Размещено на http://www.allbest.ru/

ГВУЗ Донецкий национальный технический университет

Конспект лекций

По дисциплине «Электротехника и основы электроники»

для студентов направления подготовки 6.051301 «Химическая технология»

Подготовил: ассистент кафедры

«Электротехника»

Мирошник Д.Н.

Донецк, 2012

Содержание

Лекция 1. Электрические цепи. Общие понятия

Лекция 2. Параллельное и последовательное соединения элементов

Лекция 3. Линейные электрические однофазные цепи переменного тока

Лекция 4. Обособленное включение идеальных элементов в цепь переменного тока

Лекция 5. Последовательное и параллельное соединения r,i,c элементов в цепи переменного тока

Лекция 6. Трехфазные электрические цепи переменного тока

Лекция 7. Трехпроводные схемы включения трехфазного приемника

Лекция 8. Магнитные цепи

Лекция 9. Трансформаторы

Лекция 10. Трансформаторы в трехфазных цепях

Лекция 11. Электрические машины

Лекция 12. Принцип действия ад с к.з. Ротором

Лекция 13. Машины постоянного тока

Лекция 14. Электроника

Лекция 15. Неуправляемые выпрямители

Лекция 16. Управляемые выпрямители. Фильтры

Лекция 1. Электрические цепи. Общие понятия

Совокупность устройств предназначено для генерирования передачи и использование электроэнергии, в процессе которых описывается понятия электродвижущая сила (ЭДС) напряжение и ток называется электрической цепью. В ее состав входят:

1. Источники электроэнергии, в которых разные виды энергии преобразуются в электрическую энергию.

2. Приемник электроэнергии, в которых электрическая энергия преобразуется в другие виды энергии (например, механическую и тепловую)

3. Линии электропередачи, передаёт электрическую энергию от источника к приёмнику на расстоянии

4. Преобразователи электроэнергии преобразовывает её из одного вида в другой (например, трансформаторы)

5. Элементы контроля и защиты.

Электрической схемой - называется графическое изображения электрической цепи с целью её монтажа и определение параметров.

Приёмники электроэнергии.

а) идеальные резистивные элементы (резистор)

R [Ом, кОм, МОм]

Он отображает безвозвратное преобразование электроэнергии в тепло (нагреватели, лампы накаливания, проводники)

б) идеальный индуктивный элемент

L[Гн, мГн, мкГн]

Отображает способность создавать собственное магнитное поле (пример, индуктивная катушка).

в) идеальный емкостный элемент

С [мкФ, мФ, Ф]

Отображает способность элемента накапливать, заряды возбуждая ими электрическое поле (пример, конденсатор)

Идеальных элементов в природе не существует. Все приемники в той или иной мере характеризуются тремя свойствами.

Источники электроэнергии.

- источник ЭДС (напряжение)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Е(е) R

Е - ЭДС постоянная во времени (В).

е - ЭДС переменная во времени.

R - внутреннее сопротивление источника, характеризует внутренние потери источника R> 0.

- источник тока

I - ток постоянный во времени.

i - ток переменный во времени.

R> ? отображает потери в источники тока.

Основные законы электротехники.

1. Закон Ома для резистора.

(DС) - постоянный ток.

I=

R- сопротивление [Ом]; G- проводимость [См]; U- напряжение

(АС) - переменный ток.

i=

Если через сопротивление течет ток, значит, на его зажимах есть напряжение или падения напряжения.

Зависимость между напряжением и током называется вольт амперной характеристикой (ВАХ).

U(B)

I(A)

1. ВАХ линейного элемента (в этом случае сопротивления равна const (R=const)

2. R - переменная и зависит от (U, I)

2.Закон Джоуля - Ленца.

Определяет количественно электроэнергию, которая безвозвратна, преобразуется в резисторе.

W=IRt (DС)

W=Rdt (АС) [Вт *ч]

Отсюда мощность:

IR=P

P=Rdt [Вт]

Т - период изменения переменного тока

t - время в течении которого происходит выделение эенергии [Вт *ч], [Дж]

3. Закон Кирхгоффа.

Алгебраическая сумма токов в любом узле цепи равна нулю.

?I=0.

Узел - это место цепи соединяются три и более ветвей.

Ветвь - часть электрической цепи по которой проходит один и тот же ток.

Если ток входит в узел "+", если выходит то "-" .

3. Второй Закон Кирхгоффа.

Алгебраическая сумма ЭДС источников в замкнутом контуре электрической цепи равна алгебраической сумме падений напряжений на приемниках.

?Е

Е

Направления обхода контура выбирают произвольно, соответствующие величины выбирают со знаком "+", если их направление совпадает с направлением обхода контура, если наоборот - знак "?".

Электрические цепи постоянного тока (DС).

Достоинства цепей постоянного тока:

1. работает от первичных химических элементов (батарей), которые используются для питания переносных приборов.

2. возможность запасания электроэнергии во вторичных источников (аккумуляторов)

3. относительное простое плавное регулирование скорости двигателя постоянного тока.

Недостаток (ДС):

1. не возможна трансформация электроэнергии от высокого напряжения к низкому и наоборот.

Лекция №2.

Тема: "Электрические цепи. Расчет простых и сложных и сложных цепей постоянного тока. Режимы работы электрических цепей. "

Расчет простых линейных цепей постоянного тока.

Цепи, состоящие только из линейных элементов, являются линейными и подчиняются принципу суперпозиции, могут рассчитываться аналитически.

Простыми - называются разветвленные цепи расчет, в которых ведется только с применением закона Ома.

Для расчета электрической цепи могут применяться, как и принципиальные схемы, так и схемы замещения.

Принципиальные - отображают структуру цепи, на них реальные устройства отображаются стандартными условными знаками, а электрические соединения между ними соответственно линиями.

Для анализа и расчета цепи составляют схемы замещения - это расчетные схемы цепи, отображающие процессы преобразования электрической энергии, в них. В этом случае реальные элементы замещены идеальными эквивалентными элементами.

Лекция 2. Параллельное и последовательное соединения элементов

Соединение	Параллельное	Последовательное
Схема замещения
Эквивалентная схема замещения
Эквивалентное сопротивление и проводимость	Rэкв= R1+R2+…+Rn Gэкв=1/Rэкв	Gэкв=G1+ G2+…+Gn Rэкв=1/ Gэкв
Общие свойства цепей	I=I1=I2=…=In I=U/ Rэкв U=U1+U2+…+Un= =IR1+IR2+…+IRn	U=U1=U2=…=Un I=I1+I2+…+In= =U/R1+U/R2+…+U/Rn
Баланс мощностей	UI=U1I+U2I+…+UnI= =I12R1+I22R2+…+In2Rn Pотдав =?Pпр =P1+P2+…+Pn	UI=UI1+UI2+…+UIn= = I12R1+I22R2+…+In2Rn Pотдав= ?Pпр =P1+P2+…+Pn

Последовательное соединение применяется, когда нужно уменьшить ток, либо, когда напряжение питания больше чем номинальное напряжение отдельных приемников. Недостаток последовательного соединения в том, что при обрыве цепи, все приемники отключаются. Преимущество параллельного соединения - независимость каждого приемника.

Суть баланса мощностей заключается в равенстве суммарной мощности цепи, генерируемой источником, и суммарной мощности, потребляемой всеми приемниками цепи. Независимо от схемы соединения, баланс мощностей должен сходиться.

Существует смешанное соединение приемников, которое заключается в сочетании параллельного последовательного соединений. Для расчета в этом случае используется метод эквивалентного преобразования.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис 1а Рис 1б Рис 1в

Дано:

E, R_1, R_2, R_3, R₄

Найти:

I₁, I₂, I₃, I₄-?

Решение:

На рис. 1а параллельно включенные элементы R₂ и R₃ заменяют эквивалентным элементом с проводимостью G_23.

G₂₃=G₂+G₃

G₂=1/R₂

G₃=1/R₃, тогда R₂₃=1/G₂₃;

Схема преобразуется к рис. 1б, где общее сопротивление R_экв=R₁+R₂₃+R₄ (элементы соединены последовательно). В этом случае схема предельно свернута (рис. 1в).

Применяем закон Ома для расчета силы тока:

I=E/R_экв.

Для нахождения токов I₁, I₂, I₃, I₄ необходимо развернуть схему рис. 1в в обратном направлении. На рис. 1б I₁=I₂₃=I₄=I.

Для нахождения токов I₂,I_3, определим напряжения между точками 1и 2: U₁₂=I₂₃*R_23.

На рис. 1а определяем токи I₂, I_3:

I₂=U₁₂/R₂;

I₃=U₁₂/R_3;

При составлении баланса мощностей (БМ), определили мощность которая отдается источником: P_отд.=EI;

Потребляемая:

P_потр.=I₁²R₁+I₂²R₂+I₃²R₃+I₄²R₄;

P_отд= P_потр

Расчет сложных линейных цепей постоянного тока

Сложными называются разветвленные цепи с источником эдс, размещенными в разных ветвях , расчет которых основан на применении законов Кирхгоффа.

Дано:

U₁, E₁, E₂, R_1, R_2, R₃

Найти:

I₁, I₂, I₃-?

Решение:

Составим уравнение по первому закону Кирхгоффа. Число уравнений, составленных по первому закону Кирхгоффа, равняется числу узлов-1.

Для первого узла: I₁+ I₂ - I₃=0 (1)

Недостающее число уравнений составляется по второму закону Кирхгоффа для независимых контуров (контуры независимы, если отличаются хотя бы одной ветвью).

Для первого контура: E₂=I₂R₂+I₃R₃+U₃ (2)

Для второго контура: E₁=I₁R₁+I₃R₃+U₃ (3)

Уравнения (2) и (3) образуют систему уравнений, решая которую находим токи I₁, I₂, I_3. Если значения токов положительны - значит, их напряжения совпадают с принятыми. Если отрицательны - не совпадают. По действительным напряжениям тока определяют режими работы источников:

-если напряжение тока совпадает с напряжением эдс (E , I ), следовательно имеем дело с источником.

-если напряжение эдс и силы тока противоположны (Е, I ), имеем дело с приемником.

С целью проверки расчетов, составляем баланс мощностей.

Режим работы электрических цепей

Е - эдс источника

R₀ - внутреннее сопротивление источника

R_л - сопротивление линии передач

R_н.э -сопротивление эквивалентного источника

R_н.э [ 0; ?)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Схема замещения Принципиальная схема

ДU₀=IR₀- падение напряжения на источнике

ДU_л=IR_л-падение напряжения в проводах ЛЭП

U2=IR_н.э. - напряжение на нагрузке

По второму закону Кирхгоффа E=ДU₀+ДU_л+U₂ = I(R₀+R_л+R_н.э.)

I=E/ R₀+R_л+R_н.э.

U₁=E-ДU₀=E-IR₀ - напряжение на выходе источника. Уравнение внешней характеристики.

При изменении эквивалентной нагрузки от до 0 ток в цепи возрастает от 0 до максимального значения.

-- мощность, которая генерируется источником.

-- мощность, которая потребляется внутренним сопротивлением источника.

-- мощность, которая потребляется линиями электропередач (ЛЭП).

-- полезная потребляемая мощность в цепи.

[?] = о. е.

1. Режим холостого хода (х.х.)

Если сопротивление нагрузки равно , то I=0.

получается только математически. В данном случае мы не получаем электроэнергию из сети.

2. Режим короткого замыкания (к.з.)

.

Режим короткого замыкания (режим максимальной нагрузки) не имеет никакого смысла.

3. Согласованный режим

Этот режим энергетически не выгоден.

4. Номинальный режим (экономной передачи электроэнергия)

Соответствует экономически оптимальному КПД (). Для увеличения мощности и дальности передачи электроэнергии следует увеличивать напряжение сети.

Лекция 3. Линейные электрические однофазные цепи переменного тока

Переменными называются ЭДС, напряжения и токи, изменяющиеся по значению и направлению во времени.

Источники переменного тока, создающие однофазные ЭДС и образуемые ними цепи, называются однофазными.

Преимущества однофазных цепей:

1. Способность трансформации ЭЭ от низковольтных потребителей к высоким, и наоборот (применяются в электроснабжении).

2. Возможность применения в сравнительно дешевых, надежных безколлекторных двигателях.

В промышленных сетях применяются синусоидальные переменные ЭДС, напряжения и токи, которые получают с помощью однофазного генератора.

Однофазный генератор

1 - статор; 2 - паз обмотки статора; 3 - обмотка статора; 4 - ротор;

- обмотка ротора.

1. Получение и обозначения

От первичного двигателя (турбина или дизель) вращается ротор с частотой щ, причем ротор может быть выполнен как в виде электромагнита, так и в виде постоянного магнита. Он создает магнитное поле, которое так же будет вращаться в статоре. Силовые линии поля пересекают провода обмотки статора, что по закону электромагнитной индукции вызывают сторонние силы смещенных зарядов в проводниках, образуя тем самым разность потенциалов на выводах генератора и ЭДС в них.

где

2 - число проводников; B - магнитная индукция; V -линейная скорость электромагнита; l - длина активних проводов обмотки статора.

График изменения величины во времени называется временной диаграммой.

e - мгновенное значение ЭДС на выходе генератора, f(t); - угловая скорость или угловая частота, соответствует скорости вращения ротора, f(v); Т - период; - амплитуда ЭДС; - частота изменения ЭДС; - фаза колебания; - начальная фаза, рад.

2. Представления синусоид величин

На рис.2, а синусоидальные величины напряжения и тока представлены в виде временных диаграмм.

i=I_msin (щt+Ші)

u=U_msin (щt+Шu)

На рис. 2Б эти же величины представлены в виде вращающегося радиус вектора. Мгновенное значение есть проекция на вертикальную ось вращающегося радиус вектора. С целью определения нагрева проводника синусоидальным током введем понятие действующего значения переменного тока. Оно численно равно постоянному току, производящему одинаковое тепловое действие с данным переменным током.

Действующее значение синусоидального тока часто называют среднеквадратичным или эффективным значениями

Действующие значения токов и напряжений показывают большинст-во электроизмерительных приборов (амперметров, вольтметров).

В действующих значениях указываются номинальные токи и напря-жения в паспортах различных электроприборов и устройств.

Под средним значением синусоидального тока понимают его среднее значение за полпериода:

Совокупность векторов, отображающих синусоидальные величины одной частоты с учетом сдвига фаз, называется векторной диаграммой (рис. 2В).

На рис. 2В предоставлена векторная диаграмма действующих значений напряжения и тока. Можно выражать максимальными и действующими значениями. Кроме того переменные ЭДС напряжения и токи удобно рассматривать в виде комплексных чисел (рис.2,г).

Размещено на http://www.allbest.ru/

В этом случае одновременно учитывается действующие значения и фаза этих величин.

Лекция 4. Обособленное включение идеальных элементов в цепь переменного тока

1. Идеальный резистивный (активный) элемент.

По закону Ома

закон Ома выполняется как для амплитудных значений тока и напряжения, так и для действующих так и для действующих значений тока и напряжения:

Ш_u= Ш_i =0

Ток и напряжение в резистивном элементе совпадают по фазе (изменяются синфазно). Это положение наглядно иллюстрируется временными диаграммами и векторной диаграммой на рис

Выразим мгновенную мощность p через мгновенные значения тока и напряжения:

Независимо от направления тока и напряжения сети оба полупериода элемент безвозвратно потребляет энергию из сети, превращая её в тепло

Резистивный приемник называют активным, так как это отображает его способность безвозвратного потребления энергии из сети с одновременным преобразованием в другие виды(тепло, механическая энергия).

2. Идеальный индуктивный приемник.

Закон Ома выполняется как для амплитудных, так и для действующих значений тока и напряжения.

Сопоставляя выражения для тока и напряжения сделаем важный вывод: ток в индуктивном элементе отстает по фазе от напряжения на р/2. Это подтверждается временными диаграммами и векторной диаграммой.

Величина обратная индуктивному сопротивлению

B_L = 1/X_L - Индуктивная проводимость [См]

Выразим мгновенную мощность р через u и i.

P = 1/T = 0

Поскольку активная мощность, потребляемая идеальным индуктивным элементом равна нулю, для количественной оценки мощности вводят понятие реактивной индуктивной мощности Q_L=IU, [ВАр].

Величины X_L,B_L,Q_L - называют реактивными, то есть не совершающими никакой полезной работы, в частности в индуктивном элементе энергия расходуется на создание магнитного поля, проявлением которого является ЭДС самоиндукции.

3. Идеальный емкостный элемент элемент.

Пусть к емкостному элементу приложено напряжение

Тогда ток в емкостном элементе

- емкостное сопротивление, [Ом].

Сопоставляя выражения для напряжения и тока, приходим к выводу: ток в емкостном элементе опережает по фазе напряжение, приложенное к не-му, на угол 90⁰. (см. рис.)

Вс=1/Хс - емкостная проводимость, [См].

Выразим мгновенную мощность р через u и i.

Активная мощность, потребляемая емкостным элементом

P = 1/T = 0

Для количественной оценки мощности вводят понятие реактивной емкостной мощности Q_L=IU, [ВАр].

Величины X_С,B_С,Q_С - называют реактивными, то есть не совершающими никакой полезной работы, в частности, в емкостном элементе энергия расходуется на процесс непрерывного перезаряда конденсатора.

Лекция 5. Последовательное соединение R,I,C элементов в цепи переменного тока

i=sin (wt+)

=iR= - падение напряжения на активном приемнике.

- падения напряжения на индуктивном приемнике.

- падения напряжения на емкостном приемнике.

По закону Кирхгоффа для мгновенных значений u=.

Действующие значения:

- векторная форма представлений реактивного напряжения.

Существует также скалярное представление. - модуль или скалярное значение реактивного напряжения. Если рассмотреть, из векторной диаграммы выделяем треугольник напряжений.

- отображает реактивное свойства данной цепи >0, значит среди двух реактивных элементов преобладает индуктивность, если же <0, значит преобладает емкость, тогда из векторной диаграммы можно определить

=I

Из последнего выражения имеем закон Ома для синусоидального тока в цепи последовательном соединении C,I,R, элемента.

z=

- полное сопротивление цепи [Ом]. Определяется из треугольника сопротивления. Треугольник сопротивления и напряжении подобны.

(с учетом знака) ;

- угол сдвига фаз между напряжением и током.

Знак перед отображает реактивное свойство цепи, если <0 емкость, >0 индуктивность. Умножив длины векторов напряжений на силу тока, получим диаграмму мощностей ( треугольник мощностей).

,

[ВАр] - реактивная мощность цепи, оценивает колебания (обмен) энергии между индуктивным и емкостным элементами .

P=[Вт] оценивает долю напряжения и тока приходящееся на обмен электроэнергии между источником и реактивным участком цепи. Определяет безвозвратное потребление энергии.

S=UI, [ВА] - количество тока и энергии получаемый приемником без оценки на что энергия расходуется.

Параметром участков цепи переменного тока определяющим степень использования напряжений и тока при потреблении электроэнергии является коэффициент мощности. Он определяется как доля активной мощности участка цепи по отношению к полной мощности.

Определения характера нагрузки

Характерная нагрузка	C		R	R	L
P	0	UIcos	UI	UIcos	0
Q	UI	UIsin	0	UIsin	UI
S	UI	UI	UI	UI	UI

Резонанс напряжений

Режим цепи, который возникает в контуре с последовательным соединением, индуктивного и емкостного элементов, при условии, что X_L=X_C называют резонансом напряжений.

X= X_L-X_C =0

Z== R -(MIN)

I=U/Z=U/R -(MAX)

Ua=IR

U_L =IX_L

U_C=IX_C

U_P = = Ua

Из векторной диаграммы видно, что прямоугольный треугольник напряжений выродился в линию.

Треугольник сопротивлений выродился в линию также.

R=Z

X=0

ц=arctg (X_L-X_C)/R=0

P=I²R=IUcosц=IU=S

S=P

Q_L=I²X_L

Q_C=I²X_C

Q= Q_L - Q_C =0 -мощность реактивная.

P=S

Q=0

X_L=X_C

Lщ=1/Cщ (щ=2рf)

Для настройки цепи на резонанс напряжений, необходимо изменять либо частоту, либо индуктивность и емкость.

Параллельное соединение R,L,C-элементов в цепи переменного тока

G=1/R

B_L=1/X_L

B_C=1/X_C

Ia=U/R=UG-ток резистивного приемника

I_L=UB_L -ток индуктивного приемника

I_C=UB_C -ток емкостного приемника

Характер нагрузки - активно-емкостной.

По I закону Кирхгоффа

i - i _L - i _C - i a = 0

i = i a + i _L + i _C = i a + i _P

i p = i _L + i _C

I_P = I_L - I_C

Реактивный ток цепи - суммарный ток реактивных элементов цепи.

Треугольник токов

I =

Ia = Icos ц

I_P = Isin ц

B_C>B_L = I_C> I_L I опережает U

ц=arctg (I_L-I_C) /Ia

Треугольник проводимости подобен треугольнику токов.

I =

I = U=

, [См]

Суммарная проводимость цепи () с параллельно включенными R, L, C - элементами:

B=B_L-B_C, [См]

Закон Ома для цепи с параллельно соединенными R, L, C- элементами

I = UY

Умножив длины векторов тока на модуль напряжения, получим диаграмму или треугольник мощностей.

, [ВА]

, [Вт]

Q = Q_L - Q_C = UIsin, [ВАР]

Q_L = UI_L = U²B_L , [ВАР]

Q_C = UI_C = U²B_C , [ВАР]

Коэффициент мощностей можно определить из треугольника токов, треугольника проводимости и треугольника мощностей.

Cos Ia/I = G/= P/S

=arctg(I_L-I_C)/P = arctg(B_L-B_C)/G = arctg(Q_L-Q_C)/P

Резонанс токов

Резонанс токов - режим цепи, с параллельным соединением R, L,C - элементов, при условии равенства B_L = B_C

B= B_L - B_C = 0

= G (min)

I = UY - (min)

Умножая реактивную проводимость на модуль напряжения, получаем:

UB_L = UB_C

I_L = I_C

I_P = I_L - I_C = 0 - индуктивный и емкостной элементы обмениваются энергией между собой без источника: когда индуктивный элемент потребляет ток, емкостной отдает, и наоборот.

Треугольник токов вырождается в линию.

( = 0)

Умножив вектора токов на модули напряжения, получим треугольник мощностей, который также выродился в линию.

Размещено на http://www.allbest.ru/

cos= 1 - для резонанса токов

При резонансе токов, емкостной и индуктивный элементы обмениваются энергией между собой, а не за счет источника, от которого потребляется только активная мощность. В электротехнике резонанс токов полезно используется для поперечной компенсации реактивной мощности цепи. Ток, потребляемый от источника, является минимальным, что способствует уменьшению потерь в проводах ЛЭП.

Лекция 6. Трехфазные электрические цепи переменного тока

1. Устройство и принцип действия трехфазного генератора

Трехфазный генератор отличается от однофазного наличием трех обмоток статора, сдвинутых друг относительно друга по окружности статора на угол электрический, равный 120

_эл = p_геом. , где р -число пар полюсов.

Обмотки статора принято называть фазами.

A, B, C - начала фаз.

X, Y, Z - концы фаз.

Возбужденный постоянным током ротор, приводится во вращение со скоростью вспомогательным мотором, в результате чего в обмотке статора возникает трехфазная система ЭДС.

();

e ();

();

EEE=E .

Векторная диаграмма

Положительные качества использования трехфазного тока

1. По сравнению с однофазным генератором трехфазный имеет в 3 р. меньшие габариты и массу.

2. Возможность создания трехфазного вращающегося поля в электрической машине.

3. Меньшее число соединяющих проводов, следовательно, меньшие затраты на эти провода, меньшие потери в этих проводах.

Шестипроводная трехфазная система

По Ф закону Кирхгоффа ().

Если к каждой фазе синхронного генератора подключить отдельный приемник, получим несвязную трехфазную систему, состоящих из трех однофазных участков цепи. электрический цепь ток трансформатор

Четырехпроводная трехфазная цепь

Y - звезда с нейтральным проводом.

Несвязные системы не нашли применение вследствие больших расходов на металлы Al, Cu в проводах. Связав X, Y, Z - концы обмоток генератора с концами приемника x, y, z, получим четырехпроводную трехфазную систему, называющаяся звезда с нейтральным проводом. Провода, соединяющие начало обмоток генератора и приемника называются линейными A-a, B-b, C-c. Провод, соединяющий концы генератора и приемника называется нейтральным. Токи i, i, i называются фазными, т.к. они протекают по фазам нагрузки.

I= I;

I=I, I=I, I=I.

Напряжение между двумя линейными проводами называется линейным (U, U, U - линейные напряжения).п

Напряжение между линейным и нейтральным проводом называется фазным (U, U, U - фазные).

Взаимосвязь между фазными и линейными напряжениями

По Ф закону Кирхгоффа

=U.

п п=п п.

I

- закон Ома, где - полное сопротивление.

=

- полное сопротивление фазы примника.

- сдвиг фаз между фазным током и фазным напряжением.

Ток нейтрального провода определяется по п закону Кирхгоффа для точки n.

Типы приемников

1. Симметричный.

- нагрузка равномерная.

- нагрузка однордная.

Нейтральный провод служит для выравнивания фазных напряжений на нагрузке. Сечение нейтрального провода значительно меньше линейных проводов. Нейтральный провод может отсутствовать.

2. Несимметричный.

Если не выполняется хотя бы одно из двух условий: однородности или равномерности, то приемник несимметричный.

Отсутствие нейтрального провода обязательно.

3. Однофазный.

I; I; .

Трехпроводная трехфазная цепь

Y- звезда без нейтрального провода.

Использование данной схемы возможно только при условии включения симметричного приемника, в противном случае между точками N и n возникает напряжение смещения нейтрали , которое может вывести из строя фазы приемника.

U_Nn вызывает перекос фаз нессимитричного приемника, что приводит к его выхoду из строя.

Лекция 7. 3-х проводная 3-х фазная цепь

U_A, U_B, U_C - фазные напряжения на выходе генератора.

U_AB, U_BC, U_CA - линейные напряжения.

U_ab, U_bc, U_ca - фазные напряжения на нагрузке.

i_AX, i_BY, i_CZ - фазные токи генератора.

i_A, i_B, i_C - линейные токи.

i_ab, i_bc, i_ca - фазные токи на нагрузке.

1) Ы_фг = Ы_л = Ы_фп

Ы_фг - Фазное напряжение на генераторе.

Ы_л - Линейное напряжение.

Ы_фп - Фазное напряжение на приемники.

Для определения линейных токов i_A, i_B, i_C воспользуемся первым законом Кирхгофа для узлов А, В, С, а также a, b, c

Узел А:

- О_A - О_BY + О_AX = 0

О_A = О_AX - О_BY (i_A = i_AX - i_BY)

Узел a:

О_BY + О_ca - О_ab = 0

О_A = О_ab - О_ca

Узел B:

-О_B + О_BY - О_CZ = 0

О_B = О_BY - О_CZ

Узел b:

i_B = i_bc - i_ab

О_B = О_BC - О_AB

Узел С:

О_C = О_CZ - О_AX

Узел c:

О_c = О_ca - О_bc

О_A = О_AX - О_BY

Размещено на http://www.allbest.ru/

I_ф = U_ф / Z_ф

ц_ф = arctg ((X_Cф - X_Lф) / R_ф)

Из уравнения (i_A = i_AX - i_BY) получается линейный ток О_A путем наложения двух фазных векторов тока О_AB - О_СА.

При симметричном приемнике фазные токи одинаковы и сдвиг фаз между ними 120?

О_A = О_ca cos 30? + О_ab cos 30? = О_ca v3 / 2 + О_ab v3 / 2 > I_л =v3I_ф

₍симметричный приемник₎

Мощность в 3-х фазной цепи.

P_общ = P_A + P_B + P_C

- активная мощность потребляет всей трехфазной цепью.

Приемник симметричный

P_A = P_B = P_C; P_общ = 3P_ф.

P_ф = U_фI_фcosц_ф =

Размещено на http://www.allbest.ru/

= I_^U_^?3cosц_ф

Размещено на http://www.allbest.ru/

Измерение мощности в 3-х фазной цепи.

Пример для измерения мощности в 3-х фазных симметричных приемниках. В этом случае мощность измеренная в фазе А будет равна мощностям в фазах В и С.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Каталожные данные 3-х фазных приемников

Y/^: U_{лин.нам.}Y/U _{лин.нам.}^;

I _{лин.нам.}Y/I _{лин.нам.}^; cosц _нам.

Пример: Y/^: 660.360В; 10/17,1A; 0,78.

R_Yнам = U _{лин.нам.}Yv3 ; I _{лин.нам.}Y cosц _нам.

Q_Yнам = P_Yнам tg ц _ном. ;S = v( P²_Yнам +Q²_Yнам );

I_фY = I_линY ;U_фY = U_линY/v3; Z_ф = U_фY/I_фY

Расчет для ^самостоятельно.

Лекция 8. Магнитные цепи

Основные понятия

Магнитные цепи - совокупность устройств содержащий ферромагнитные тела и предназначены для магнитных полей требуемой величины и конфигурации.

Включает в себя:

- намагниченную катушку с числом витков ?w преднозначеные для создания магнитного поля при протекании тока I.

- феромагнетический сердечник(магнита провод) за счет намагничиваемости усиливает магнитное поле служит для уменьшения электрической мощности намагничиваемой катушки.

- воздушный зазор (L) может быть рабочим, когда в нем создается определенное магнитное поле (возникает при сборки магнитной цепи).

Магнитное поле всегда создается всегда электрическими токами. Способность создавать магнитное поле оценивается магнита движущей силой F=I*W; (А)

Интенсивность и направленность магнитного поля определяет вектор магнитной индукции (Тл) направлены по касательной к силовой линии магнитного поля в данной точке.

Напряженность магнитного поля Н(А/м) оценивает влияния материала на магнитное поле Н=B/мм; м=4П*10 константа, магнитная проницаемость вакуума.

м-относительная магнитная проницаемость.

м=1

м>>>1

Поток вектора магнитной индукции через замкнутую поверхность S-называется магнитный поток Ф=В* S

Магнитные свойства материала принято описывать с помощью кривой намагничивания.

-достаточная магнитная индукция

-коэрцитивная сила.

Цикл перемагничивания стали характеризует петли гистерезиса

Свойство

Площадь петли гистерезиса определяет потери на нагрев материала при циклическом перемагничивании. В электротехнических устройствах применяют специальные марки стали с малыми значениями и.

Классификация магнитных цепей

1.цепи переменного тока и постоянного тока

2.разветвленные и не разветвленные магнитные цепи

3.однородные и не однородные цепи

Однородной магнитной цепью называют цепь у которой напряженность магнитного поля на любом ее участке одинакова, что возможно, если сечение магнитной цепи постоянное, и материал магнитной цепи однородный

Магнитный поток создаваемой катушки делится на две составляющие:

Ф

Ф Ф

Основной магнитный поток, Магнитный поток рассеяния,

который замыкается по сердечнику который замыкается сердечник

через воздух и с цеплен с витками катушки

Закон полного тока для магнитной цепи.

Интеграл вектора напряженности вдоль замкнутого контура магнитной цепи равно полному току (алгебраической сумме токов охватываемого этим контуром)

? H dl =IW=F

Контур рассматривается по средней линии магнитного потока. При расчете цепи разбиваем ее на однородные участки цепи в которых напряженность постоянна

(1)

Поскольку рассмотренная цепь не разветвляется , следовательно магнитный поток в любом сечении магнитной цепи одинаковый.

Ц = const

Если магнитный поток одинаковый, значит

;

(А м)

Преобразуем уравнение (1) к виду

Ф

R R

R- не линейная и зависит от листа расположения на кривой намагничивания

R- константа в виде линейного сопротивления.

Аналогия с электрическими цепями.

Закон Ома для магнитной цепи

Ф=

Поскольку сопротивление воздушного зазора R проявляется в большей степени. Таким образом, при увеличении длины воздушного зазора магнитное сопротивление R увеличивается вплоть до пренебрежения магнитным сопротивлением Ф=

Идеальная катушка с сердечником в цепи переменного тока.

- сопротивление провода катушки.

Идеальная катушка (=0, Ф=0)

Катушка рассчитана на включения в цепь переменного тока, однако также может быть включена в постоянный ток

(

Принцип действия.

Переменный ток создает переменное магнитное поле, которое индуцирует в витках катушки ЭДС - самоиндукции, которая при отсутствии активного сопротивления уравнивает напряжения источника, т.е. U = E - действующие значения.

U= e =

Ф

Ф= Ф

Ф=

- число витков

Ф- амплитуда магнитного потока

f-частота

хотя магнитное поле создается током, закон его изменения определяется приложенным к зажимам катушки напряжением.

Магнитный поток тоже синусоидальный и отстает от напряжения на угол

Основные свойства магнитного потока

Каждому значению напряжений материалов на переменном токе определяет с помощью вольтамперных характеристик.

Потери на нагрев сердечника, состоит из двух частей

1. потери на перемагничивании определяются площадью петли гестезиса. Для их снижение используют специальные электротехнические стали.

2. нагрев индукционными токами Фуко для уменьшения потерь сердечник выполняет не сплошным, а, наоборот, из большого числа пластин изолированных друг от друга этим достигает увеличение сопротивления током Фуко и соответственно уменьшение потерь.

Лекция 9. Трансформатор

Устройство однофазного Электромагнитная схема идеального трансформатора трансформатора

Трансформатор - это статическое устройство, предназначенное для преобразования переменного тока одного напряжения к другому, при неизменной частоте и форме.

Устройство и принцип действия

Состоит из:

1. Сердечника (магнитопровода)

2. Двух катушек обмоток, первая из которых числом витков W₁, подключается к источнику и называется первичной, вторая с числом витковW₂, служит для подключения нагрузки и называется вторичной.

Сердечник, шихтованный из отдельных изолированных друг от друга пластин толщиною 0,1- 0,3 мм, служащий для снижения потерь на индуктивный нагрев. Первичная и вторичная обмотки изолированы друг от друга электрически и связь между ними обеспечивается магнитными полями.

Принцип действия основывается на действии электромагнитной индукции

e= -

-поток сцепления.

Под действием переменного напряжения u в первичной цепи возникает ток i, который возбуждает переменный магнитный поток в сердечнике.

Переменное магнитное поле индуцирует в первичной обмотке. e₁ - едс самоиндукции и e₂ - эдс взаимной индукции.

u₁i₁

e₁ e₂

Если к первичной обмотке подключить нагрузку, под действием i₂ ,будет создаваться поток, направленный в сторону, противоположную магнитному потоку, создаваемому в первой цепи.

Холостой ход идеального трансформатора

Магнитный поток, создаваемый током первичной и вторичной обмоток включает две составляющие:

· Основной магнитный поток

· Поток рассеяние

Основной магнитный поток замыкается в сердечнике, а токи рассеяния сцеплены только с витками обмотки и замыкается, минуя сердечник.

У идеального трансформатора пренебрегают потоками рассеивания и активным сопротивлением первичной и вторичной обмотки.

Холостой ход идеального трансформатора

_расс1 =_расс2 = 0

R₁ = R₂ = 0

Холостой ход Q разомкнутI₂ = 0

В режиме х.х. в первичной обмотке протекает ток I_1х.х = (0.05- 0,1) I_{1ном. .} Этот ток реактивный (намагничивающий) обеспечивает создание магнитного поля, при этом в первичной цепи образуется эдс.

E₁ =4,44 W₁f_m

Во вторичной:

E₂ =4,44 W₂f_m

Коэффициент трансформации

Коэффициент определяется отношением напряжения первичной цепи трансформатора U₁ к напряжению во вторичной цепи трансформатора U₂ :

n =

-конструктивный коэффициент трансформатора определяется числом витков обмоток трансформатора.

Если n >1, то трансформатор называется понижающим.

Если n<1, то трансформатор - повышающий.

Один и тот же трансформатор можно использовать как повышающий, так и понижающий.

Понижающий можно использовать, как повышающий, при условии, что напряжения и токи не превысят их номинальных значений.

Работа под нагрузкой

Q - замкнут.

I₂ = - закон Ома.

Ток I₂ является размагничивающим по отношению к основному магнитному потоку.

В соответствии с основным свойством магнитного потока, при неизменном напряжении U₁, магнитный поток будет постоянным.

Х.х: F = I_1xxW₁

Под нагрузкой: F = I₁W₁ - I₂W₂ = I_1xxW₁

Ток в первичной цепи:

При появлении тока нагрузки I₂, ток I₁ автоматически увеличивается на величину (n - коэффициент трансформации), компенсируя тем самым размагничивающее действие тока I_2.

Реальный трансформатор

Наличие сопротивлений (активных и реактивных) в обмотках трансформатора обуславливает снижение напряжения во вторичной обмотке трансформатора с увеличением нагрузки. Этот процесс отображает внешняя характеристика трансформатора.

- КПД трансформатора

P₂ = U₂I₂cos - активная мощность, отдаваемая в нагрузку.

Размещено на http://www.allbest.ru/

S₂

Трансформатор является преобразователем электроэнергии. Тогда, если пренебречь потерями в трансформаторе, то S₁ = S₂, где S₁ = U₁I₁, S₂ = U₂I₂

n =

В паспорте трансформатора задается полная мощность

S = _U2номI_2ном

Коэффициент загрузки трансформатора - отношение мощности текущей к его паспортной мощности:

P₂ = S_2НОМ cos - активная мощность, потребляемая нагрузкой.

P1 = P2 +P - активная мощность в первичной цепи трансформатора.

- потери трансформатора, состоящие из - потери в меди и из - потери в стали трансформатора.

В паспорте трансформатора задается значение

- потери в меди при номинальной нагрузке.

- КПД под нагрузкой.

1

Условные обозначения на схемах

Двухпроводная схема для Однопроводная схема для высоких

катушки напряжений напряжений

Лекция 10. Трансформаторы в трехфазных цепях

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.2

На рисунках трехфазная трансформатора имеет 3 отдельных сердечника с несвязанными магнитными цепями, в каждом из которых замыкается свой магнитный поток. Можно магнитные цепи объединить вместе, что позволит сэкономить материал, в результате, мы получим трехфазный трехстержневой трансформатор.

Каждая первичная обмотка оказывается под своим фазным напряжением U1A , U1B , U1C . Под их действием в магнитопроводе возникают магнитные потоки, сдвинутые на угол 120 (подобно фазным напряжениям). В первичных обмотках магнитные потоки вызывают ЭДС самоиндукции, во вторичных - НДС взаимной индукции (120). Соединив вторичные обмотки в звезду с нейтральным проводом, получим вторичную трехфазную четырехпроводную цепь, для которой вторичная обмотка является источником.

Обмотки трансформатора можно соединять 4-мя способами: «Y ?Y», «Y?Д», «Д/Д», «Д/ Y».

Y ?Y

Д/Д

На паспорте:

Y ?Y: 660?220 В

==

U1Ф =380 В;127 В.

Один и тот же трансформатор при изменении схемы соединения первичной обмотки можно подключать к сети с разным линейным напряжением.

Первичная цепь

Y: =660 В;

Д: = U1Ф =380 В.

Изменяя схему соединения вторичной обмотки так же можно получить два разных напряжения (используется при регулировании мощности).

- фазный коэффициент трансформации.

- линейный коэффициент трансформации.

Автотрансфоматоры.

Автотрансформатором называется трансформатор, у которого обмотка низшего напряжения является частью обмотки высшего напряжения. Электрическая схема автотрансформатора приведена на рис.1. Автотрансформатор может быть повышающим (рис.1,а) и понижающим (рис.1,б).

Рис.1.

К первичной обмотке, имеющей w₁ витков, подводится напряжение U₁. Напряжение U₂ снимается с части витков w₂ первичной обмотки. Обмотка автотрансформатора, так же как и у обычного трансформатора расположена на стальном замкнутом магнитопроводе.

Основные выражения, выведенные для трансформаторов, справедливы и для автотрансформатора.

При нагрузке можно приближенно считать отношения токов

(1)

Так как первичный и вторичный токи сдвинуты по фазе почти на 180⁰, то по общей части обмотки (нижняя часть обмотки на рис.1,а) будет протекать разность токов

(2).

Это позволяет выполнить общую часть обмотки меньшего сечения по сравнению со вторичной обмоткой обычного трансформатора. Выгода получается тем больше, чем ближе коэффициент трансформации к единице.

Уменьшение объема обмоток определяет также и уменьшение массы стали. Кроме того, автотрансформаторы имеют меньшие потери по сравнению с трансформаторами.

Экономия обмоточной меди и стали, а также увеличение к.п.д. являются преимуществом автотрансформаторов.

Недостатком автотрансформатора является то, что здесь вторичная цепь оказывается электрически соединенной с первичной цепью. Она должна иметь такую же изоляцию по отношению к земле, как и первичная цепь. Это обстоятельство заставляет выбирать значение коэффициента трансформации автотрансформатора при высоких напряжениях не выше 2--2,5.

Трехфазные автотрансформаторы выполняются подобно трехфазным трансформаторам (рис.2). Для трансформации трехфазного тока могут использоваться группа из трех однофазных автотрансформаторов.

Рис. 2. Схема трехфазного автотрансформатора.

Автотрансформаторы находят себе применение в качестве пусковых для пуска больших синхронных двигателей и короткозамкнутых асинхронных двигателей, для осветительных установок (для дуговых ламп переменного тока), для связи сетей с напряжениями, мало отличающимися одно от другого. В последнем случае трехфазные автотрансформаторы снабжаются еще одной обмоткой, соединенной треугольником, для подавления третьей гармоники в кривых магнитных потоках и, следовательно, в кривых фазных э.д.с.

Автотрансформаторы выполняются также с устройством, позволяющим плавно регулировать их вторичное напряжение. Регулирование напряжения осуществляется путем изменения числа витков обмотки при помощи специальных переключателей или контакта, перемещаемого непосредственно по обмотке, очищенной с одной стороны от изоляции.

Измерительные трансформаторы.

1. Трансформаторы напряжения.

Трансформаторы напряжения (ТН на рис.1) служат для понижения напряжения (обычно до 100 -- 150 В), так как вольтметры и катушки напряжения ваттметров и счетчиков (или реле) не могут быть включены непосредственна на высокое напряжение из-за недостаточной изоляции измерительных приборов и необходимости обеспечить безопасность обслуживающего персонала.

Рис.1. Схема включения трансформаторов напряжения (ТН) и тока (ТТ).

Они выполняются как двухобмоточные трансформаторы и электрически отделяют цепь приборов от цепи высокого напряжения; их вторичная цепь надежно заземляется.

По принципу действия трансформаторы напряжения не отличаются от ранее рассмотренных двухобмоточных трансформаторов, работающих в режиме близком к режиму холостого хода. При расчете трансформатора напряжения и его выполнении стремятся к тому, чтобы погрешности, вносимые им в измерения, были как можно меньше. Расчеты показывают, что погрешности тем меньше чем меньше сопротивление обмоток электроизмерительных приборов, подключаемых к трансформатору напряжения.

Номинальные мощности трансформаторов напряжения лежат примерно в пределах 25 -- 300 ВА. Они обычно могут быть длительно нагружены по условиям нагрева до мощности, в 5 -- 8 раз превышающей номинальную.

2. Трансформаторы тока.

Трансформаторы тока (ТT на рис.1) также выполняются в виде двухобмоточных трансформаторов. Их первичная обмотка включается в цепь последовательно с потребителями, ток которых надо измерить; во вторичную обмотку включаются амперметр, реле, а при измерении мощности и энергии -- токовые катушки ваттметра и счетчика. Все приборы во вторичной цепи соединяются последовательно.

При помощи трансформатора тока цепь приборов электрически отделяется от первичной цепи и вторичная обмотка надежно заземляется, что необходимо, если первичная обмотка включается в цепь высокого напряжения.

Отношение токов трансформатора тока практически равно обратному отношению чисел витков:. Последнее обычно подбирается таким образом, чтобы при номинальном первичном токе I_1н номинальный вторичный ток был равен 5 или 1 А. При больших значениях I_1н часто выбирается w₁ = l. Получается в этом случае одновитковый трансформатор тока. Здесь первичной обмоткой служит шина (или круглый проводник), которая проходит внутри сердечника; на сердечнике помещается вторичная обмотка с числом витков w₂.

Первичные номинальные токи стандартизованы в пределах 5  15000 А. Вторичные номинальные токи имеют два стандартных значения: 5 и 1 А. При токе 5 А общее сопротивление нагрузки колеблется в пределах 0,2  2 Ом, а при токе I А -- 530 Ом.

Трансформаторы тока должны быть механически достаточно прочными, чтобы выдержать электродинамические воздействия, возникающие при аварийном повышении первичного тока.

Особенностью трансформатора тока в отличие от трансформатора напряжения является то, что его магнитный поток при неизменном токе в первичной обмотке и переменном сопротивлении нагрузки будет изменяться. При большом сопротивлении нагрузки магнитный поток трансформатора тока может возраст до чрезмерного значения. Режим работы при разомкнутой вторичной обмотки следует считать аварийным, так как при этом магнитный поток и индукция в сердечнике будут иметь наибольшие значения, что приведет не только к большому увеличению магнитных потерь и, следовательно, нагреву трансформатора, но и к значительному возрастанию напряжения на разомкнутых зажимах вторичной обмотки. В этом, случае магнитный поток будет создаваться только током I₁ (при отсутствии размагничивающего вторичного тока I₂) и напряжение вторичной обмотки может достигнуть опасных значений. Следует здесь учитывать, что опасным является максимальное значение напряжения, а оно вследствие уплощения кривой потока может значительно возрасти: например, у многовитковых трансформаторов тока отношение максимального напряжения к действующему часто получается равным 22,5, а не как при синусоидальной кривой напряжения.

...