Курс лекций по электротехнике часть 2.doc

ТЕМА II ТРЕХФАЗНЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЦЕПИ
Лекция 7. Общие сведения о трехфазных линейных электрических цепях
ТЕМА III
МАГНИТНЫЕ ЦЕПИ И ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ АППАРАТЫ
Лекция 8. Основы теории магнетизма
Лекция 9. Электромагнитные устройства
Лекция 10. Трансформаторы
Лекция 10. Трансформаторы
Лекция 11. Режим работы трансформаторовТЕМА II ТРЕХФАЗНЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЦЕПИ
Лекция 7. Общие сведения о трехфазных линейных электрических цепях
ТЕМА III
МАГНИТНЫЕ ЦЕПИ И ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ АППАРАТЫ
Лекция 8. Основы теории магнетизма
Лекция 9. Электромагнитные устройства
Лекция 10. Трансформаторы
Лекция 10. Трансформаторы
Лекция 11. Режим работы трансформаторов

В современных энергетических системах генерирование и передача больших потоков энергии осуществляется трехфазными цепями (системами). Широкое их распространение объясняется, главным образом, тремя основными причинами:
а) передача энергии на дальние расстояния трехфазным током экономически более выгодна, чем переменным током с иным числом фаз;
б) элементы трехфазной системы — трехфазный асинхронный двигатель и трехфазный трансформатор — весьма просты в производстве, экономичны и надежны в работе;
в) трехфазная система обладает свойством неизменности величины мгновенной мощности за период синусоидального тока в том случае, если нагрузка во всех трех фазах трехфазного генератора одинакова.
Трехфазная система была изобретена и разработана во всех деталях, включая трехфазные трансформатор и асинхронный двигатель, выдающимися русским инженером М.О. Доливо-Добровольским в 1891 году.

1.Схемы соединения трехфазных цепей
Под трехфазной симметричной системой ЭДС понимают совокупность трех синусоидальных ЭДС одинаковой частоты и амплитуды, сдвинутых по фазе на 1200.
График их мгновенных значений представлен на рис. 7.1., векторная диаграмма — на рис. 7.2.

Трехфазную систему э.д.с. получают при помощи трехфазного генератора, в пазах статора которого размещены три электрически изолированные друг от друга обмотки — фазные обмотки генератора. Плоскости обмоток смещены в пространстве на 1200. При вращении ротора генератора в обмотках наводятся синусоидальные э.д.с. одинаковые по амплитуде, но сдвинутые по фазе на 1200.
Чтобы отличить три э.д.с. трехфазного генератора друг от друга, их обозначают соответствующим образом. Если одну э.д.с. обозначить , а опережающая на 1200 —
На электрической схеме трехфазный генератор изображают в виде трех обмоток, расположенных друг к другу под углом 1200.
При соединении \»звездой\» одноименные зажимы (например, концы) трех обмоток объединяются в один узел, который называют нулевой точкой генератора и обозначают буквой 0 (рис. 7.3). Начала обмоток генератора обозначают буквами А, В, С.
При соединении обмоток генератора \»треугольником\» конец первой обмотки генератора соединяется с началом второй, конец второй — с началом третьей, конец третьей — с началом первой (рис.7.4).

Геометрическая сумма э.д.с. в треугольнике равна нулю. Поэтому, если в зажимам А, В, С не присоединена нагрузка, то по обмоткам генератора не будет протекать ток.
Совокупность трехфазной системы ЭДС и трехфазной нагрузки (или нагрузок и соединительных проводов) называют трехфазной цепью.
Токи, протекающие по отдельным участкам трехфазной цепи, сдвинуты относительно друг друга по фазе. Под фазой трехфазной цепи понимают участок цепи, по которому протекает один и тот же ток. Таким образом, в зависимости от рассматриваемого вопроса, фаза — это либо участок трехфазной цепи, либо аргумент синусоидально изменяющейся величины. Три обмотки генератора должны быть соединены с нагрузкой. Существуют различные способы соединения обмоток. Самым неэкономичным способом было бы соединение каждой обмотки генератора с нагрузкой двумя проводами, на что потребовалось бы шесть соединительных проводов. В целях экономии обмотки трехфазного генератора соединяют в \»звезду\» или \»треугольник\», вследствие чего количество соединительных проводов от генератора к нагрузке уменьшается с шести до трех или до четырех.
Рассмотрим способы соединения трехфазного генератора с трехфазной нагрузкой.
Схема соединения \»звезда\» — \»звезда\» с нулевым проводом представлена на рис. 7.5.
Узел, который образуют три конца трехфазной нагрузки при соединении ее \»звездой\», называют нулевой точкой нагрузки и обозначают 0\’.
Провод, соединяющий нулевые точки генератора и нагрузки, называют нулевым (нейтральным). Ток нулевого провода обозначают I0, положительное направление тока — от узла 0\’ к узлу 0. Провода, соединяющие зажимы А, В, С генератора с нагрузкой, называют линейными проводами. Текущие по линейным проводам токи называют линейными, их обозначают IA, IB, IC. Условимся за положительное направление для них принимать направление от генератора к нагрузке. Модули линейных токов часто обозначают IЛ, не указывая никакого дополнительного индекса. Такое обозначение применяется часто тогда, когда линейные токи по модулю одинаковы. Напряжение между линейными проводами называют линейным напряжением и обозначают при помощи двух индексов, например UAB. Модуль линейного напряжения обозначают UЛ.
Каждую из трех обмоток генератора называют фазой генератора. Каждую из трех нагрузок называют фазой нагрузки. Протекающие по ним токи называют фазовыми токами IФ, а напряжения на них — фазовыми или фазными напряжениями UФ.
Схему на рис.7.6 называют \»звезда — звезда\» без нулевого провода; на рис.7.7. — \»звезда — треугольник\»; на рис. 7.8. — \»треугольник — треугольник\», на рис. 7.9. — \»треугольник — звезда\».

2.Соотношение между линейными и фазовыми напряжениями и токами
При соединении генератора в \»звезду\» (рис. 7.5, 7.6, 7.7) линейное напряжение по модулю в раз больше фазового напряжения генератора (Uф генератора). Это следует из того, что UЛ есть основание равнобедренного треугольника с острыми углами по 300 (рис. 7.10):
(7.1)

Рис. 7.10
Линейный ток IЛ при соединении генератора в \»звезду\» равен фазовому току генератора:
(7.2)
При соединении генератора в \»треугольник\» линейное напряжение равно фазовому напряжению генератора (рис. 7.8; 7.9):
(7.3)
При соединении нагрузки в \»звезду\» (рис. 7.5; 7.6;.7.9) соответствующий линейный ток равен соответствующему фазовому току нагрузки:

При соединении нагрузки \»треугольником\» токи в сторонах треугольника также снабжают двумя индексами. Положительные направления токов выбирают по часовой стрелке. Индексы у токов соответствуют выбранным для них положительных направлениям. Первый индекс соответствует узлу, из которого ток вытекает, второй — узлу, в который ток втекает.
При соединении нагрузки в \»треугольник\» (рис. 7.7; 7.8) линейные токи не равны фазовым токам нагрузки и определяются через них по первому закону Кирхгофа:
(7.4)
В случае симметричной нагрузки сумма фазных токов в нагрузке равна нулю. Линейный ток определяется как основание равнобедренного треугольника (рис.7.11):
(7.5)

ТЕМА III
МАГНИТНЫЕ ЦЕПИ И ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ АППАРАТЫ
Лекция 8. Основы теории магнетизма
Нагрузкой электрических цепей, в общем случае, являются электромагнитные устройства. Их работа основана на использовании электромагнитного поля.
К электромагнитным устройствам относятся трансформаторы, генераторы, электродвигатели, преобразователи, электроизмерительные приборы, реле, муфты и другие.
Разработанная теория магнитного поля позволяет не только понять механизм действия магнитного поля, но и рассчитать электромагнитные устройства. Рассмотрим ее основы.

1.Основные физические величины и соотношения
Основные физические величины, описывающие магнитное поле, известны из курса физики. К ним относятся: магнитная индукция, магнитный поток, намагниченность, напряженность магнитного поля, магнитная проницаемость.
Магнитная индукция В определяется силой, испытываемой единичным зарядом Q, движущимся в магнитном поле со скоростью V:
(8.1)
Магнитная индукция измеряется в теслах [Тл].
Магнитный поток Ф — это поток вектора магнитной индукции через площадь S:
(8.2)
В однородном магнитном поле, перпендикулярном площади S, магнитный поток
(8.3)
Магнитный поток измеряется в веберах [Вб]:

Намагниченность есть магнитный момент единицы объема вещества:
(8.4)
где m — вектор магнитного момента элементарного контура:

Напряженность магнитного поля Н связана с В и М зависимостью
(8.5)
где — магнитная постоянная:

Намагниченность и напряженность магнитного поля измеряется в А/М.
Для ферромагнитных материалов
(8.6)
где — относительная магнитная проницаемость.
Воздействие магнитного поля бывает двух видов:
1)индуктивное воздействие.
В этом случае в перемещаемом в магнитном поле проводнике возникает электродвижущая сила э.д.с. Если же это поле переменное, то э.д.с. возникает в неподвижном проводнике.
2)электромагнитное воздействие.
В этом случае на проводник с током в магнитном поле действует сила со стороны поля.

2.Характеристика магнитных свойств ферромагнитных материалов
Ферромагнитные материалы характеризуют зависимостью магнитной индукции от напряженности магнитного поля

Эта зависимость устанавливается опытным путем. На рис. 8.1. приведено ферромагнитное кольцо с обмоткой в виде витков провода. Если увеличивать ток в витках, то Н и В будут возрастать от нулевых значений по кривой начальной намагниченности (рис.8.2). Участок оа кривой есть начальная область, аб — область интенсивного намагничивания, бв — колено кривой, вг — участок насыщения, на котором намагниченность постоянная, М = const.
Отношение есть абсолютная магнитная проницаемость.

Относительная магнитная проницаемость зависит от Н и может изменяться от единиц до десятков тысяч. Она показывает, во сколько раз магнитная проницаемость материала больше магнитной проницаемости вакуума.
Намагничивание сопровождается отставанием изменения В от Н. Это обусловлено внутренним трением между границами областей самопроизвольного намагничивания и потерей энергии. Поэтому при циклическом изменении Н зависимость В=f(H) приобретает вид петли гистерезиса (рис.8.3). На рисунке Вr — остаточная намагниченность, НС- коэрцитивная сила. Площадь петли гистерезиса пропорциональна энергии, выделяющейся в единице объема ферромагнитного материала за один цикл перемагничивания.
Ферромагнитные материалы бывают магнитотвердые и магнитомягкие. Магнитомягкие используются для изготовления магнитопроводов. К таким материалам относятся:
-технически чистое железо,
-листовая электротехническая сталь (железокремнистая),
-железоникелевые стали (пермаллой).
Кривые намагничивания этих материалов приведены на рис.8.4.
График кривой намагничивания используется для выбора материалов при расчете электромагнитных устройств.

3.Магнитные цепи
Практическим результатом теории магнитного поля является математический аппарат и методы расчета электромагнитных устройств. Любое электромагнитное устройство состоит из намагничивающих элементов (катушек, постоянных магнитов) и магнитопровода. Расчет заключается в определении материалов и геометрических размеров магнитопровода, тока катушки, числа ее витков и ее размеров. Намагничивающая катушка создает магнитное поле в магнитопроводе и в окружающем пространстве. Так как ферромагнитных материалов много больше , то основная часть линий магнитного поля проходит по магнитопроводу.
Совокупность ферромагнитных тел и сред, по которым замыкается магнитный поток, называется магнитной цепью.
При анализе магнитных цепей допускаются следующие упрощения:
1.Магнитное поле изображается распределением магнитных силовых линий в магнитопроводе. Если поле равномерно распределено по сечению магнитопровода, то его изображают параллельными линиями.
2.Магнитная индукция и напряженность считаются равномерно распределенными по объему магнитопровода.
3.Магнитный поток считается сосредоточенным только в магнитопроводе.
Магнитные цепи делятся на однородные и неоднородные, разветвленные и неразветвленные. Однородная магнитная цепь приведена на рис.8.1. Это замкнутый магнитопровод с равномерной обмоткой. Каждый виток обмотки создает линии магнитной индукции, которые замыкаются по магнитопроводу. Совокупность витков создает общий магнитный поток.
На практике широко применяются неоднородные магнитные цепи. В таких цепях обмотка сосредоточена в одном месте, а магнитопровод имеет участки с различной магнитной проницаемостью (рис. 8.5).

С учетом перечисленных упрощений считается, что весь магнитный поток Ф проходит по магнитопроводу. Он постоянный как в ферромагнитном материале, так и в воздушном зазоре. Площадь воздушного зазора равна площади сечения ферромагнитного материала. Поэтому и магнитная индукция В = Ф/S также постоянна. Однако напряженность магнитного поля Н в ферромагнитном материале и воздушном зазоре различна. Поэтому такая цепь называется неоднородной.
Примерами разветвленных магнитных цепей могут служить цепи электрических машин, трансформаторов, поляризованных реле.

4.Анализ магнитных цепей постоянного тока
Суть анализа сводится к определению основных параметров магнитных цепей: Н, Ф, В, I, S. При этом пользуются понятиями магнитодвижущей силы, закона полного тока, магнитного напряжения и магнитного сопротивления .
Если по намагничивающей обмотке протекает ток I, то магнитодвижущей силой обмотки F называют произведение величины тока на число витков:
(8.7)
Связь между магнитодвижущей силой F и напряженностью магнитного поля Н устанавливает закон полного тока:
(8.8)
При анализе магнитных цепей пользуются значением средней линии магнитопровода, поэтому
(8.9)
Произведение
(8.10)
называют магнитным напряжением участка цепи длиной ав.
Если магнитная цепь содержит два неоднородных участка длиной и , то

или
(8.11)
Таким образом алгебраическая сумма магнитных напряжений на участках цепи равна магнитодвижущей силе обмотки. Выражение (8.11) представляет собой второй закон Кирхгофа для магнитной цепи.
Аналогично первого закона Кирхгофа является теорема Гауса: поток вектора магнитной индукции через любую замкнутую поверхность равен нулю:
(8.12)
Рассмотрим выражение для магнитногонапряжения

Обозначим выражение

называется магнитным сопротивлением.
Тогда
(8.13)
Равенство (8.13) представляет собой закон Ома для магнитной цепи.
Если основной характеристикой электрической цепи является вольт-амперная характеристика, то для магнитной цепи — это ампер-веберная характеристика — зависимость между магнитным потоком и намагничивающим током (рис.8.6).
На рис. 8.6 — поток в ферромагнитном материале, — поток в воздушном зазоре, результирующий поток.

На практике используется зависимость , так как Н пропорциональна намагничивающему току I, а В пропорциональна магнитному потоку Ф.

5.Особенности физических процессов в магнитных цепях переменного тока
При анализе магнитных цепей переменного тока вводят следующие допущения:
1) магнитное поле рассеяния отсутствует;
2) активное сопротивление обмотки равно нулю.
При таких допущениях можно записать

где
Отсюда следует, что магнитный поток в магнитопроводе переменный и определяется напряжением (воздействием)
(8.14)
Таким образом, закон изменения магнитного потока Ф(t) не зависит от параметров цепи. Это первая особенность магнитных цепей переменного тока. Чтобы определить вторую особенность обратимся к известному выражению

Из него следует, что
(8.15)
Но для простейшей магнитной цепи справедливы уравнения:
;
.
Переменные В(t) и Н(t) связаны по закону динамической петли гистерезиса. Эта связь нелинейна. Значит зависимость (8.15) тоже нелинейна, а индуктивность

переменна. Это вторая особенность.
Индуктивность обмотки магнитопровода непостоянна и зависит от тока цепи, а уравнение
.
нелинейно. Отсюда третья особенность: магнитные цепи являются нелинейными цепями, поэтому при синусоидальном напряжении на обмотке ток в ней оказывается несинусоидальным.
Изменение магнитного потока Ф(t) c частотой приводит к нагреву магнитопровода из-за гистерезиса. Следовательно, в магнитопроводе возникают потери электроэнергии. Их называют магнитными потерями. Это четвертая особенность.

Лекция 9. Электромагнитные устройства
Перечень электромагнитных устройств очень большой. В лекции будут рассмотрены примеры применения теории магнитного поля к построению сварочных трансформаторов, ферромагнитных стабилизаторов, электромагнитных реле.
1.Физические основы построения сварочного трансформатора
Известно, что для неразветвленного магнитопровода с зазором закон полного тока имеет………

Скачать полную версию работы

l-texnicheskie/Курс лекций по электротехнике часть 2.rar