250 18 500 300
9 63 250 19 630 300
10 80 250 20 800 300

Методические указания

Сопротивление ветви распределительной сети должно соответствовать подключаемой нагрузке (падение напряжения на линии – не более 5 % от 220 В). Ориентируясь на номинальный ток ЭА, примите индуктивное сопротивление линии таким, чтоб в номинальном режиме на нем падало от 5 до 10 В (требования к активному сопротивлению линии строже – им пренебрегаем).

Активное сопротивление ЭА $R_{эа}$ определено сопротивлением токоведущих деталей и сопротивлением стягивания контакт-детали $R_{ст}$. В номинальном режиме падение напряжения на последней составляет: 0.1 В – для меди; 0.4 В – для вольфрама. Общее падение напряжения на ЭА примите равным 1 В.

Чтобы рассмотреть наихудший вариант, когда большая часть энергии в режиме КЗ выделяется на ЭА, сопротивление короткого замыкания примите в 3..10 раз меньше сопротивления ЭА. Установите рассчитанные величины в модель (чертёж 1). Выберите подходящие масштабные коэффициенты для отображения осциллограмм. Уточните ударный ток короткого замыкания $I_{кз}$.

Чертёж 1

Схема замещения тепловой цепи электрического аппарата состоит из трех элементов. Источником теплового тока являются греющиеся токопроводящие детали. Тепловой ток истекает от них, сквозь корпус, в окружающую среду. Превышение температуры токопроводящих деталей определяется активным сопротивлением упомянутой тепловой цепи. Его необходимо реализовать таким, чтобы превышение было номинальным (45 °C над окружающей средой), и электрическая изоляция ЭА сохраняла бы свои свойства на протяжении 25 лет. На этом этапе моделирования схему замещения тепловой цепи сделайте безынерционной – заземлите оба вывода теплового конденсатора – колебания температуры до момента короткого замыкания должны быть симметричны относительно номинального превышения.

Для пробы, примите тепловую постоянную времени равную 20 мс (установите соответствующий номинал теплового конденсатора и нулевое превышение его температуры). Запустите процесс моделирования. Убедитесь в том, что за три периода сетевого напряжения температура ЭА достигает установившейся величины (номинальной), после чего – резко увеличиваться (в момент КЗ).

Быстродействующий автоматический выключатель должен в существенной степени ограничить ток КЗ за период сетевого напряжения. Из этого следует, что ударный ток короткого замыкания лишь 20 мс нагревает его токопроводящие детали. За это время их температура не должна превысить допустимую (для меди неконтактирующей с органической изоляцией или маслом – 300 °C; см. $θ_{доп.кз}$ в табл. 1). За указанный временной интервал тепловая энергия не может рассеяться в окружающую среду – она будет передана тепловому конденсатору – медным токоведущими деталями (характеризующимися массой и удельной теплоемкостью $c=0,385$ кДж/(кг·К)). Используя модель, подберите номинал теплового конденсатора (для которого, в этом эксперименте, должно быть установлено номинальное превышение температуры).

Модифицируйте модель для уточнения времени восстановления автоматического выключателя после КЗ. Обнулите управляющий сигнал источника теплового тока. Установите превышение температуры на тепловом конденсаторе соответствующее состоянию после КЗ. Установите конечное время процесса симуляции равное трем тепловым постоянным времени. Шаг симуляции – в 100 раз меньше. Запустите модель и определите время охлаждения ЭА до номинального превышения температуры.

16.07.2013