Особенности электромагнитных процессов в магнитных цепях переменного тока

 

 

Если к катушке охватывающей магнитопровод подключить источник переменного напряжения то в нем возникнет переменный магнитный поток Ф(t), который практически весь сосредоточен в самом магнитопроводе и потоком рассеяния можно пренебречь. В результате действия магнитного поткаФ(t) в катушке

возникает э.д.с. е₁ ,

u= -e,

которая уравновешивает внешнее напряжение u и ограничивает ток I(t) до величины необходимой для создания Ф(t) (эффект саморегулирования). Индуктивное сопротивление катушки магнитопровода X_K=wL непостоянно и зависит от тока в цепи катушки. L=Dy/DI =L(i)= var., это подтверждается следующими уравнениями:y(t)=wФ(t)=wSB(t), i(t)=H(t)l/w, т.е. потокосцепление пропорционально магнитной индукции В(t), а ток – напряженности магнитного поля H(t), которые связаны между собой сложной параметрической зависимостью. Она отображается экспериментальной кривой намагничивания. Изменение магнитного поля вызывает нагрев магнитопровода из-за гистерезиса и вихревых токов. Следовательно в магнитопроводе возникают потери электроэнергии, которые называются магнитными потерями. При циклическом перемагничивании материала магнитная индукция отстает по фазе от напряженности магнитного поля. Эта зависимость отображается петлей гистерезиса. Площадь петли гистерезиса характеризует потери энергии W_м в единице объема ферромагнитного материала за период изменения напряженности магнитного поля в нем. Мощность потерь в магнитопроводе пропорционально величине W_м , частоте перемагничивания f и объему ферромагнитного материала V_м :

DР_маг = f W_м V_м

Магнитные потери складываются из двух составляющих: потерь от гистерезиса и потерь от вихревых токов (токи Фуко), которые, согласно закону Ленца, стремятся затормозить изменение потока и магнитной индукции в магнитопроводе, т. е. расширяют петлю гистерезиса с ростом частоты перемагничивания. Косвенной характеристикой потерь от гистерезиса является коэрцитивная сила Н_с . Например для электротехнической стали Н_с »3·10^-3 А/м, а для пермаллоев Н_с »0,1·10^-3 А/м. Для борьбы с вихревыми токами стремятся уменьшить электропроводность материала сердечника и изготовить его из тонколистового материала, толщиной 0,05 –0,5 мм.

 

ТРАНСФОРМАТОРЫ

Устройство, принцип действия и назначение трансформаторов

 

 

На замкнутом магнитопроводе расположены две обмотки. К одной обмоткес числом витков w₁, которая называетсяпервичной, подводится электрическая энергия от источника питания; от другой - вторичной обмотки с числом витков w₂ энергия отводится на сопротивление наг-рузки R_н. Под действием подводимого напряжения U₁ в первичной обмотке возникает ток i₁ и возбуждается переменный магнитный поток.

Этот поток индуцирует ЭДС е₁ и е₂ в обмотках трансформатора. ЭДС е₁ уравновешивает основную часть напряжения источника питания u₁, ЭДС е₂ создает напряжение u₂ на выходных зажимах трансформатора. При замыкании вторичной цепи возникает ток i₂, который создает собственный магнитный поток, накладывающийся на поток первичной обмотки. В результате создается общий поток Ф, сцепленный с витками обеих обмоток трансформатора и определяющий в них ЭДС е₁ и е₂.

Трансформация напряжения. Уравнения электрического состояния обмоток идеализированного трансформатора имеют вид:

u₁=w₁DФ/Dt; u₂=w₂DФ/Dt

Отношение напряжений u₁/u₂=w₁/w₂=n называется коэффициентом трансформации. Действующие значения напряжений связаны соотношением:

U₂=U₁/n

 

Трансформация токов. В трансформаторе происходит преобразование не только напряжений, но и токов.

I₁/i₂=w₂/w₁=1/n

Свойство саморегулирования. Изменение нагрузки трансформатора, т.е. тока i₂, приводит к соответствующему изменению тока i₁, так что выполняется закон сохранения энергии и обеспечивается баланс мгновенных мощностей:

p₁=p₂ или u₁i₁=u₂i₂

 

 

Тема №5. Переходные процессы в ЛЭЦ

 

Электромагнитные процессы, возникающие в ЭЦ при переходе от одного установившегося режима к другому, называют переходными. (вкл/выкл, обрыв, КЗ и др.)

Расчет напряжений и токов на участках ЭЦ во время переходных процессов производят, пользуясь дифференциальными уравнениями, составленными в соответствии с законами Кирхгоффа для мгновенных значений токов и напряжений.

Для линейных цепей с R, L, C – это линейные дифференциальные уравнения с постоянными коэффициентами. Общий интеграл = частное решение + общее решение.

a) Частное решение – для установившегося режима. Когда переходной процесс закончен, мы получим ® (i_y,U_y).

b) Общее решение, (без правой части) соответствует режиму при отсутствии внешнего источника, т. е. свободному режиму. Мы получим ® (i_св,U_св).

Суммы установившихся и свободных токов и напряжений определяют переходные токи и напряжения.

і_пер = і_у + і_св; U_пер = U_у + U_{св (1)}

Общее решение дифференциального уравнения содержит постоянные, которые определяются из начальных условий.

Законы коммутации.

1) Заряд конденсатора.

По второму закону Кирхгоффа имеем:

R i + U_c = U;

U_cy½_t®¥ = U

Для свободно изменяющегося U_{c. св} напряжения запишем однородное дифференциальное уравнение.

; U_с.св = А × e^pt;

где p находят из решения характеристического уравнения

;

— постоянная времени цепи, за время t U_с.св уменьшается в е раз, тогда

Постоянную интегрирования А находим из начальных условий (по закону коммутации). В момент включения конденсатор не был заряжен, и напряжения на нём не было. U=0; t=0.

U + A = 0; A = -U;

 

Подставим полученные значения U_у , U_св в формулу (1) и получим значение напряжения на конденсаторе в ходе переходного процесса:

;

ток ;

 

 

 

2) Разряд конденсатора .

Ёмкость заряжена до U_C = U₀; U_С.у = 0. U_С.пер = U_С.св;

По закону Кирхгофа U_C – R_i = 0;

,

тогда: ; ;

; ;

 

3) Подключение индуктивности к источнику постоянного напряжения.

По второму закону Кирхгофа

;

;

 

 

 

 

Для определения А воспользуемся вторым законом коммутации

4) Отключение катушки индуктивности от источника.

По второму закону Кирхгофа:

;

, то

Если , то .

 

 

Тема №6. Тема "Электрические машины постоянного тока".

 

1. Назначение, принцип действия, устройство и характеристики двигателей постоянного тока.

Электрические машины постоянного тока широко применяются в качестве генераторов и электродвигателей несмотря на широкое распространение электросетей переменного тока. Двигатели постоянного тока обладают двумя важными преимуществами: плавное регулирование скорости вращения и большой момент при пуске.

Машины постоянного тока широко используются в звукотехнической аппаратуре в качестве приводов лентопротяжных механизмов и дисководов, автоматических устройств различного назначения.

Принцип действия электродвигателя основан на законе электромагнитной индукции (закон Ампера). Простейший двигатель можно представить в виде витка, вращающегося в магнитном поле. Концы витка выведены на две пластины коллектора. К коллекторным пластинам прижимаются неподвижные щетки, к которым подключается источник электрической энергии.

Под действием напряжения U через щетки, коллекторные пластины и виток будет протекать ток I. По закону Ампера взаимодействие тока I и магнитного поля В создает силу Fэм, которая направлена перпендикулярно В и I. направление силы Fэм определяется правилом левой руки: на верхний проводник сила действует влево, на нижний - вправо. Эта пара сил создает вращающий момент Мвр, поворачивающий виток по часовой стрелке. При переходе верхнего проводника в зону южного полюса, а нижнего в зону северного полюса концы проводников и соединенные с ними коллекторные пластины А и В вступят в контакт со щетками другой полярности. Направление тока в проводниках витка изменится на противоположное, а направление силы Fэм и Мвр не измениться. Виток непрерывно будет вращаться в магнитном поле и может приводить во вращение рабочий механизм.

Электродвигатель состоит из двух основных частей: статора и ротора. Статор - неподвижная часть, состоит из станины, главных и дополнительных полюсов, щеточной траверсы со щетками и подшипниковых щитков. Ротор (якорь) - подвижная (вращающаяся) часть, состоит из сердечника обмоток и коллектора.

 

 

1.Подшипниковые щитки. 2.Щёткодержатели со щётками. 3.Якорь. 4.Добавочные полюсы. 5.Основные полюсы. 6.Станина.

Рассмотрим подробнее устройство якоря с двухслойной петлевой обмоткой и статора на примере четырех полюсного электродвигателя.

 

Обмотка возбуждения

Якорь

Обмотки якоря

Полюсный наконечник (башмак)

Якорь

 

Магнитная система четырёхполюсной машины.

 

 

Сердечник имеет цилиндрическую форму. Он набирается из колец листовой электротехнической стали, на внешней поверхности которых выштампованы пазы. В пазы сердечника укладываются секции обмоток из медного провода, концы которых выводятся на коллектор и припаиваются к его пластинам, образуя замкнутую обмотку якоря.

Коллектор состоит из изолированных друг от друга медных пластин, образующими в сборе цилиндр, который крепится на валу двигателя.

Таким образом создаётся магнитная и электрическая цепи машины. Магнитная цепь предназначена для создания и распределения магнитного поля в воздушном зазоре между полюсами и сердечником якоря, т.е. там, где расположены проводники обмоток якоря.

Электрическая цепь машины ПТ состоит из обмотки якоря и щёточно-коллекторного узла, который обеспечивает скользящий контакт с источником питания.

По способу возбуждения магнитного поля ДПТ делятся на:

· двигатели параллельного (независимого) возбуждения.

· двигатели последовательного возбуждения.

· двигатели смешанного возбуждения.

· двигатели с возбуждением магнитного поля от постоянного магнита.

2. Двигатели параллельного (независимого) возбуждения.

У такого двигателя обмотка возбуждения включена параллельно обмотке якоря. Для машин постоянного тока имеем:

Епр = СМ w Ф; М = СМ IЯ Ф тогда Епр = U - IЯ RЯ w = U/ СМ Ф - М RЯ / С2М Ф2w = w0 - Dw здесь: U - напряжение питания; IЯ - ток якоря; Епр -противо ЭДС; Ф - магнитный поток; М - момент на валу двигателя; w - угловая скрость вращения

 

 

 

 

		Регулирование скорости может осуществляться тремя способами: 1. Полюсное - регулируется магнитный поток Ф путём изменения тока возбуждения. Реостатное - регулирование тока якоря путём включения в его цепь дополнительного сопротивления. Якорное - путём изменения напряжения питания цепи якоря

.