Горюнов В.Н., Ощепков В.А. и др. История электроэнергетики: Конспект лекций - файл n1.doc

Горюнов В.Н., Ощепков В.А. и др. История электроэнергетики: Конспект лекций
скачать (6343.5 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc6344kb.06.11.2012 21:30скачать

n1.doc

1   2   3   4   5   6

Потери активной мощности трансформатора



Потери активной мощности трансформатора ∆Р подразделяется на:

  1. Переменные ∆Рм (потери в меди);

  2. Постоянные ∆Рс (потери в стали).

Рассмотрим ∆Рм – потери в обмотках трансформатора. Электрический ток, проходя по обмоткам трансформатора, по закону Джоуля–Ленца (Q=I·U·t) нагревает их. Это тепло рассеивается в окружающем пространстве, т.е. теряется.

Вывод: ∆ Рм – потери активной мощности в проводниках обмоток. Наиболее часто обмотки изготавливают из меди отсюда и название потери в меди. Рассмотрим двухобмоточный однофазный трансформатор.



Рис. 11.5. Двухобмоточный однофазный трансформатор
, (11.16)
где ∆Рм – потери активной мощности в первичной обмотке.

При изменении нагрузки zн, т.е. при изменении I1 и I2 ∆Рм также меняется. В этом смысле потери ∆Рм называют переменными. Таким образом, постоянство или не постоянство потерь будем связывать с нагрузкой трансформатора. Если ∆Р с изменением нагрузки трансформатора не меняется, то такие потери называют постоянными. Если ∆Р с изменением нагрузки трансформатора меняется, то потери называют переменными. Так как потери ∆Рм не расходуются на совершение полезной работы, то их стараются уменьшить. Из (11.16) следует, что ∆Рм ~ I и R, таким образом, для уменьшения потерь ∆Рм следует уменьшить ток I или сопротивление R, но уменьшить ток нельзя, т.к. его величина зависит от нагрузки, т.е. от режима работы трансформатора и не может меняться по нашему желанию.

Вывод: для уменьшения ∆Рм1 и ∆Рм2 целесообразно уменьшить R1 и R2.

, (11.17)

где – удельное сопротивление, L – длина проводника, S – площадь поперечного сечения этого проводника.

L и S определяется конструкцией трансформатора, его номинальной мощностью, т.е. для уменьшения R следует уменьшить. Поэтому обмотки трансформатора изготавливают из материала с малым значением удельного сопротивления (Al и Cu).

Рассмотрим потери ∆Рс. Эти потери представляют собой потери активной мощности в стали трансформатора (магнитопровод). Магнитный поток замыкается по сердечнику трансформатора и при своём изменении нагревает его. Это тепло рассеивается в окружающем пространстве, т. е теряется. Потери ∆Рс состоят из двух составляющих, т.е.

∆Рс=∆Рв+∆Рг, (11.18)
где ∆Рв – потери на вихревые токи (токи Фуко),

Рг – потери на гистерезис (перемагничивание сердечника).

Рассмотрим потери ∆Рв. Если сплошное электропроводное тело поместить в переменное магнитное поле, то в этом теле по закону электромагнитной индукции возникает ЭДС, а, следовательно, и ток.

, (11.19)

где IВ1 – действующее значение вихревого тока,

Rc1 – сопротивление стали.

. (11.20)

Из (11.19) и (11.20) следует:

. (11.21)

Вывод: для уменьшения потерь ∆Рв1 следует уменьшить ЭДС Ев1 и увеличить сопротивление Rc1.

Так как ЭДС Е~ѓ и потоку Фм.. В системах электроснабжения ѓ=const и Фм=const. Поэтому Ев1?const.

Рассмотрим сопротивление Rc1.

, (11.22)

где с – удельное омическое сопротивление стали,

Lc1 – длина пути, по которой замыкается ток Iв1,

Sc1 – площадь поперечного сечения стали, по которой замыкается ток Iв1.

Из (11.22) следует, что для уменьшения потерь ∆Рс следует увеличить Lc1. Для увеличения с сердечник трансформаторов изготавливают из сплавов с большим с. Для уменьшения площади сечения Sc1 сердечник трансформатора шихтуется, т.е. изготавливается из отдельных пластин электротехнической стали, изолированных друг от друга.

Так как Sc2 < Sc1 то Rc1 < Rc2 т. е РВ1 > РВ2.

Вывод: при эксплуатации трансформаторов ѓ и Фм – остаются постоянными, а так как РВ1~ ѓ2 и Ф, то и ∆РВ=const.
Рассмотрим потери ∆РГ (потери на гистерезис). Известно, что потери на гистерезис ∆РГ пропорциональны площади петли гистерезиса SГ.

Петля гистерезиса – кривая в координатных осях В и Н, которая образуется при циклическом изменении Н.

Индукция магнитного поля

В=?·?0·Н, (11.23)

где Н – напряженность магнитного поля (характеризует поле в вакууме),

? – относительная магнитная проницаемость среды,

?0 - магнитная постоянная. ?0 =4?·10-7 Гн/Н.

Относительная магнитная проницаемость среды показывает, во сколько раз поле в данной среде больше или меньше чем вакууме.

Для сердечников трансформаторов используют электротехнические стали, у которых относительная магнитная проницаемость среды ?=103ч5·105.

Существуют специальные сплавы (Ni + Fe) у которых ? достигает 2·105.

Нс – коэрцетивная сила, т.е. значение напряженности внешнего поля, при котором индукция внутри вещества равна нулю.

Вг – остаточная индукция т. е. значение индукции в материале при напряжённости внешнего поля равного нулю.

Для уменьшения потерь на гистерезис ∆Рг используют сплавы с узкой петлёй гистерезиса так называемые магнитомягкие сплавы.

Так как Sг1 < Sг2 , то ∆Рг1 < ∆Рг2, значит Sг не зависит от I1 и I2 (т.е. от нагрузки).

Вывод: т.к. потери ∆Рв и ∆Рг постоянные тогда ∆Рс=∆Рвг=const.
Энергетическая диаграмма трансформатора
Рассмотрим однофазный двухобмоточный трансформатор.



Рис. 11.6. Трансформатор
При подключении напряжения U1 в первичной обмотке возникает ток I1, он обуславливает возникновение ?РМ1, кроме того в сердечнике возникает переменный магнитный поток Ф1, который замыкается по сердечнику и обуславливает возникновение ?РС. Переменный магнитный поток пересекает ветки вторичной обмотки и наводит в них ЭДС, т.к. вторичная обмотка замкнута возникает ток I2 и, следовательно, появляются потери ?Рм2.


Рис. 11.7. Энергетическая диаграмма
Р1 – вся активная мощность, поступающая на вход трансформатора.

Р2 – полезная мощность (мощность, отдаваемая нагрузке).
КПД трансформатора
Коэффициент полезного действия трансформатора определяется по формуле:

(11.24)

, (11.25)

где P суммарные потери активной мощности в трансформаторе.

Зависимость коэффициента полезного действия от нагрузки
Для описания этой зависимости вводится понятие – коэффициента загрузки трансформатора, который определяется по формуле

, (11.26)

где I2 и Р2 – текущие значения тока и мощности во вторичной обмотке, которые меняются в зависимости от нагрузки,

I2ном и Р2ном – номинальные значения тока и мощности во вторичной обмотке.

На рисунке 11.8 изображен график КПД трансформатора:

Точка 1 – режим холостого хода. В режиме холостого хода вторичная обмотка разомкнута и сопротивление нагрузки zн =?. Отсюда

(11.27)



Рис. 11.8. График КПД трансформатора


При увеличении I2, КПД увеличивается и достигает максимального значения – точка 2, затем начинает уменьшаться. Уменьшение КПД на участке 2-3 объясняется тем, что при больших Кз, а, следовательно, и токах I2 резко увеличивается и , которые пропорциональны квадрату тока.

Трансформаторы проектируются так, чтобы наибольший КПД достигался при наиболее вероятной нагрузке трансформатора, равной (0,5ч0,75)Р2ном и Кз=0,5ч0,75 – такая наиболее вероятная нагрузка говорит о том, что обычно трансформаторы полностью не загружаются.

Величина КПД трансформаторов достаточно велика, причем с увеличением Р2ном или S2ном КПД увеличивается. Увеличение КПД при увеличении Р2ном объясняется следующим: при увеличении Р2ном увеличиваются и токи I1 и I2, поэтому требуется увеличить сечение проводников обмоток, что приводит к уменьшению R1 и R2, а также к увеличению КПД.


Лекция 12. Электрические машины
Электрические машины – это электротехнические устройства, предназначенные для преобразования электрической энергии в механическую (двигатель), или механической в электрическую (генератор).

В зависимости от рода тока электрические машины подразделяются:

- на электрические машины переменного тока;

- электрические машины постоянного тока.

Электрические машины переменного тока подразделяются:

- на асинхронные;

- синхронные.

Асинхронные машины подразделяются:

- на однофазные;

- трехфазные.

Трехфазные асинхронные двигатели подразделяются:

- на асинхронные двигатели с фазным ротором;

- асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором.

Электродвигатели постоянного тока подразделяются:

- на коллекторные;

- вентильные.
Основные понятия и определения

Одной из основных характеристик двигателя является механическая характеристика (рис.12.1). Она определяется уравнением:
(12.5)


Рис. 12.1. График механических характеристик
У синхронных двигателей характеристика жесткая. Понятие жесткости характеризует уменьшение угловой скорости ?2 при увеличении момента на валу М2.

В основе принципа действия любой машины лежат два закона – закон Ампера и закон Фарадея.
Закон Ампера:

. (12.6)

Направление силы Ампера определяется правилом левой руки: левую руку необходимо расположить так, чтобы силовые линии входили в ладонь, пальцы по направлению протекания тока в проводнике, тогда большой палец укажет на направление силы Ампера (рис. 12.2).




Рис. 12.2. Правило левой руки



Рис. 12.3. Правило правой руки


Закон Фарадея:

, (12.7)

где – потокосцепление.

(12.8)

Знак «–» следует из правила Ленца. ЭДС индукции всегда имеет такое направление, при котором создаваемый ею индукционный ток iинд направлен таким образом, чтобы он своим магнитным полем препятствовал всякому изменению магнитного поля В, создавшему этот индукционный ток.

В частном случае, если проводник перемещается в магнитном поле с некоторой скоростью ? и пересекает линии магнитной индукции, то в этом проводнике возникает ЭДС:

. (12.9)

Направление ЭДС определяется по правилу правой руки (рис.12.3).
Лекция 13. Устройство машин переменного тока
Из законов Ампера и Фарадея следует, что в основу принципа действия любой электрической машины упрощенно могут быть положены эти законы. Из них следует, что в любой электрической машине должна быть совокупность элементов, создающих магнитное поле с индукцией В. Эта совокупность элементов называется индуктором. Кроме того, любая электрическая машина должна иметь совокупность проводников, по которым течет ток либо от внешнего источника, либо этот ток создается в процессе работы электрической машины. Эта совокупность проводников называется якорем. Якорь и индуктор могут располагаться как на неподвижной части электрической машины (статоре), так и на подвижной части (роторе).
Электрические машины переменного тока
К электрическим машинам переменного тока относятся синхронные и
асинхронные машины.

Синхронные машины – это электрические машины, в которых вращающееся магнитное поле статора и ротор перемещаются с одной и той же скоростью, т.е.

, (13.1)

где ?1 – угловая скорость вращающегося магнитного поля;

?2 – угловая скорость ротора.

В асинхронных двигателях вращающееся магнитное поле статора и ротор перемещаются с разными скоростями, т.е.

. (13.2)
Конструктивное исполнение электрических машин переменного тока
Статор электрических машин переменного тока несет на себе двух- или трехфазную обмотку, которая подключается соответственно к двух- или трехфазной сети переменного тока. Назначение статора с обмоткой – создание вращающегося магнитного поля (ВМП).

Условие создания вращающегося магнитного поля неподвижными обмотками: необходимо, чтобы фазы обмоток были сдвинуты в пространстве относительно друг друга, а питающие напряжения фаз были смещены во времени. Для трехфазной обмотки пространственный сдвиг составляет 120° (рис.13.1), а питающее напряжение соответствует следующим уравнениям:
(13.3)

где uA – мгновенное значение напряжения в фазе А;

UMA, UMB, UMC – амплитудные значения соответственно в фазах А, В, С.

Для двухфазной обмотки пространственный и временной сдвиг составляет 90°.




Рис. 13.1. Статор асинхронного двигателя


Рис. 13.2 – Статор


Частота вращения ВМП:

(13.4)

где f – частота переменного тока (f =50 Гц), р – число пар полюсов
(на рис. 13.2 р=1).

Единица.
Соединим фазы статора по схеме треугольник, тогда выводы фаз обмоток подключаются к трехфазной сети переменного тока через выводную коробку, расположенную на корпусе электрической машины (рис. 13.3).


а)



б)




Рис. 13.3. Соединение фаз статора: а) по схеме «треугольник»;
б) по схеме «звезда»



Конструкция роторов электрических машин переменного тока
Отличаются электрические машины переменного тока в основном конструкцией исполнения ротора.

Роторы синхронных машин выполняются из электротехнической стали и подразделяются на явнополюсные и неявнополюсные (рис. 13.4).


а)



б)



Рис. 13.4. Роторы синхронных машин: а – явнополюсной;
б – неявнополюсной.
На роторе располагается обмотка, подключенная к сети постоянного тока. Она называется обмоткой возбуждения.
Роторы асинхронных машин
Короткозамкнутый ротор набирается из пластин электротехнической стали, изолированных друг от друга. В пазах находится обмотка. Если выполнить сечение перпендикулярно к оси ротора, то получается следующая картина (рис. 13.5).




Рис. 13.5. Короткозамкнутый ротор



Рис. 13.6. Обмотка короткозамкнутого ротора


Если мысленно удалить электротехническую сталь, то конструкция ротора будет иметь следующий вид (рис. 13.6). Обмотка представляет собой алюминиевые или медные стержни, замкнутые алюминиевыми или медными кольцами.

Лекция 14. Принцип действия асинхронного двигателя
При подключении обмотки статора к сети переменного тока в статоре
практически мгновенно возникает вращающееся магнитное поле.


Рис. 14.1. Принцип действия асинхронного двигателя
Вращающееся магнитное поле пересекает проводники обмотки ротора и по закону электромагнитной индукции наводит в них ЭДС Е2. Направление ЭДС Е2 определяем по правилу правой руки. Так как обмотка ротора короткозамкнутая, в ней возникает ток I2 (рис. 14.1).

Вывод. В магнитном поле, создаваемом полюсами ВМП, появляются проводники с током I2. На них по закону Ампера будет действовать сила, направление которой определяется правилом левой руки (см. рис. 12.2). За счет пары сил F2 возникает вращающий момент М, где М – вращающий момент на валу двигателя при ? = 0.

Если М > М, то ротор придет во вращение, согласно основному закону динамики вращающегося движения

М– М= J·?, (14.1)
где М – момент сопротивления, обусловленный наличием рабочего механизма; J – момент инерции, ? – угловое ускорение.

Так как для реального объекта J=const, то из выражения (14.1) следует, что ? > 0.

Вывод. Ротор приходит во вращение в направлении, которое совпадает с направлением вращающегося магнитного поля.

Допустим, что , т. е. скорость ВМП равна скорости ротора, тогда ВМП не пересекает проводники обмотки ротора. Значит Е2 = 0, I2 = 0, F2 = 0, M2 = 0, т.е. ротор не вращается.

Вывод. Для нормальной работы асинхронного двигателя необходимо выполнение условия . Данное неравенство характеризуется специальной величиной, которая обозначается S и называется скольжением.

. (14.2)

При номинальной нагрузке на валу двигателя S = 10-2 ч 6·10-2, в режиме холостого хода двигателя (т.е. когда на валу двигателя нет нагрузки: М?0) S =10-4 ч6·10-5.
Однофазный асинхронный двигатель
Рассмотрим электрическую схему однофазного асинхронного двигателя с одной обмоткой на статоре. Однофазный асинхронный двигатель – это асинхронный двигатель, подключенный к однофазной сети переменного тока. Конструкция совпадает с конструкцией трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором. Такой асинхронный двигатель вращающегося магнитного поля не создает, так как отсутствует пространственный и временной сдвиг. Для создания вращающегося магнитного поля однофазный асинхронный двигатель снабжают наряду с рабочей обмоткой пусковой обмоткой, которая имеет пространственный сдвиг относительно рабочей обмотки на 90° (рис. 14.3). Кроме того, однофазный асинхронный двигатель имеет фазосдвигающие элементы zп, роль которых могут играть сопротивление R, индуктивность L, емкость С.

Наиболее часто в качестве фазосдвигающего элемента zп используют емкость. Такие двигатели называются конденсаторными однофазными двигателями. В момент пуска ключ К замкнут, и механическая характеристика, соответствующая асинхронному двигателю (рис. 14.3), имеет следующий вид (рис. 14.2).




Рис. 14.2. Механическая характеристика однофазного асинхронного двигателя



Рис. 14.3. Схема подключения однофазного асинхронного двигателя


Когда скорость двигателя становится равной скорости ?а, ключ К размыкается и работа двигателя дальше происходит по механической характеристике CN.
Преимущества и недостатки трехфазного асинхронного двигателя
с короткозамкнутым ротором

Асинхронные двигатели просты в эксплуатации, поэтому нашли широкое применение в практике.

Недостатки:

  1. cos? < 1, поэтому асинхронные двигатели потребляют из сети не только активную, но и реактивную мощность, которая полезной работы не совершает. Обусловленные реактивной мощностью токи только загружают сеть и тем самым увеличивают потери;

  2. большое значение пускового тока, который характеризуется коэффициентом кратности

, (14.3)

где Iп – ток в обмотке статора в момент пуска;

Iном – номинальный ток в обмотке статора.

Такие большие значения Кп оказывают сильное отрицательное влияние на сеть, которая подключается к двигателю, за счет чего возникает значительное изменение напряжения в сети;

3) вследствие того, что развиваемый момент асинхронного двигателя (момент на валу) прямо пропорционален квадрату напряжения сети, то при снижении напряжения в сети возможна самопроизвольная остановка асинхронного двигателя.

Лекция 15. Электрические машины постоянного тока

Машина постоянного тока – это электротехническое устройство представляющее собой, объединенные в единую конструкцию синхронную машину (СМ) и коммутатор (К).

Коммутатор – элемент электрической машины, посредством которого происходят преобразования переменного тока в постоянный ток (характерно для генераторов постоянного тока (ГПТ)); или постоянного тока в переменный ток (характерно для двигателей постоянного тока (ДПТ)).

По виду машины постоянного тока делятся на коллекторные и вентильные.

Коллекторные машины постоянного тока имеют механический коллектор, он называется щеточно-коллекторным узлом (ЩКУ).

Вентильные машины постоянного тока выполняются с полупроводниковым коллектором. Это более современные машины, в большей части, бесконтактные.

Принцип действия генератора постоянного тока

При вращении якоря со скоростью ? от какого-либо внешнего устройства в проводниках по закону электромагнитной индукции наводится ЭДС, а так как обмотка замкнута на нагрузку, то по ней течет ток Iя.

. . (15.1)

Простейшая конструкция генератора постоянного тока
коллекторного типа


Конструкция генератора постоянного тока коллекторного типа показана на рис. 15.1.



Рис. 15.1. Конструкция генератора постоянного тока коллекторного типа:

1) полукольца; 2) полюса индуктора; 3) якорь; 4) щетки; 5) щеточно-коллекторное устройство.

Простейший щеточно-коллекторный узел представляет собой два полукольца, присоединенные к якорю, и две щетки, которые скользят по ним. С верхней щеткой всегда соединено полукольцо, присоединенное к проводнику, в котором ток направлен от нас, поэтому через нагрузку ток не меняет своего направления.

Если вместо Zн между точками А и В подсоединить источник постоянного тока (ИПТ), то генератор постоянного тока преобразуется в двигатель постоянного тока.
Лекция 16. Машины постоянного тока
1   2   3   4   5   6


Учебный материал
© bib.convdocs.org
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации