Способ определения величины перегрева провода по изменению его активного сопротивления

1. Введение

Под воздействием электрического тока в токопроводящих элементах (проводах и обмотках) происходит тепловыделение вследствие наличия у них ненулевого активного сопротивления. Из-за ограниченной теплопроводности, а также наличия поверхностных эффектов при теплопередаче в окружающую среду их температура повышается. Уровень температуры при этом должен быть ограничен максимальной рабочей температурой изоляции, чтобы перегрев не приводил к ее разрушению и аварии. На практике часто необходимо знать температуру обмоток различных непрерывно работающих электрических устройств, например, электромоторов, электрогенераторов или электромагнитов [5], а также работающих в импульсном режиме устройств для генерации сильных импульсных магнитных полей [3] или установок намагничивания-размагничивания [2]. Для измерения температуры могут использоваться термометры и тепловизоры. Но они не всегда применимы на практике, в частности, из-за ограниченного доступа внутрь устройства. Перегрев в импульсном режиме можно рассчитать с помощью программы dTWire [1], но при этом не всегда точно известны параметры импульса тока.

Поэтому можно воспользоваться известной зависимостью активного электрического сопротивления от температуры, которая для металлов, используемых в электротехнике в качестве проводов, как правило, носит линейный характер в рабочем температурном диапазоне.

2. Теория

Перегрев провода DT определяется как разница между его конечной T и начальной T₀ температурой:

Как удельное, так и активное электрическое сопротивление широко используемых в электротехнике в качестве проводов металлов (в основном алюминий и медь, иногда железо) линейно возрастает с температурой в достаточно широком диапазоне, в который вполне укладывается рабочий температурный диапазон большинства устройств [6]. Если r₀ – удельное сопротивление материала провода, а R₀ – начальное сопротивление провода при температуре T₀ , и, соответственно, r – удельное сопротивление материала провода, а R – сопротивление провода при температуре T, то:

где a – температурный коэффициент сопротивления (см. таблицу 2.1).

Отсюда:

Таблица 2.1. Удельное электрическое сопротивление и температурный коэффициент сопротивления для некоторых металлов [4].

3. Способы измерения

Вначале измеряется сопротивление R₀ обмотки (или провода) при ее начальной температуре или при температуре окружающей среды. Затем обмотка подключается к источнику питания на время равное продолжительности ее работы или в ней создается заданное число импульсов тока. После этого обмотка отключается, и снова измеряется ее активное сопротивление R. Перегрев DT рассчитывается по формуле:

Для измерения сопротивления может быть использован омметр, например, в составе мультиметра, который позволяет достаточно точно измерять активное сопротивление и его изменения в заданном диапазоне.

Также можно использовать метод амперметра-вольтметра. Измерения проводятся на постоянном токе. Обмотка подключается к маломощному источнику питания. С помощью амперметра измеряется ток через обмотку, а вольтметр, подключенный непосредственно к выводам обмотки, показывает напряжение на ней. Сопротивление рассчитывается по закону Ома. Для проведения измерений можно использовать регулируемые блоки питания с встроенным вольтметром и амперметром.

Если в рабочем режиме обмотка запитывается от источника, уже имеющего в своем составе приборы для контроля тока и напряжения (например, амперметр и вольтметр), то можно контролировать ее температуру в динамике в процессе работы без отключения по показаниям приборов источника питания.

В таблице 3.1 приведены значения перегрева медных проводов (обмоток) в зависимости от увеличения в процентном отношении активного сопротивления. Так как температурный коэффициент сопротивления алюминия примерно такой же, как и у меди, зависимость перегрева алюминиевого провода от увеличения активного сопротивления будет близкой.

Таблица 3.1. Перегрев медного провода (обмотки) в зависимости от увеличения его активного сопротивления.

Ссылки:

1. dTWire: Программа расчета перегрева провода при одиночном синусоидальном импульсе тока
2. Установки импульсного намагничивания и размагничивания постоянных магнитов
3. Устройства и установки для генерации сильных импульсных магнитных полей
4. Таблицы физических величин. Справочник. Под ред. акад. И. К. Кикоина. М., Атомиздат, 1976, 1008 с.
5. Электромагниты. Источники питания электромагнитов
6. Яворский Б. М., Детлаф А. А. Справочник по физике / Для инженеров и студентов вузов. – 7 изд., испр. – М.: Издательство "Наука", Гл. ред. физ.-мат лит., 1978. – 944 с.; ил.

Словарь терминов:

• Активное сопротивление - часть полного сопротивления, связанная с тепловыделением.
• Амперметр - прибор для измерения электрического тока.
• Вольтметр - прибор для измерения электрического напряжения.
• Закон Ома - плотность электрического тока в проводнике пропорциональна напряженности электрического поля.
• Намагничивание - воздействие на образец магнитным полем, вследствие которого у образца появляется отличная от нуля остаточная намагниченность.
• Омметр - прибор для измерения активного электрического сопротивления.
• Размагничивание - процедура, позволяющая уменьшить остаточную намагниченность образца до таких значений, когда ею можно пренебречь.
• Температурный коэффициент сопротивления - относительное изменение сопротивления при изменении температуры на один градус.
• Термометр - прибор для измерения температуры.

12.05.2025

Альтернативные источники энергии
Компьютеры и Интернет
Магнитные поля
Механотронные системы
Перспективные разработки
Электроника и технология

Главная страница