Махкамджанов Б.М., Яськова М.Э., Алиев У.Т. Электропитание устройств связи - файл epus_1_2.doc

Махкамджанов Б.М., Яськова М.Э., Алиев У.Т. Электропитание устройств связи
скачать (2091 kb.)
Доступные файлы (1):
epus_1_2.doc4554kb.06.11.2009 21:59скачать

epus_1_2.doc

  1   2   3   4   5   6   7   8   9   10


УЗБЕКСКОЕ АГЕНТСТВО СВЯЗИ И ИНФОРМАТИЗАЦИИ
ТАШКЕНТСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
Б.М. Махкамджанов, М.Э. Яськова, У.Т. Алиев,



«Электропитание устройств связи»


Ташкент 2005
ПРЕДИСЛОВИЕ
В пособии приведены общие понятия о традиционных источниках энергии, выработке электрической энергии и ее распределения. Рассматриваются отдельные элементы и узлы системы электроснабжения, их принципы действия и конструкции. Также показаны и описаны схемы трансформаторов, выпрямителей, а также общие построения электропитающих устройств аппаратуры и установок систем электропитания предприятий связи. Большое внимание уделено физическим процессам и явлениям, связанным с коммутацией тока в цепях с реактивными элементами. Введен новый раздел о нетрадиционных и возобновляемых источниках энергии, где приводятся способы и схемы преобразования возобновляемой энергии (солнце, ветер).

Учебное пособие представляет интерес для студентов, обучающихся по направлениям образования «Телекоммуникация», «Радиосвязь, радиовещание и телевидение», «Радиотехника», «Профессиональное образование телекоммуникации» и т.д.

Введение, раздел 1 - “Первичные источники электроэнергии”, включая пункты 1.1 - 1.7, раздел 2 - “Вторичные источники электроэнергии”, включая пункты 2.7, 2.9 написаны Б.М.Махкамджановым, раздел 1, включая 1.8, 1.9, раздел 2 , включая 2.1, 2.2, 2.3, 2.4 написаны М.Э.Яськовой, раздел 1, включая пункт 1.10, раздел 2, включая пункты 2.5, 2.6, 2.8, написаны У.Т.Алиевым.

Авторы выражают искреннюю благодарность доц. Гультураеву Н.Х., доц. Ибраимову Р.Р. за ценные замечания и рекомендации при подготовке и оформлении учебного пособия, а также ассистенту кафедры ЭПУС Сидельниковой А.В. за оказанную техническую помощь при оформлении книги.











Оглавление



Введение………………………………………………………………………3
Раздел 1. Первичные источники электроэнергии…………………….……4

1.1. Возобновляемые источники энергии и их потенциал……….…..4

1.2. Солнечная энергия и способы её преобразования……………….8

1.3. Энергия ветра и принципы её преобразования …………………11
1.4. Трансформаторы…………………………………………………..15

1.5. Режимы работы трансформатора…………………………………18

1.6. Автотрансформаторы, измерительные трансформаторы……….28

    1. Трехфазные цепи, трехфазные трансформаторы………….……34

    2. Электрические машины,

    3. Асинхронные машины…………………………..………………..42

1.10. Синхронные машины……………………………………………49

1.11. Машины постоянного тока………………………………………55
Раздел 2. Вторичные источники электроэнергии…………………………..65

2.1. Выпрямители……………………………………………………….65

2.2. Однотактные схемы выпрямления………………………………..70

2.3. Двухтактные схемы выпрямления………………………………..74

2.4. Сглаживающие фильтры…………………………………………..80

    1. Преобразователи напряжения…………………………………….94

    2. Стабилизаторы……………………………………………………..98

    3. Параметрические стабилизаторы…………………………………101

    4. Компенсационные стабилизаторы …………..…………………..106

    5. Импульсные стабилизаторы напряжения………………………..109


Литература…………………………………………………………………….112



Введение



Получение и передача электрической энергии

Электрическую энергию получают из других видов энергии непосредственно или путём промежуточных преобразований. Для этого используют природные энергетические ресурсы – органическое и ядерное топливо, а также возобновляемые источники энергии: течение рек, водопады, океанские приливы, солнечную радиацию, ветер, геотермальные источники, биомассу и т.д.

Электрическую энергию широко используют во многих отраслях промышленного и сельскохозяйственного производства, на транспорте, в системе связи, в науке, быту и т.д. Производство электрической энергии и её распределение относится к отрасли энергетики. Поэтому энергетика является ключевой отраслью народного хозяйства страны.

В настоящее время для создания системы электрификации страны и обеспечения электроснабжения различных отраслей народного хозяйства наибольшую часть электрической энергии (порядка 80%) производят путём преобразования химической энергии органического топлива на тепловых электростанциях (ТЭС).

Принцип работы ТЭС. Сжигается топливо, например, мазут, уголь, газ и тепловая энергия через форсунки поступает на нижнюю поверхность котла, заполненный водой. Вода в котле закипает и в верхней части котла образуется пар высокого давления. Пар через трубы поступает в отсек, где расположена паровая турбина. Под давлением пара ротор турбины вращается. Следовательно, происходит процесс преобразования тепловой энергии в механическую. Следующий этап, механическая энергия, которая получается в момент вращения ротора генератора, преобразуется в электрическую.

На втором месте по объёму производства электрической энергии находятся гидроэлектростанции (ГЭС), где используется энергия течения рек, преобразуемая с помощью гидротурбины и гидрогенераторов в электрическую, например, Волжская ГЭС, Красноярская ГЭС, Чарвакская ГЭС, Буржарская ГЭС и т.д.

Наряду основных производителей энергии следом за тепловым и гидроэлектростанциями стоят атомные электростанции (АЭС). Первичным видом энергии на АЭС является энергия ядер атомов, которую преобразуют в тепловую энергию, а далее схема получения электрической энергии аналогична схеме тепловой станции.

Учитывая быстрое уменьшение запасов органического топлива, а также неблагоприятное воздействие тепловых электростанций на окружающую природу, ведутся поиски технически и экономически удовлетворительных решений для получения электроэнергии на базе использования возобновляемых источников энергии (ВИЭ).

Прямое преобразование химической, тепловой, лучистой энергии в электрическую осуществляется с помощью электрохимических, теплоэлектрических, термоэмиссионных, фотоэлектрических генераторов. Эти устройства имеют малую мощность и поэтому для большой энергетики непригодны, а применяются главным образом в радиотехнике, космической технике, для энергоснабжения индивидуальных потребителей и фермерских хозяйств.

Данное учебное пособие составлено из двух разделов:

Раздел 1. Первичные источники электроэнергии. В разделе приводятся основные понятия и определения возобновляемых и невозобновляемых источников энергии. Рассматриваются общие принципы преобразования тепловой и механической энергии в электрическую и ее передача на расстояние.

Раздел 2. Вторичные источники электроэнергии. В разделе рассмотрены принципы работы вторичных источников энергии, это выпрямители, фильтры, преобразователи напряжения и стабилизаторы.

1. Первичные источники электроэнергии


1.1. Возобновляемые источники энергии и их потенциал
Основные понятия и определения

Определения. Все источники энергии можно разделить на два класса.

Возобновляемые источники энергии - это источники на основе постоянно существующих или периодически возникающих в окружающей среде потоков энергии. Типичный пример такого источника - солнечное излучение с характерным периодом повторения - 24 часа. Возобновляемая энергия присутствует в окружающей среде в виде энергии, не являющейся следствием целенаправленной деятельности человека, и это является её отличительным признаком.

Невозобновляемые источники энергии - это природные запасы вещества и материалов, которые могут быть использованы человеком для производства энергии. Примером могут служить ядерное топливо, уголь, нефть, газ. Энергия невозобновляемых источников в отличие от возобновляемых находятся в природе в связанном состоянии и высвобождаются в результате целенаправленных действий человека. Известно, что валовое потребление первичных энергоресурсов с начала ХХ века возросло более, чем в 10 раз. Всё большая часть человечества начинает осознавать конечность, исчерпаемость и невозобновляемость традиционных источников энергии (угля, нефти, газа), а так же приносимый ущерб окружающей среде от их использования. По оценке учёных нефти и газа хватит лишь на ближайшие десятилетия, угля - на столетия. Доля этих источников в современном балансе энергопотребления составляет: нефти - 38%, газа - 20%, угля - 27%, т.е. в целом - 85% от общего потребления. Поэтому целесообразно называть невозобновляемые источники энергии истощаемыми источниками энергии.

Прежде, чем говорить о возможностях ВИЭ, необходимо оценить их ресурсы и технический потенциал в мире. Доминирующую роль в балансе мощности ВИЭ играет энергия Солнца, составляющая 99.9%. Соответственно 0.09% и 0.01% приходится на внутреннюю энергию Земли и гравитационные силы (Табл.1.1).

Существует пять основных источников энергии:

- Солнечное излучение,

- Движение и притяжение Солнца, Луны и Земли (гравитационное притяжение),

- Тепловая энергия ядра Земли, а так же химических реакций и радиоактивного распада в её недрах,

- Ядерные реакции,

Таблица 1.1

Ресурсы возможных источников энергии

Виды энергии

Ресурсы,

теоретические

технические

в мире

в СНГ

Энергия Солнца

на верхней границе атмосферы Земли

на поверхности Земли, в том числе:

на поверхности суши

на поверхности мирового океана


183000

75913

26370

49543

-

5708

2283

3425

-

536

217

320

Энергия ветра

1982

21

3.4

Геотермальная энергия

(до глубины 10 км)

изливающиеся источники

гидротермальные ресурсы

ветрогеотермальные ресурсы

34

1256

34247

0.4

137

2853

0.02

6.8

137

Энергия Мирового океана

градиент солёности

тепловая (температурный градиент)

приливов

прибоя

морских ветровых волн

39954

11.5

8

3

0.9

2.5

399

0.6

0.14

0.8

0.023

0.09

90

0.14

0.023

0.2

0.006

0.023

Энергия биомассы

на суше

в мировом океане

органические отходы

41

22

2.3

4.6

1.7

1.4

0.37

0.14

0.08

Гидроэнергия

Крупных водотоков

Малых водотоков


3.7

1.7

1.7

0.85

0.23

0.06


Возобновляемые источники энергии привлекают своей относительной экологической чистотой, и поэтому появляется принципиальная возможность открывать и использовать новые источники энергии. При этом, создавая эффективные устройства для преобразования ВИЭ в электрическую и тепловую энергию.

Наиболее интересными видами ВИЭ являются солнечная энергия, тепловая геотермальная энергия, приходящая из недр Земли, гидравлическая энергия от использования приливно-отливных явлений и энергия ветра, порождаемых гравитационным взаимодействием Земли, Луны и Солнца.

Система аккумулирования энергии

Интенсивность солнечной радиации и скорость ветрового потока изменяются и чаще всего принимают хаотический характер, и естественно, энергии солнечного излучения и энергию ветрового потока в суточном интервале не представляется возможным преобразовывать. Однако, изменчивость каждого из источников имеет разную амплитуду и продолжительность: солнечная энергия в суточном амплитуде имеет значительную детерминированную составляющую; ветровая энергия имеет значительную импульсирующую составляющую в краткосрочном разрезе (часовая и даже внутричасовая).

Таким образом, каждый из источников возобновляемой энергии имеет свои особенности с точки зрения требований к системам аккумулирования. Технически возможны и существуют различные системы аккумулирования, предполагающих сохранение энергии в виде тепловой, механической или электрической энергии. На рис. 1.1 приведена классификация наиболее распространённых аккумулирующих систем. Цифровые значения знаменателя соответствуют удельной энергии, запасаемой аккумулятором. Каждая из аккумулирующих систем имеет свои достоинства и недостатки, которые делают её эффективной для конкретной системы энергоснабжения.

При аккумулировании энергии возобновляемых источников для целей электроснабжения наиболее распространены системы, приведённые на рис. 1.2. Эти аккумуляторы могут явиться составной частью технологических схем преобразования возобновляемой энергии в электрическую, позволяет стабилизировать их выработку. Например, на гидроаккумулирующей электрической станции (ГАЭС), аккумулятором служит верхний водоём. Когда ночью наблюдается уменьшение нагрузок в графике нагрузки энергосистемы, агрегаты ГАЭС в насосном режиме накачивают воду в верхний водоём. В дневное время, при повышении энергопотребления в суточном графике нагрузки, энергия поднятой воды используется для выработки электрической энергии.

Приведённые системы аккумулирования ВИЭ применяются в основном в большой энергетике. Для малой энергетики наиболее интересным видом аккумулирования являются гальванические элементы, т.е. химические аккумуляторные батареи или емкостные накопители.

Рис. 1.1. Классификация аккумулирующих систем

Рис. 1.2. Типы аккумулирующих установок
1.2. Солнечная энергия и способы её преобразования
Наибольшая плотность потока солнечного излучения, приходящего на Землю, составляет примерно 1 кВт/м2 в диапазоне длин волн 0.3-2.5 мкм. Это излучение называется коротковолновым и включает видимый спектр. Для населённых пунктов в зависимости от места, времени суток и погоды потоки солнечной энергии, достигающие Земли, меняются от 3 до 10 МДж/м2 в день. Солнечное излучение характеризуется энергией фотонов в максимуме распределения порядка 2 эВ, определённой по температуре поверхности Солнца около 6000оК. Потоки энергии излучения, связывающие атмосферу с поверхностью Земли, тоже порядка 1 кВт/м2, но они перекрывают другой спектральный диапазон - от 5 до 25 мкм, называемый длинноволновым, с максимумом около 10 мкм. По спектру коротковолновое и длинноволновое излучения расположены друг от друга достаточно далеко и могут быть легко различимы.

Основной целью этого раздела является более подробно показать, можно ли использовать энергию солнечного излучения в качестве энергии, подводимой к солнечному устройству, ориентированному определённым образом, в определённом месте и в определённое время. Для этого полезным будет представление геометрии Земли и Солнца. На рис.1.3 изображена структура Земли. Земля обращается за 24 часа вокруг своей оси (ось обозначена точками северного и южного полюсов N и S). Ось перпендикулярна экваториальной плоскости Земли. Точки P, E и G на поверхности Земли характеризуются широтой  и долготой . Часовой угол  в точке Р есть угол, на который Земля поворачивается с момента солнечного полдня. Так как Земля поворачивается за 1 час на 3600/24 = 150, то часовой угол определяется выражением
 = (15о  ч -1) (tsolar - 12 ч) = (15о  ч -1) - (tzone - 12 ч) + eq + ( - zone), (1.1)
где tsolar и tzonе - соответственно локальное солнечное и декретное время (в часах); zone - долгота, на которой находится Солнце, когда tzonе соответствует полудню (когда солнечное и декретное время совпадают, т.е. tsolar = tzonе).

Земля обращается вокруг Солнца за 1 год. Направление земной оси остаётся фиксированным в пространстве под углом 0 = 23.50 к нормали к плоскости вращения. Угол между направлением к Солнцу и экваториальной плоскостью называется склонением  и является мерой сезонных изменений. Склонение есть широта точки, для которой Солнце находится в зените в полдень по солнечному времени. В северном полушарии  плавно меняется от 0 = +23.50 в период летнего солнцестояния до 0 = -23.50 в период зимнего солнцестояния. Аналитически получено выражение (см. рис.1.4)
 = 0 * Sin[3600 * (284 + n) / 365] , (1.2)
где n - день, года (n = 1 соответствует 1 Январю).


Рис.1.3. Схема определения широты  и долготы ,

1 - экваториальная плоскость, 2 - меридиональная плоскость.

Рис.1.4. Схема освещения поверхности Земли солнечным излучением

в различные времена года
Лучистая энергия Солнца, распространяющаяся во все стороны, составляет 4 1020 млн. кВт. Из этого количества на Землю приходится менее одной миллиардной части, что составляет 1.78 1017 Вт, в то время, как потребляемая энергия на Земле составляет около 31011 МДж. На поверхность Земли попадает малое количество энергии за счёт следующих факторов:

- высоты Солнца над горизонтом из-за наклона оси вращения Земли;

состояния атмосферы;

- оптических свойств поверхности.

При наиболее благоприятных условиях, т.е. в районах близких к экватору, когда Солнце в Зените, а небо безоблачно, на 1 м2 поверхности можно поднять до 1 кВт лучистой энергии.

Существует два способа преобразования солнечной энергии: прямое преобразование солнечного излучения в электрическую (фотопреобразователем) и преобразование в тепловую энергию (солнечные коллекторы). Для прямого преобразования солнечного излучения используются полупроводниковые материалы.

Солнечные элементы

Полупроводниковые материалы, из которых изготавливаются солнечные элементы, имеют удельное сопротивление от 10-2 до 102 Омсм. Полупроводники бывают р-типа или n-типа. Процесс преобразования солнечной энергии в электрическую сопровождается фотоэлектрическим эффектом. Он возникает в поверхностных слоях полупроводника, толщиной 2-3 мкм в виде некоторого количества свободных электронов. С появлением в теле полупроводника свободных электронов и при наличии разности электрических потенциалов в нём возникает электрический ток. Разность потенциалов образуется между облучаемой поверхностью полупроводника и его теневой стороной за счёт внедрения в его поверхностные слои специальных добавок (рис.1.5).


Рис.1.5. Схема p-n перехода
Один из добавок (n-типа) образует дополнительные электроны и отрицательный заряд поверхности, другой (р-типа) - дефицит электронов и, следовательно, положительный заряд. На границе образуется контактная разность потенциалов вследствие диффузии электронов. Если полупроводник с дырочной (р-типа) проводимостью освещается, то его электроны, поглощая кванты света, переходят на полупроводник с электронной (n-типа) проводимостью. В замкнутой цепи при этом образуется электрический ток.

Чаще всего используют солнечные элементы из кремния. Кремний - один из самых распространённых элементов на Земле. Элементы производятся путём плавления кремния и затем выращивания кристаллического кремния в виде круглых стержней диаметром от 5 до 10 см. Для получения непосредственно полупроводниковых элементов эти стержни разрезаются на тонкие пластинки толщиной около 300 мкм, которые и служат основной частью фотоэлектрических элементов.

При освещении фотоэлемент генерирует электрическое напряжение величиной 0.5 В. Независимо от типа и схемы включения все (большие и малые) фотоэлементы генерируют напряжение 0.5 В. По иному обстоит дело с выходным током элемента. Он зависит от интенсивности света и размера элемента, под которым подразумевается площадь поверхности. Сила тока зависит также от длины волны света и его интенсивности, причём она прямо пропорциональна интенсивности его излучения. Чем ярче свет, тем больший ток генерируется солнечным элементом. В наземных условиях с интенсивностью светового излучения 1 кВт/м2 КПД данных элементов может достичь 22-26%, а у промышленных образцов - 10-14%.

Среди перспективных солнечных элементов следует отметить гетероструктуры на основе сульфида кадмия, лучшие из которых имеют КПД выше 10%. Ещё один перспективный полупроводниковый материал – арсенид галлия. Он обладает высокой эффективностью по преобразованию лучистой энергии в электрическую с КПД до 27%. Это самый высокий КПД для солнечных фотоэлектрических генераторов. Кроме того, арсенид галлия проявляет стабильность при температурах, превышающих 1000С. Достигнутые значения КПД солнечных элементов из различных элементов приведены

в табл. 1.2.

Таблица 1.2

Энергетические характеристики современных солнечных

элементов

п/п

Солнечный элемент

Максимальный КПД

Экспериментально зафиксированный КПД

1.

2.

3.


4.

5.


Кремний (Si)

Арсенид галлия (GaAs)

Трёхкомпонентные соединения меди (CdS- CuInSi)

Кадмий-теллур (Cd - Te)

Аморфный кремний (L - Si)

Каскадный элемент

(GaAs+Ga Sb)

25

35


17

-
-

23.2

29*


10.5

15.7
37*


* - при концентрированном излучении.
1.3. Энергия ветра и принципы её преобразования


В связи с энергетическим кризисом во многих развитых странах Европы приняты и реализуются крупномасштабные целевые программы освоения нетрадиционных энергоресурсов, в частности, энергии ветра. Ветер является случайным неуправляемым природным процессом, вызванный действием Солнца и вращением Земли. К характерным особенностям ветра, как энергетического источника, относится, прежде всего, его непостоянство, которое обусловлено главным образом большой изменчивостью скоростей. Это приводит к изменению кинетической энергии ветрового потока в больших пределах даже в течение относительно малых промежутков времени. То есть от нулевой энергии при штиле и до, во много раз превышающей расчётной в периоды буревых и ураганных усилий скорости.

Сила и направление ветра в различных зонах по-разному изменяется в зависимости от высоты над поверхностью Земли. Например, в северном полушарии ближе к поверхности Земли (20ч50 м) средняя скорость составляет 7-9 м/c. Скорость ветра, превышающая 25ч30 м/c, может нанести серьёзный ущерб неродному хозяйству и поэтому энергию ветра для её преобразования в механическую или в электрическую энергию эффективно можно использовать при скорости ветра от 3 м/c до 25 м/c.

Энергия воздушного потока с поперечным сечением F равна
Е = m·?2/2 , (Дж) (1.3)
Секундная масса m воздуха, протекающая со скоростью ? через это сечение соответствует
m = ?·F·?, (кг/с) (1.4)
тогда

Е = ?·?3·F/2, (Дж/c) (1.5)
где ? – плотность воздуха, равная для нормальных условий 1,23 кг/м3 (при t = 150C, ? = 101,3 кПа или 760 мм рт.ст). Таким образом, энергия ветра изменяется пропорционально кубу его скорости. Ветроколесо может преобразовать в полезную работу только часть этой энергии, которая оценивается коэффициентом использования энергии ветра. Современные ветродвигатели (ВД) при работе в нормальном режиме преобразуют в механическую работу не более 45–48% кинетической энергии ветрового потока. Для идеального случая по теории И.Е.Жуковского
? = ЕВД / Е, ? = 0,593 (1.6)
то есть часть полной энергии потока, воспринятой ветроколесом, которую ветродвигатель преобразует в механическую энергию.

Удельная мощность (секундная энергия), которая заключена в потоке, имеющем поперечное сечение, равное 1м2 при t = 150C и ? = 101,3 кПа округленно составляет:


Скорость ветра, м/с

4

6

8

10

14

18

22

Мощность потока, кВт/м2

0,04

0,13

0,31

0,61

1,67

3,6

6,25


Секундная работа или мощность, Н·м/с, развиваемая ветроколесом, определяется по формуле:
Р = ?·?3·F·? / 2 (1.7)
Принципы преобразования энергии ветра и ветровые энергоустановки

Воздушный поток, как и любое движущиеся тело, обладает энергией движения, или запасом кинетической энергии. Эта кинетическая энергия с помощью ветроколеса или другого рабочего органа преобразуется в механическую энергию. В зависимости от назначения ветроустановки механическая энергия с помощью исполнительных механизмов (генератора, компрессора, электролизёра и т.д.) может быть преобразована в электрическую, тепловую, механическую энергию, а так же в энергию сжатого воздуха.

Д
ля преобразования кинетической энергии воздушного потока в механическую энергию могут быть использованы ветродвигатели различных типов (рис.1.6-1.9).



Рис.1.6. Карусельный ветродвига- Рис.1.7. Модель карусельного ветродви-

тель, 1- шторка гателя, 1- вертикальная ось, 2- горизонтальные планки, 3 - поварачивающие лопасти, 4 - ось лопасти




Рис.1.8. Ветродвигатель карусельного и барабанного типов
Для преобразования кинетической энергии воздушного потока в механическую энергию используватся ветродивигатели различных типов (рис. 1.6-1.9). Для преобразования кинетической энергии в электрическую используются ветроэнергетические установки. например, типа “Whisper”, “Aero- Cruft”.




Рис.1.9. Ветродвигатель (роторный), система Дарье, 1- лопасти, 2- вал
Основным механизмом, который преобразует энергию ветра в электричество является ветротурбина. Она состоит гораздо большего числа деталей, чем другие виды турбин. Ветер вращает лопасти прикрепленные ко втулке, которая вращается вмести сними. Таким образом, лопасти и втулка вмести образуют ротор. Генератор вращается и вырабатывает электричество. Есть даже контроллер, который запускает и останавливает лопасти турбины, Генератор, контроллер и другие устройства находятся в футляре за лопастями. Анемометр определяет скорость ветра и передает эту информацию в контроллер.

Ветряки начинают вращаться, когда ветер достигает скорости 15-23 кмчас и автоматически останавливаются, когда она превышает 100 кмчас, чтобы предохранить механизм от повреждений. Некоторые модели ветряков вращаются с постоянной скоростью независимо от силы ветра. Скорость некоторых новых моделей ветряков меняется вместе со скоростью ветра, делая их более эффективными.

В основном у ветряков 2 или 3 веерообразные лопасти. Небольшие турбины вырабатывают менее 100 кВт. Они могут использоваться в дополнение фотоэлектрическим панелям. Лопасти такого «домашнего» ветряка имеют размер 2-8 м и располагаются на высоте около 40 метров и он может обеспечить энергией малое предприятие.

Среди больших ветряков наиболее распространенными являются турбины мощностью от 750 кВт до 2 МВт, которые также располагаются ветряных электростанциях.

Мощные мегаваттные турбины имеют гигантские размеры. Новые модели способны производить от 2 до 5 МВт. Их обычно устанавливают недалеко от берега в воде так, чтобы высокий морской ветер мог вращать их. Эти ветряки уже используются такими странами, как Великобритания, Германия, Дания и Нидерланды. В планы Великобритании входит построение 18-ти ветряных электростанций в своих прибрежных районах.
1.4. Трансформаторы
Трансформатором называется статический электромагнитный аппарат, преобразующий электрическую энергию переменного тока с одними параметрами в электрическую энергию переменного тока с другими параметрами. Меняющимися параметрами могут быть: ток, напряжение, число фаз, форма кривой напряжения (в специальных трансформаторах - частота).

В устройствах электропитания трансформатор чаще всего применяется для преобразования переменного напряжения одной величины в переменное напряжение другой величины. По мощности трансформаторы бывают силовыми (на мощность от единиц кВА до сотен кВА) и маломощными (от единиц ВА до единиц кВА). Маломощные трансформаторы применяются в аппаратуре связи и радиоаппаратуре в качестве согласующих или разделительных трансформаторов или для преобразования напряжения или тока. Силовые трансформаторы применяются в цепях питания радиопредприятий и предприятий проводной связи.

Трансформатор - это аппарат переменного тока и на постоянном токе не работает!

Любой трансформатор состоит из двух основных элементов - замкнутого стального сердечника и обмоток, намотанных медным проводом. Сердечник трансформатора делается из пластин специальной электротехнической стали. Толщина этих пластин зависит от рабочей частоты трансформатора, чем больше частота, тем тоньше пластины. По форме сердечника и способу расположения на нём обмоток трансформаторы бывают стержневые, броневые (Ш-образные), ториодальные и ленточные разрезные. По схемному исполнению (т.е. по числу обмоток) трансформаторы бывают одно-, двух- и многообмоточные. Обмотка, включённая в сеть источника электрической энергии, называется первичной, а обмотка, включённая в сеть приёмника энергии (потребителя), называется вторичной. Первичная обмотку трансформатора есть только одна, а вторичных может быть несколько. Однообмоточный трансформатор называется автотрансформатором (пример - бытовой трансформатор в стабилизаторе для ТВ). У него вторичной обмоткой служат отпайки от первичной обмотки. В нём между первичной и вторичной сторонами есть и магнитная и электрическая связь. Двухобмоточный трансформатор имеет одну первичную и одну вторичную обмотки. Они электрически изолированы друг от друга. Многообмоточный трансформатор имеет одну первичную и несколько вторичных обмоток, причём все обмотки электрически не связаны между собой.

По рабочей частоте трансформаторы условно можно разделить на трансформаторы:

По числу фаз трансформаторы бывают однофазные (рис. 1.10) и многофазные (трёхфазные, шестифазные и т.д.). Число фаз первичной обмотки определяется числом фаз источника электрической энергии, а число фаз вторичной обмотки определяется назначением трансформатора в схеме. По напряжению трансформаторы бывают низковольтные (напряжение любой его обмотки меньше 1000 В) и высоковольтные (напряжение хотя бы одной выше 1000 В).



Конструкция трансформаторов


­Основными частями трансформатора являются стальной замкнутый сердечник (магнитопровод) и намотанные на нём обмотки. Сердечники бывают: стержневыми, броневыми, тореоидальными, ленточными разрезными (рис. 1.11).



ленточный разрезной


Те части сердечника, на которые одеваются обмотки, называются стержнями, а те части, которые служат для замыкания магнитной цепи и не несут обмоток, называются ярмом (рис. 1.12). В стержневых однофазных трансформаторах обмотки одеваются на оба стержня (половина каждой обмотки на один и половина на другой). В броневых (Ш - образных) однофазных трансформаторах обе обмотки одеваются на средний стержень, а в трёхфазных первичная и вторичная обмотка каждой фазы одевается на свой стержень. Тореодальные трансформаторы делаются только однофазными и малой мощности. Материалом сердечников служат пластины специальной электротехнической (трансформаторной) листовой стали марок Э-41, 42 и т.д. Толщина листов зависит от частоты трансформатора. Для трансформаторов, работающих на частоте f=50 Гц, используются листы стали толщиной 0,5 или 0,35 мм, а для трансформаторов, работающих на более высоких частотах, используются листы стали толщиной от 0,2 до 0,08 мм.



Так как трансформаторы работают на переменном токе, то в стальных сердечниках наводятся вихревые токи (токи Фуко), которые ведут к потерям энергии в стали трансформатора. Чтобы уменьшить эти потери сердечники делают не цельнометаллическими, а набирают из тонких пластин, причём эти пластины с одной стороны покрывают слоем лака (или наклеивают тонкую бумагу), чтобы изолировать их друг от друга.


Стержневые сердечники собираются из отдельных пластин прямоугольной формы.

Броневые сердечники набирают из штампованных Ш-образных пластин. Торроидальные сердечники делают для маломощных трансформаторов (десятки Вт) повышенной частоты. Ленточные разрезные по форме подобны броневым.

По коэффициенту трансформации напряжения трансформаторы делят на понижающие и повышающие.

Принцип действия трансформаторов


Рассмотрим его на примере двухобмоточного стержневого трансформатора (рис. 1.13)

Принцип действия трансформатора основан на электромагнитном взаимодействии двух или нескольких электрически не связанных между собой и неподвижных обмоток. Обмотки характеризуются числом витков W1 и W2.

Для трансформатора существуют три режима работы: холостой ход, рабочий режим и короткое замыкание. Рассмотрим последовательно – эти режимы.



1.13. Принцип действия трансформатора


1.5. Режимы работы трансформатора
Холостой ход трансформатора

Холостой ход - такой режим работы трансформатора, когда первичная обмотка подключена к источнику переменного тока, а вторичная - разомкнута, т.е. ток вторичной обмотки равен нулю. Предположим, что напряжение U1 изменяется по синусоидальному закону. Под его действием по первичной обмотке (с числом витков W1) протекает синусоидальный ток I1 = I0, равный току холостого хода. Величина тока I0 зависит от мощности трансформатора; в трансформаторах малой мощности (десятки ВА) он достигает 25-30% от номинального значения тока I1, а в трансформаторах большой мощности – от 3 до 10% от него. Под действием I1 возникает намагничивающая сила F0=I0W1, которая создаёт в трансформаторе магнитный поток Ф. Большая часть его замыкается по сердечнику трансформатора и образует основной магнитный поток Ф0, пронизывающий все витки первичной обмотки (с числом витков W1) и вторичной обмотки (с числом витков W2). Небольшая часть потока Ф замыкается по воздуху вокруг первичной обмотки и образует поток рассеяния Ф1s сцеплённый только с первичной обмоткой W1.

Этот поток Ф1s индуктирует в первичной обмотке ЭДС рассеяния
. (1.8)
А основной магнитный поток Ф0 индуктирует в первичной и вторичной обмотках ЭДС

(1.9)

(1.10)
Если считать поток Ф0 синусоидальным, т.е. Ф00msint, то индуктируемые ЭДС согласно (1) и (2) запишутся следующим образом:
е1 = - W10m cos ?t=?W1 Ф0m sin (t -?/2) (1.11)
e2 = - W20m cos ?t=?W2 Ф0m sin (t -?/2), (1.12)

где ?W1Ф0m = E1m, ?W2Ф0m = E2m.

То есть е1 и е2 тоже меняются по синусоидальному закону, но отстают по фазе от Ф0 на угол ?/2. На практике принято оперировать не мгновенными, а действующими значениями ЭДС, они определяются по формуле:
(1.13)
, (1.14)
аналогично (1.15)
Из (1.9) и (1.10) видно, что ЭДС первичной и вторичной обмоток прямо пропорциональны числу витков этих обмоток, т.е. чем больше будет число витков, тем больше будет ЭДС обмотки. Трансформатор принято характеризовать отношениями W1/W2 = E1/E2 = n, которое называется коэффициентом трансформации. Он показывает, во сколько раз различаются между собой ЭДС первичной и вторичной обмоток. Обмотка, имеющая большее число витков, называется обмоткой высшего напряжения, а обмотка, имеющая меньшее число витков, называется обмоткой низшего напряжения. Если W1 > W2, то трансформатор называется понижающим, если W1  W2 - повышающим. Так как трансформатор потребляет из сети электрическую мощность, а не создаёт её, то электрическая мощность, взятая из сети S1 = U1I1 всегда больше, либо равна электрической мощности на вторичной стороне трансформатора S2 = U2I2, т.е. S2  S1. Поэтому, чем больше напряжение на обмотке трансформатора, тем меньше в ней может быть ток, т.е.
(1.16)
Е


сли пренебречь потерями энергии в первичной обмотке трансформатора и в сердечнике и считать, что весь созданный магнитный поток Ф замыкается по сердечнику, то ЭДС Е1 по закону Ленца будет равна по величине и противоположна по знаку приложенному напряжению U1, то есть –Й11. Но на практике нельзя пренебрегать потерями мощности в сердечнике и рассеянием магнитного потока. Поэтому в реальном трансформаторе ток холостого хода I0 имеет две составляющие - активную I0a, которая тратиться на потери мощности в сердечнике трансформатора (на гистерезис и вихревые токи) и реактивную I0p, которая тратится на создание в сердечнике основного магнитного потока Ф0, то есть:
İ0 = İ0a + İ0p (1.17)
Кроме того, первичная обмотка реального трансформатора обладает активным сопротивлением r1, на котором под действием тока İ0 будет падать напряжение Ū0a=İ0r1. Кроме того, из-за наличия потока рассеяния Ф1s в первичной обмотке наводится ЭДС рассеяния Ė1s = - jx1İ0 , где х1 - фиктивное сопротивление, называемое индуктивным сопротивлением рассеяния первичной обмотки. По второму закону Кирхгофа приложенное напряжение Ъ1 должно уравновешиваться геометрической суммой всех падений напряжения в первичной цепи трансформатора, т.е.


Ū1= -Ė11s + İ0r1 = -Ė1+r1İ0 + jx1İ0 и Ū2 = Ė2 (1.18)


На основании полученного соотношения можно построить векторную диаграмму трансформатора в режиме холостого хода (рис1.14). Построение векторной диаграммы начнём с откладывания вектора магнитного потока Ф0 в горизонтальном направлении. Так как мы рассматриваем случай синусоидального идеального потока, то индуктируемые им ЭДС Ė1 и Ė2 отстают от потока по фазе на 90 (так как меняются по знаку cos). За положительное направление вращения принимается вращение против часовой стрелки. Реактивная составляющая тока - İ0p совпадает по направлению с Ф0, а активная составляющая İ – опережает Ф0 на 90. İ0 определяется как геометрическая сумма (İ + İ0p). Угол между Ф0 и İ0 называется углом магнитного запаздывания или магнитных потерь и зависит от величины потерь в стали сердечника. Вектор потока рассеяния Ф1s совпадает по направлению с İ0, а Ė1s отстаёт от него на 90. Далее пользуемся уравнением (1.18).

От точки 0 откладываем вектор –Ė1, к его концу пристраиваем вектор İ0r1 параллельный вектору İ0, а к концу его пристраиваем вектор –Ė1s=jx1İ0. Затем проводим вектор Ū1 от точки 0 до конца вектора – Ė1s. Из векторной диаграммы видно, что режиме холостого хода векторы Ė1 и Ė2 сдвинуты относительно Ū1 на угол близкий к 180. В (1.18) можно обозначить r1 + jx1 = z1 , тогда

Ū1= - Ė1+z1İ0 (1.19)
Модуль этого комплексного сопротивления z1= - полное сопротивление первичной обмотки. В (1.19) можно заменить -Ė 1 = İ0z0, где z0 – полное сопротивление, вносимое стальным сердечником, причём, так как İ0 отстаёт по фазе от – Ė1, то сопротивление z0 имеет не только активную (r0), но и индуктивную составляющую (х0), т.е. z0 = r0 + jx0.


Энергия, выделяемая в х0 и в r0 затрачивается на создание основного магнитного потока в сердечнике и на покрытие возникающих в нём потерь. С учётом этого (1.19) преобразуется в равенство вида Ū10z10z00(z1+z0). На основании этого уравнения строится эквивалентная схема замещения трансформатора в режиме холостого хода (рис.1.15).


Рис.1.15. Схема опыта холостого хода и её эквивалентная

схема


Для определения параметров трансформатора делается опыт холостого хода. Так у большинства трансформаторов в режиме холостого хода потери в первичной обмотке малы, а во вторичной - равны 0, то можно считать, что Ė1  Ū1, а Ė2 = Ū2. Таким образом, режим холостого хода трансформатора позволяет определить коэффициент трансформации nU1/U2, потери в стали (иначе потери холостого хода или постоянные потери) и входное сопротивление при холостом ходе z0 и z1.

Ū1= -Ė1 + Ės1 + Ė1 + I0r1 = -Ė1 + r0I0 + jxI0

Ū2 = E2

r1? jx1=z1

Ū1= -Ė1 + Ės1

Ū1= -Ė1 + z1I0

z1=- полное сопротивление.
Рабочий режим трансформатора

Если к вторичной обмотке трансформатора подключить нагрузку, то трансформатор будет работать в рабочем режиме (рис.1.16). В этом режиме физические процессы в трансформаторе зависят от характера нагрузки. Будем рассматривать два основных случая активно-индуктивной и активно - ёмкостной нагрузки.



Если к первичной обмотке подвести напряжение Ū1, а вторичную замкнуть на нагрузку, то по обеим обмоткам потекут токи İ1 и İ2 соответственно. Они наведут в трансформаторе магнитные потоки Ф1s и Ф2s, которые большей частью замкнутся по сердечнику трансформатора, а небольшая их часть замыкается по воздуху вокруг обмоток, образуя потоки рассеяния Ф1 и Ф2. Эти потоки наведут в трансформаторе в обмотках трансформатора ЭДС рассеяния Ė1s и Ė2s ,которые тратятся на индуктивные сопротивления рассеяния х1 и х2, первичной и вторичной обмоток, то есть
Ė1s=-jİ1x1 (1.20)
Ė2s=-jİ2x2 (1.21)
В этом случае уравнения равновесия для нагруженного трансформатора будут иметь вид


Ū1=-Ė11s1r1= -Ė1+jİ1x11r1 (1.22)

Ū222s2r22-jİ2x22r2 (1.23)


Так как причиной появления потока Ф2 служит поток Ф1, то по закону Ленца они направлены встречно, то есть в сердечнике трансформатора появляется суммарный результирующий поток, который и служит источником ЭДС Ė1 и Ė2. Если ток нагрузки İ2 увеличится, то Ф2 - возрастёт, тогда Ф - уменьшится, а значит Ė1 и Ė2 тоже уменьшится. Из уравнения (1.22) видно, что для сохранения равенства при уменьшении Ė1 должен увеличится İ1, а это увеличит поток Ф1 и суммарный поток Ф. Причём İ1 будет увеличиваться до тех пор, пока не скомпенсирует размагничивающее действие потока Ф2, то есть восстановится величина Ф. Если İ2 начнёт уменьшаться (вплоть до 0), то Ф будет расти, и соответственно, возрастут Ė1 и Ė2. Но при росте Ė1 (из равенства (1.22)) начинает уменьшаться İ1, то есть Ф1 и соответственно, поток Ф станет равным Ф0. Таким образом, суммарный магнитный поток в трансформаторе практически остаётся неизменным в широких пределах изменения нагрузки и равным потоку холостого хода, то есть
Фхх = Ф12 = Ф0 (1.24)
Это значит, что намагничивающая сила, создающая этот поток тоже будет неизменной, а она определяется формулой F0 = İ01, F0 -намагничивающая сила холостого хода трансформатора.

При работе трансформатора под нагрузкой в его магнитопроводе действует два потока Ф1 и Ф2, созданные намагничивающей силой первичной и вторичной обмоток, причём F11W1, a F22W2. Тогда суммарная намагничивающая сила Fн = F1+F2= İ1W1+ İ2W2.

Так как суммарная намагничивающая сила Fн =F0, то можно записать, что


İ0W1= İ 1W1+ İ 2W2 (1.25)


Это уравнение называется уравнением равновесия намагничивающих сил. Таким образом, при работе трансформатора под нагрузкой подразумеваем два электрически независимых контура первичной и вторичной сети, описываемые уравнениями (1.22) и (1.23). На основании их можно построить векторную диаграмму и эквивалентную схему трансформатора. Но при этом необходимо сравнивать величины, относящиеся к первичной и вторичной цепям. Если коэффициент трансформации n1 (не равен 1), то эти величины будут различными. Для удобства построения векторных диаграмм и эквивалентных схем принято вторичную обмотку трансформатора приводить к первичной, то есть условно считать, что есть обмотка с числом витков, равным числу витков первичной обмотки, тогда E’2=E1= nE2=E2 (W2/W1).

Уравнение (1.25) можно разделить на W1, и тогда оно примет вид I0=I1+I2W1/W2, а I2=W2/W1 =1/n I2 = I?2, приведённый к первичной цепи. В этом случае электромагнитную связь между обмотками можно заменить чисто электрической. Тогда можно найти полное, активное и индуктивное сопротивление трансформатора. Построение векторной диаграммы начинаем с вектора Ф0.

Построим векторную диаграмму для случая активно-индуктивной нагрузки. Затем откладываем вектора İ0 и Ė1 = Ė2. Затем ищем вектор İ1, который согласно (1.25) равен İ10-İ .При активно - индуктивной нагрузке İ2 отстаёт от вектора Ė2 на некоторый угол ЭДС рассеяния Ė2s, приведенная к первичной сети отстаёт от İ2 на 90. При приведении параметров вторичной цепи к первичной соблюдается условие, чтобы все потери мощности и фазовые углы между электрическими величинами оставались после приведения неизменными. Активное сопротивление приведённой вторичной обмотки определяется из условия I22r2 = (I2)2 r2 =(I2/n)2r. Откуда r2=n2r2. Индуктивное сопротивление обмотки пропорционально квадрату числа витков, откуда x2 =W1/W2 x2 = n2 x2 .

Уравнение равновесия для первичной обмотки запишется в виде


Ūk= -Ė1 +jx1İ11r1 (1.26)






То есть переносим I1= -I’2 и строим диаграмму (рис.1.17).

ЭДС Ė1s отстаёт от потока, её вызвавшего, на 90, а этот поток направлен по направлению İ1. Определим Ū2, для этого, согласно (1.23) вектор Ė2 сложим с Ė2s и вычтем из них İ2r2.




Рис. 1.17. Векторная диаграмма трансформатора в режиме нагрузки
Зная направление İ1, согласно (1.22) откладываем вектор Ė1, складываем его с İ1r1, затем вычитаем Ė1s и получим Ū1. Из векторной диаграммы видно, что величина вторичного напряжения Ū2 зависит от тока нагрузки İ2 и от характера нагрузки (то есть ). При активно-индуктивной нагрузке Ū2 по абсолютной величине меньше ЭДС Ė2 (Ū2 <Ė2), а при активно-ёмкостной нагрузке Ū2 > Ė2 , то есть напряжение Ū2 повышается.

Эквивалентную схему нагруженного трансформатора можно построить, анализируя основные уравнения равновесия (рис.1.18). Запишем их в виде:


Ū1 = -Ė1+ İ1z1

(1.27)


Ū2 = Ė2 - İ2z2,

(1.28)


где z1 и z2 полные сопротивления первичной и приведённой вторичной обмоток.

Обозначим Ė1 = Ė2 = -İ0z0, где İ0 - вектор тока холостого хода, z0 - полное сопротивление намагничивающего контура. Напряжение вторичной обмотки трансформатора при нагрузке равно Ū2=İ2Zн, где Zн=n2Zн - полное приведённое сопротивление внешней нагрузки. Из уравнения равновесия имеем, что İ201.Тогда уравнение равновесия ЭДС для вторичной обмотки трансформатора примет вид
01)∙Zн = -İ0∙z0 + (İ10)∙Z2, (1.29)
тогда ток холостого хода
(Z2+Zн)/(Z0+Z2+Zн)I0=I1. (1.30)


Подставим значение его в (1.27) и получим выражение вида


Ū1 = İ0∙z0 + İ1∙z1 = İ1∙z1 + z0∙(Z0+Z2+Zн)/(Z2+Zн), (1.31)


тогда эквивалентное сопротивление трансформатора под нагрузкой имеет вид
Zэ = Z1 + Z0∙(Z2+Zн)/(Z0+Z2+Zн), (1.32)


то есть состоит из двух последовательно сопротивлений, где z1 - полное сопротивление первичной обмотки, а второе слагаемое – параллельное включение z0 - (намагничивание контура) и полного сопротивления вторичной цепи (то есть последовательного включения полного сопротивления вторичной обмотки и нагрузки трансформатора).

Короткое замыкание трансформатора
Короткое замыкание трансформатора имеет место, если вторичную обмотку замкнуть накоротко, а первичная будет включена в сеть. В эксплуатационных условиях короткое замыкание является аварийным режимом и сопровождается очень большими бросками тока. При этом сильно нагреваются обмотки, и на них действуют большие механические усилия, деформирующие обмотки.

Но для трансформаторов делается опыт короткого замыкания. Он делается для определения параметров трансформатора при любой нагрузке. В этом опыте вторичная обмотка замкнута накоротко, а к первичной подводят пониженное напряжение Uk, при котором в обмотках трансформатора появляются номинальные токи. Это номинальное напряжение называется напряжением короткого замыкания и измеряется в % от номинального, то есть
(1.33)
Согласно действующему стандарту, . Так как значение Uk очень мало, то намагничивающий ток I0 и соответственно магнитный поток Ф0 незначительны, то есть I0k  0, при этом намагничивающая сила первичной обмотки тратится на компенсацию намагничивающей силы вторичной обмотки. Если пренебречь намагничивающим током (то есть İ0k =0), то уравнение магнитного равновесия примет вид İ1W1 + İ2W2 = 0, и если считать трансформатор приведённым, то İ1 = -İ2.

Уравнение равновесия вторичной обмотки примет вид


Ū2=Ė2-İ2z2=0 (1.34)

то есть

Ė2= İ2(r2+jx2) (1.35)


Ток İ2, протекающий по вторичной обмотке, отстаёт от Ė2 на угол , который определяется из условия, что
–X2/r2 tg = ?/2 (1.36)


Можно построить векторную диаграмму трансформатора в режиме короткого замыкания (рис. 1.19). Отложим по оси абсцисс вектор потока Фmкз, от него на отстают вектора Ė1=Ė?2, от Е2 отстаёт на угол  вектор İ2, причём
Ė2 = İ2r2 + jx2 İ2 (1.37)
Эквивалентная схема трансформатора при коротком замыкании строится из следующих соображений: из (1.37) следует, что
Ė1= -Ė’2= -(İ’2r’2+jİ’2x’2), (1.38)

тогда

Ūk1r1+jx1İ1-İ’2r2-jx2İ’21(r1+jx1+r’2+jx’2). (1.39)



Рис. 1.19. Векторная диаграмма трансформатора в режиме короткого замыкании


Так как I0=0, то z0=, а zн=0, тогда эквивалентная схема примет вид

(рис. 1.20):

Сопротивление трансформатора короткому замыканию zk=r1+jx1+r2+jx2, откуда определим активную и индуктивную составляющие сопротивления трансформатора при коротком замыкании
rk=r1+r2, xk=x1+x2,
Эти сопротивления определяют потери в обмотках трансформатора и называются потерями в меди трансформатора Рм, так как при коротком замыкании текут номинальные токи I1 и I2, а вся мощность трансформатора тратится на нагрев обмоток, так как I0=0, Ф0=0, то есть потери в стали равны нулю.
  1   2   3   4   5   6   7   8   9   10


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