Электрический ток в цепи

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Основные определения: постоянный и переменный электрический ток, электрическая цепь, электрическая схема

Электрический ток в цепи всегда проявляется каким-нибудь своим действием. Это может быть как работа в определенной нагрузке, так и сопутствующее действие тока. Таким образом, по действию тока можно судить о его наличии или отсутствии в данной цепи: если нагрузка работает -- ток есть. Если типичное сопутствующее току явление наблюдается -- ток в цепи есть, и т. д.

Вообще, электрический ток способен вызывать различные действия: тепловое, химическое, магнитное (электромагнитное), световое или механическое, причем разного рода действия тока зачастую проявляются одновременно. Об этих явлениях и действиях тока и пойдет речь в данной статье.

Тепловое действие электрического тока

При прохождении постоянного или переменного электрического тока по проводнику, проводник нагревается. Такими нагревающимися проводниками в разных условиях и приложениях могут выступать: металлы, электролиты, плазма, расплавы металлов, полупроводники, полуметаллы.

электрический ток напряжение магнитный

В простейшем случае, если, скажем, через нихромовую проволоку пропустить электрический ток, то она нагреется. Данное явление используется в нагревательных приборах: в электрочайниках, в кипятильниках, в обогревателях, электроплитках и т. д. В электродуговой сварке температура электрической дуги вообще доходит до 7000°С, и металл легко плавится, -- это тоже тепловое действие тока.

Выделяемое на участке цепи количество теплоты зависит от приложенного к этому участку напряжения, значения протекающего тока и от времени его протекания (Закон Джоуля -- Ленца).

Преобразовав закон Ома для участка цепи, можно для вычисления количества теплоты использовать либо напряжение, либо силу тока, но тогда обязательно необходимо знать и сопротивление цепи, ведь именно оно ограничивает ток, и вызывает, по сути, нагрев. Или, зная ток и напряжение в цепи, можно так же легко найти количество выделяемой теплоты.

2. Химическое действие электрического тока

Электролиты, содержащие ионы, под действием постоянного электрического тока подвергаются электролизу -- это и есть химическое действие тока. К положительному электроду (аноду) в процессе электролиза притягиваются отрицательные ионы (анионы), а к отрицательному электроду (катоду) -- положительные ионы (катионы). То есть вещества, содержащиеся в электролите, в процессе электролиза выделяются на электродах источника тока.



Например, в раствор определенной кислоты, щелочи или соли погружают пару электродов, и при пропускании электрического тока по цепи на одном электроде создается положительный заряд, на другом -- отрицательный. Ионы содержащиеся в растворе начинают откладываться на электроде с противоположным зарядом.

Скажем, при электролизе медного купороса (CuSO4), катионы меди Cu2+ с положительным зарядом движутся к отрицательно заряженному катоду, где они получают недостающий заряд, и становятся нейтральными атомами меди, оседая на поверхности электрода. Гидроксильная группа -OH отдаст электроны на аноде, и в результате выделится кислород. Положительно заряженные катионы водорода H+ и отрицательно заряженные анионы SO42- останутся в растворе.

Химическое действие электрического тока используется в промышленности, например, для разложения воды на составляющие ее части (водород и кислород). Также электролиз позволяет получать некоторые металлы в чистом виде. С помощью электролиза покрывают тонким слоем определенного металла (никеля, хрома) поверхности -- это нанесение гальванических покрытий и т.д.

В 1832 году Майкл Фарадей установил, что масса m вещества, выделившегося на электроде, прямо пропорциональна электрическому заряду q, прошедшему через электролит. Если через электролит пропускается в течение времени t постоянный ток I, то справедлив первый закон электролиза Фарадея:

Здесь коэффициент пропорциональности k называется электрохимическим эквивалентом вещества. Он численно равен массе вещества, выделившегося при прохождении через электролит единичного электрического заряда, и зависит от химической природы вещества.

Магнитное действие электрического тока

При наличии электрического тока в любом проводнике (в твердом, жидком или газообразном) наблюдается магнитное поле вокруг проводника, то есть проводник с током приобретает магнитные свойства.

Так, если к проводнику, по которому течет ток, поднести магнит, например в виде магнитной стрелки компаса, то стрелка повернется перпендикулярно проводнику, а если намотать проводник на железный сердечник, и пропустить по проводнику постоянный ток, то сердечник станет электромагнитом.

В 1820 году Эрстед открыл магнитное действие тока на магнитную стрелку, а Ампер установил количественные закономерности магнитного взаимодействия проводников с током.



Магнитное поле всегда порождается током, то есть движущимися электрическими зарядами, в частности - заряженными частицами (электронами, ионами). Противоположно направленные токи взаимно отталкиваются, однонаправленные токи взаимно притягиваются.

Такое механическое взаимодействие происходит благодаря взаимодействию магнитных полей токов, то есть это, в первую очередь, - магнитное взаимодействие, а уж потом - механическое. Таким образом, магнитное взаимодействие токов первично.

В 1831 году, Фарадей установил, что изменяющееся магнитное поле от одного контура порождает ток в другом контуре: генерируемая ЭДС пропорциональна скорости изменения магнитного потока. Логично, что именно магнитное действие токов используется по сей день и во всех трансформаторах, а не только в электромагнитах (например, в промышленных).



3. Световое действие электрического тока

В простейшем виде световое действие электрического тока можно наблюдать в лампе накаливания, спираль которой разогревается проходящим через нее током до белого каления и излучает свет.

Для лампы накаливания на световую энергию приходится около 5% от подведенной электроэнергии, остальные 95% которой преобразуется в тепло.

Люминесцентные лампы более эффективно преобразуют энергию тока в свет -- до 20% электроэнергии преобразуется в видимый свет благодаря люминофору, принимающему ультрафиолетовое излучение от электрического разряда в парах ртути или в инертном газе типа неона.

Более эффективно световое действие электрического тока реализуется в светодиодах. При пропускании электрического тока через p-n переход в прямом направлении, носители заряда -- электроны и дырки -- рекомбинируют с излучением фотонов (из-за перехода электронов с одного энергетического уровня на другой).

Лучшие излучатели света относятся к прямозонным полупроводникам (то есть к таким, в которых разрешены прямые оптические переходы зона-зона), например GaAs, InP, ZnSe или CdTe. Варьируя состав полупроводников, можно создавать светодиоды для всевозможных длин волн от ультрафиолета (GaN) до среднего инфракрасного диапазона (PbS). КПД светодиода как источника света доходит в среднем до 50%.

4. Механическое действие электрического тока

Как было отмечено выше, каждый проводник, по которому течет электрический ток, образует вокруг себя магнитное поле. Магнитные действия превращаются в движение, например, в электродвигателях, в магнитных подъемных устройствах, в магнитных вентилях, в реле и т. д.

Механическое действие одного тока на другой описывает закон Ампера. Впервые этот закон был установлен Андре Мари Ампером в 1820 для постоянного тока. Из закона Ампера следует, что параллельные проводники с электрическими токами, текущими в одном направлении, притягиваются, а в противоположных -- отталкиваются.

Законом Ампера называется также закон, определяющий силу, с которой магнитное поле действует на малый отрезок проводника с током. Сила, с которой магнитное поле действует на элемент проводника с током, находящегося в магнитном поле, прямо пропорциональна току в проводнике и векторному произведению элемента длины проводника на магнитную индукцию.

На этом принципе основана работа электродвигателей, где ротор играет роль рамки с током, ориентирующейся во внешнем магнитном поле статора вращающим моментом M.

5. Нелинейные цепи постоянного тока и методы их расчета

Нелинейными называются цепи, в состав которых входит хотя бы один нелинейный элемент.

Нелинейными называются элементы, параметры которых зависят от величины и (или) направления связанных с этими элементами переменных (напряжения, тока, магнитного потока, заряда, температуры, светового потока и др.). Нелинейные элементы описываются нелинейными характеристиками, которые не имеют строгого аналитического выражения, определяются экспериментально и задаются таблично или графиками.

Нелинейные электрические цепи постоянного тока

Нелинейные свойства таких цепей определяет наличие в них нелинейных резисторов.

В связи с отсутствием у нелинейных резисторов прямой пропорциональности между напряжением и током их нельзя охарактеризовать одним параметром (одним значением ). Соотношение между этими величинами в общем случае зависит не только от их мгновенных значений, но и от производных и интегралов по времени.

Методы расчета нелинейных электрических цепей постоянного тока

Электрическое состояние нелинейных цепей описывается на основании законов Кирхгофа, которые имеют общий характер. При этом следует помнить, что для нелинейных цепей принцип наложения неприменим. В этой связи методы расчета, разработанные для линейных схем на основе законов Кирхгофа и принципа наложения, в общем случае не распространяются на нелинейные цепи.

Общих методов расчета нелинейных цепей не существует. Известные приемы и способы имеют различные возможности и области применения. В общем случае при анализе нелинейной цепи описывающая ее система нелинейных уравнений может быть решена следующими методами:

· графическими;

· аналитическими;

· графо-аналитическими;

· итерационными.

Параметры синусоидальных величин: амплитуда, период, частота, начальная фаза и сдвиг фаз.

Фаза (мгновенный фазовый угол) гармонической функции в радианах (рад) или градусах - это аргумент синусоидальной функции, отсчитываемый от нулевого значения функции в положительном направлении: щt + шu и щt + шi и т.д.

Начальная фаза - ш (начальный фазовый угол) - это значение фазы при t=0. Начальная фаза - алгебраическая величина, т.е. имеет знак.

Сдвиг фаз между двумя гармоническими функциями - это разность начальных фаз двух синусоидальных функции, например, U1 и U2, т.е.: шu = шu1 - шu2. Сдвиг фаз ц величина алгебраическая.

Амплитуда гармонического напряжения (тока, ЭДС) - наибольшее значение синусоидальной функции, обозначаемое соответствующей прописной буквой с индексом m: Um ( Im, Em ).

Амплитуда может быть как положительной, так и отрицательной.

Период колебаний -- минимальный промежуток времени, за который тело совершает одно полное колебание

Для нахождения периода колебаний надо время всех колебаний разделить на количество колебаний:



Частотам -- равна количеству повторений или возникновения событий (процессов) в единицу времени.

Частота обратно пропорциональна периоду колебаний: н = 1/T.

Мгновенные, действующие и средние значения ЭДС, силы тока, напряжения и мощности. Коэффициенты формы амплитуды.

Сила тока - это физическая величина, характеризующая электрический ток и численно равная заряду, проходящему через поперечное сечение проводника за единицу времени. Силу тока обозначают символом и определяют по формуле: , где - заряд, проходящий через поперечное сечение проводника за время .

Мгновенное значение синусоидального напряжения (тока, ЭДС) - это значение функции в рассматриваемый момент времени. Фактически мгновенное значение - это точка на графике функции в любой момент времени. Мгновенное значение тока, напряжения и ЭДС: i(t), u(t), e(t).

Действующее значение гармонической функции - это его среднеквадратичное значение за время Т, т.е.: I = Im / v2 ? 0,707Im, U = Um / v2 ? 0,707Um, E = Em / v2 ? 0,707Em.



За средние значения тока, ЭДС и напряжения принимают среднее арифметическое значение соответствующей величины за полпериода (среднее значение за период, равно нулю): Eср = 2Em/р = 0,637Em, Iср = 2Iт /р = 0,637I_m, U_ср = 2U_т /р = 0,637U_т.

Мощность -- физическая величина, равная отношению работы, выполняемой за некоторый промежуток времени, к этому промежутку времени.

6. Неразветвленная цепь с активным, индуктивным и емкостным элементами. Резонанс напряжений

В неразветвленной цепи протекает ток ;

Для неразветвленной цепи переменного тока с активным, емкостным и индуктивным сопротивлениями справедливы следующие соотношения:

· - напряжение на активном сопротивлении;

· - напряжение на индуктивности;

· - напряжение на емкости;

· - общее напряжение в цепи, знак «+» для цепи, в которой X c меньше XL, знак «-«для цепи, в которой X c больше XL;

· - действующее напряжение в цепи;

· - закон Ома;

· - полное (кажущееся) сопротивление;

· ;

· ;

· ;

· - полная мощность цепи;

· - активная мощность цепи;

· - реактивная мощность в цепи.

В цепях переменного тока с последовательно соединенными катушкой, резистором и конденсатором, в которых реактивные сопротивления равны между собой (XL=XС), наступает резонанс напряжений. В этом случае сопротивление становится минимальным и равным активному сопротивлению. Так как реактивные сопротивления зависят от частоты, то резонанс наступит при определенной частоте, которая называется резонансной.

· - циклическая резонансная частота;

· - резонансная частота тока;

· - волновое сопротивление;

· - добротность цепи;

· - мощность при резонансе напряжений.

Напряжения на индуктивности и емкости при резонансе равны между собой и могут оказаться больше по значению напряжения цепи. Понятие добротности имеет важное практическое значение (например, для антенн).

7. Метод сопротивлений для расчета цепей переменного тока.

Разветвленная цепь с активным, индуктивным и емкостным элементами. Резонанс токов.

Резонанс токов возникает в электрических цепях переменного тока при параллельном соединении ветвей с разнохарактерными (индуктивными и емкостными) реактивными сопротивлениями. В режиме резонанса токов реактивная индуктивная проводимость цепи оказывается равной ее реактивной емкостной проводимости, т.е. BL=BC.

Метод проводимостей для расчета цепей переменного тока.

Коэффициент мощности и способ его повышения.

Коэффициент мощности - это скалярная физическая величина, показывающая насколько рационально потребителями расходуется электрическая энергия. Другими словами, коэффициент мощности описывает электроприемники с точки зрения присутствия в потребляемом токе реактивной составляющей.

Магнитное поле -- силовое поле, действующее на движущиеся электрические заряды и на тела, обладающие магнитным моментом, независимо от состояния их движения, магнитная составляющая электромагнитного поля.

Магнитное поле может создаваться током заряженных частиц и/или магнитными моментами электронов в атомах (и магнитными моментами других частиц, хотя в заметно меньшей степени) (постоянные магниты).

Кроме этого, оно появляется при наличии изменяющегося во времени электрического поля.

Характеристики магнитного поля:

Магнитная индукция -- векторная величина, являющаяся силовой характеристикой магнитного поля (его действия на заряженные частицы) в данной точке пространства. Определяет, с какой силой F(вектор) магнитное поле действует на заряд q, движущийся со скоростью v(вектор).

Также магнитная индукция может быть определена как отношение максимального механического момента сил, действующих на рамку с током, помещенную в однородное поле, к произведению силы тока в рамке на её площадь.

В системе СИ магнитная индукция поля измеряется в гауссах (Гс), в системе СИ -- в теслах (Тл)

1 Тл = 104 Гс

Поток магнитной индукции

Поток Ф вектора магнитной индукции В через поверхность. Магнитный поток dФ через малую площадку dS, в пределах которой вектор В можно считать неизменным, выражается произведением величины площадки и проекции Bn вектора на нормаль к этой площадке, т. е. dФ=BndS. Магнитный поток Ф через конечную поверхность S определяется интегралом: Ф=SBndS.

Для замкнутой поверхности этот интеграл равен нулю, что отражает соленоидальный характер магнитного поля, т. е. отсутствие в природе магнитных зарядов -- источников магнитные поля (магнитные поля создаются электрическими токами). Единица магнитного потока в Международной системе единиц (СИ) -- вебер, в СГС системе единиц -- максвелл; 1 Вб=108 Мкс.

Силовые линии магнитного поля

Силовыми линиями магнитного поля называются линии, касательные к которым в каждой точке совпадают с направлением вектора магнитной индукции.

Силовые линии магнитного поля не пересекаются.

Силовые линии магнитного поля не имеют изломов.

По определению направление вектора магнитной индукции совпадает с направлением магнитной стрелки.

Магнитная проницаемость среды. Намагничивание электротехнических материалов. Кривая гистерезиса.

Магнитная проницаемость -- это физическая скалярная величина, показывающая, во сколько раз индукция магнитного поля в данном веществе отличается от индукции магнитного поля в вакууме.

Понятие магнитной цепи. Магнитный ток рассеяния. Вихревые токи.

Магнитная цепь - это совокупность ферромагнитных и неферромагнитных частей электротехнических устройств, необходимых для создания магнитных полей нужных конфигураций и интенсивности.

Вихревые токи - токи, возникающие в проводящих средах благодаря явлению электромагнитной индукции. Вредны они, например, в сердечниках трансформаторов, однако имеют и полезное применение (например, при индукционной плавке металлов)

8. Закон полного тока. Закон Кирхгофа для магнитной цепи

Расчет магнитных цепей проводится на основе законов Кирхгофа для магнитных цепей. Этих законов два.

Первый закон Кирхгофа

Применяют к магнитным узлам разветвленной магнитной цепи. Согласно этому закону алгебраическая сумма потоков равна нулю.

Второй закон Кирхгофа

Применяют к магнитным контурам. В соответствие с этим законом алгебраическая сумма магнитных напряжений равна алгебраической сумме намагничивающих сил в контуре.

Для контура АВСD (см. рис.26.1) получаем



Где: - магнитные напряжения на различных участках магнитной цепи

Единицей магнитного напряжения является Ампер (А)

9. Магнитное напряжение. Закон Ома для магнитной цепи

Магнитный поток в магнитной цепи пропорционален магнитному напряжению UM и обратно пропорционален магнитному сопротивлению RM.

- магнитный поток магнитной цепи (Закон Ома);

- магнитодвижущая сила или магнитное напряжение;

- магнитное сопротивление магнитной цепи;

- напряженность в сердечнике катушки длинойlи сечениемS, в которой проходит токI;

- магнитная индукция.

Подъемная сила электромагнита. Взаимодействие проводников с током.

Подъемная сила магнита-сила, с которой магнит удерживает железо, расположенное в непосредственной близости к нему; другими словами, подъемная сила магнита равна той силе, которая необходима, чтобы оторвать от магнита притянутый к нему кусок чистого мягкого железа.

Если близко один к другому расположены проводники с токами одного направления, то магнитные линии этих проводников, охватывающие оба проводника, обладая свойством продольного натяжения и стремясь сократиться, будут заставлять проводники притягиваться (рис. 90, а).

Магнитные линии двух проводников с токами разных направлений в пространстве между проводниками направлены в одну сторону. Магнитные линии, имеющие одинаковое направление, будут взаимно отталкиваться. Поэтому проводники с токами противоположного направления отталкиваются один от другого (рис., б).

Рассмотрим взаимодействие двух параллельных проводников с токами, расположенными на расстоянии а один от другого. Пусть длина проводников равна l.

Магнитная индукция, созданная током I1 на линии расположения второго проводника, равна



На второй проводник будет действовать электромагнитная сила

Магнитная индукция, созданная током I2 на линии расположения первого проводника, будет равна

и на первый проводник действует электромагнитная сила

равная по величине силе F2

На электромеханическом взаимодействии проводников с током основан принцип действия электродинамических измерительных приборов; используемых в цепях постоянного и в особенности переменного тока.

10. Расчет магнитных цепей при постоянной МДС

ЭДС электромагнитной индукции, самоиндукции и взаимоиндукции.

Дроссель в цепи переменного тока.

Дросселем, в общем случае, называют катушку индуктивности, чаще всего с сердечником, которая служит для устранения или уменьшения переменного (импульсного) тока, разделения или ограничения сигналов различной частоты.

Дроссели переменного тока, предназначены для ограничения электрического тока, при резких изменениях нагрузки, например, при пуске электродвигателей или источников питания;

Устройство и принцип действия однофазного трансформатора.

Принцип работы однофазного трансформатора довольно простой и основан на генерации электродвижущей силы (ЭДС) в обмотках проводника, который находится в движущемся магнитном поле и сгенерирован при помощи переменного I. При прохождении электричества по обмоткам первичной катушки создается магнитный поток (Ф), который пронизывает и вторичную катушку. Силовые линии Ф благодаря замкнутой конструкции магнитопровода имеют замкнутую структуру. Для получения оптимальной мощности Т необходимо располагать катушки обмоток на близком расстоянии относительно друг друга.

Исходя из закона электромагнитной индукции происходит изменение Ф и индуцируется в первичной обмотке ЭДС. Эта величина называется ЭДС самоиндукции, а во вторичной -- ЭДС взаимоиндукции.

При подключении потребителя к первичной обмотке Т в цепи появится электрическая энергия, которая передается из первичной обмотки через магнитопровод (катушки не связаны гальванически). В этом случае средством передачи электроэнергии служит только Ф. Трансформаторы по конструктивной особенности бывают различные. По достижению максимальной магнитной связи (МС) Т делятся на следующие типы:

Сильная.

Средняя.

Слабая.

При слабой МС происходит значительная потеря энергии и Т такого типа практически не применяются. Основной особенностью таких Т являются незамкнутые сердечники.

Уровень средней МС достигается только при полностью замкнутом магнитопроводе. Одним из примеров такого Т является стержневой тип, у которого обмотки расположены на железных стержнях и соединены между собой накладками или ярмами. В результате такой конструкции получается полностью замкнутый сердечник.

Примером сильной МС является Т броневого типа, обмотки которого располагаются на одной или нескольких катушках. Эти обмотки расположены очень близко, благодаря чему и обеспечивается минимальная потеря электрической энергии. Магнитопровод полностью покрывает катушки, создавая более сильный Ф, который разбивается на 2 части. У трансформаторов такого типа потоки сцепления между обмотками практически равны.

Уравнение трансформаторных ЭДС.



f - частота приложенного напряжения

w - количество витков обмотки

Фm - Амплитуда магнитного потока

Режим работы трансформатора.

Трансформаторы за время эксплуатации работают в разных режимах. Но не все они одинаково сказываются на сроке службы электромагнитного оборудования. Режимы работы силового трансформатора зависят от его нагрузки, напряжения обмоток, температуры масла и обмоток, условий окружающей среды и других параметров.

Режимы работы трансформатора:

· нормальный;

· перегрузочный;

· аварийный.

Нормальные режимы работы трансформатора

К ним относятся номинальный, оптимальный, режим холостого хода и режим параллельной работы.

Номинальный и оптимальный режим

Еще эти режимы трансформатора называют рабочими. Потому что при них напряжение и ток близки к номинальным (на которые рассчитано оборудование) условиям.

Номинальный режим - это когда ток и напряжение на первичной обмотке соответствуют номинальным показателям. Но на деле трансформатор редко работает в таких условиях. Потому что в сети происходят постоянные колебания нагрузки. При таком режиме трансформатор работает исправно. Но коэффициент полезного действия (КПД) оборудования не достигает максимума.

Оптимальный режим - это режим, при котором трансформатор имеет максимальный КПД. Как правило, максимальные КПД трансформатор показывает под нагрузкой 50-70% от номинальной. Современные силовые трансформаторы работают с КПД 90% и выше.

На деле большинство трансформаторов не работают в одном и том же режиме. Потому что нагрузка в сети непостоянная.

Холостой режим трансформатора

При режиме холостого хода на первичную обмотку трансформатора поступает напряжение, а вторичная обмотка не подключена к сети потребителя электроэнергии. В таком режиме КПД равен 0.

На холостом ходу силового трансформатора определяют коэффициент трансформации, мощность потерь в металле и параметры намагничивающей ветви схемы замещения. Для таких измерений на первичную обмотку трансформатора пускают электрический ток номинального напряжения.

А для трансформатора напряжения режим холостого хода является рабочим.

Режим параллельной работы

Два трансформатора устанавливаются в сетях, питающих энергией потребителей первой и второй категории. Важно подключить трансформаторы так, чтобы ни один из них не испытывал перегрузки.

Для этого у трансформаторов:

· должны быть одни и те же группы соединений обмоток;

· коэффициенты трансформации не должны отличаться больше, чем на 0,5 %;

· номинальные мощности должны соотноситься не более, чем один к трем;

· напряжения короткого замыкания должны различаться не более, чем на 10 %;

· должна выполняться фазировка трансформаторов.

Перегрузочный режим

Трансформатор испытывает перегрузки при воздействии нагрузок и температур выше допустимой нормы. Для каждой модели эти показатели свои. Производители силовых трансформаторов предусматривают возможность работы оборудования в условиях перегрузки. Но если устройство испытывает их продолжительное время или регулярно - это уменьшает срок службы оборудования. Допустимые перегрузки описаны в стандартах. Например, для масляных трансформаторов разработан ГОСТ 14209-97.

Аварийный режим

Трансформатор находится в аварийном режиме, если на него воздействует электрический ток, который сильно превосходит номинальные величины. Дальше давать работать оборудованию нельзя. Как правило, в трансформаторах существуют автоматические выключатели. Они отключают питание оборудования.

Признаки аварийного режима:

· громкий и неритмичный шум и треск в баке трансформатора;

· повышение температуры рабочей части трансформатора;

· утечка трансформаторного масла.

Часто аварийный режим возникает из-за короткого замыкания во вторичной обмотке. Исключение - трансформаторы тока и сварочные трансформаторы. Для них режим короткого замыкания является рабочим.

Напряжение во время короткого замыкания (КЗ) - это еще и важный показатель, который влияет на эксплуатацию трансформатора. Его измеряют в процентах. Для трансформаторов со средним показателем мощности напряжение КЗ составляет 5-7%, а для более мощных - 6-12 %.

Важно не допускать работы трансформатора в аварийном режиме вообще и ограничивать его перегрузки. В этом случае оборудование прослужит вам заявленный производителем срок.

Приведенный трансформатор, его Т- и Г-образные схемы замещения.



Параметры r₁, x₁ - активное и индуктивное сопротивления первичной обмотки, соответственно.

r₂, x₂ - приведенные значения активного и индуктивного сопротивлений вторичной обмотки, соответственно.

Z_н - полное сопротивление нагрузки.

Г- образная схема

Где r_экв=r₁+r₂', x_экв=x₁+x₂'

Векторная диаграмма трансформатора.



11. Расчет схемы замещения: опыты холостого хода и короткого замыкания

Внешняя характеристика трансформатора, потери и КПД. Паспортные данные трансформатора.

Вешней характеристикой трансформатора называют зависимость вторичного напряжения U₂ от тока нагрузки I₂ при заданном коэффициенте мощности нагрузки cosц_н и номинальном первичном напряжении U_1ном. Ток I₂ задают не в абсолютных, а в относительных единицах в = I₂/I_2ном = I₁/I_1ном, где в - коэффициент загрузки трансформатора. Изменение напряжения на выходе трансформатора DU, %:

определяет вид внешней характеристики:

.



Внешние характеристики (а) и КПД трансформатора (б)

12. Трехфазные силовые трансформаторы

До сих пор мы рассматривали конструкцию и работу однофазного двухобмоточного трансформатора напряжения, который можно использовать для увеличения или уменьшения его вторичного напряжения по отношению к первичному напряжению питания. Но трансформаторы напряжения также могут быть сконструированы для подключения не только к одной однофазной, но и для двухфазных, трехфазных, шестифазных и даже сложных комбинаций до 24 фаз для некоторых выпрямительных трансформаторов постоянного тока.

Если мы возьмем три однофазных трансформатора и соединим их первичные обмотки друг с другом и их вторичные обмотки друг с другом в фиксированной конфигурации, мы можем использовать трансформаторы от трехфазного источника питания.

Трехфазные, также записанные как 3-фазные или 3ц источники питания, используются для выработки, передачи и распределения электроэнергии, а также для всех промышленных применений. Трехфазные источники питания имеют много электрических преимуществ по сравнению с однофазными, и при рассмотрении трехфазных трансформаторов нам приходится иметь дело с тремя переменными напряжениями и токами, различающимися по фазе на 120 градусов, как показано ниже



Трансформаторы социального назначения (автотрансформаторы, измерительные трансформаторы тока и напряжения, сварочные трансформаторы).

Амвтотрансформамтор -- вариант трансформатора, в котором первичная и вторичная обмотки соединены напрямую, и имеют за счёт этого не только магнитную связь, но и электрическую. Обмотка автотрансформатора имеет несколько выводов (как минимум 3), подключаясь к которым, можно получать разные напряжения.

Преимуществом автотрансформатора является более высокий КПД, поскольку лишь часть мощности подвергается преобразованию -- это особенно существенно, когда входное и выходное напряжения отличаются незначительно. Недостатком является отсутствие электрической изоляции (гальванической развязки) между первичной и вторичной цепью.

Измеримтельный трансформамтор -- электрический трансформатор, предназначенный для измерения и контроля, например, в системах релейной защиты сетей, напряжения, тока или фазы электрического сигнала, обычно переменного тока промышленной частоты (50 или 60 Гц) в контролируемой цепи.

Применяется в тех случаях, когда непосредственное подключение измерительного прибора неудобно или невозможно, например, при измерении очень больших токов или напряжений. Также применяется для обеспечения гальванической изоляции первичной цепи от измерительной или контролирующей цепи.

Измерительный трансформатор рассчитывается таким образом, чтобы оказывать минимальное влияние на измеряемую (первичную) цепь и минимизировать искажения формы сигнала и фазы измеряемого сигнала первичной цепи, пропорционально отображаемого во вторичную измерительнцю цепь.

13. Двигатели постоянного тока независимого и параллельного возбуждения

Двигатель постоянного тока с параллельным возбуждением - это электродвигатель, у которого обмотки якоря и возбуждения подключаются друг к другу параллельно. Часто по своей функциональности он превосходит агрегаты смешанного и последовательного типов в случаях, если необходимо задать постоянную скорость работы.

Двигатель постоянного тока независимого возбуждения как раз и реализует третий принцип регулирования скорости. Его отличие в том, что обмотка возбуждения и магнитное поле главных полюсов подключаются к разным источникам. Ток возбуждения является неизменной характеристикой, а магнитное поле меняется. При этом изменяется число оборотов вала на холостом ходу, жесткость характеристики остается прежней.

Таким образом, принцип работы дпт с независимым возбуждением является достаточно сложным вследствие независимой работы двух источников, тем не менее, его главное преимущество - большая экономичность.

Двигатели постоянного тока последовательного возбуждения.

Двигатель постоянного тока последовательного возбуждения представляет собой электрическую машину постоянного тока, в которой обмотка возбуждения подключена последовательно с обмоткой якоря. Для данного типа двигателей справедливо равенство: ток, протекающий в якорной обмотке, равен току в обмотке возбуждения I=Iв=Iя, что является его главной отличительной особенностью от остальных типов двигателей.

Схема подключения ДПТ ПВ

Стоит обратить внимание на зависимость магнитного потока от нагрузки Ф=f(Iя). Если двигатель будет работать на 25% своей номинальной мощности или меньше, то магнитный поток будет крайне мал, что приведет к постоянному увеличению скорости вала. Препятствовать разгону будут лишь механические потери, и двигатель пойдет в "разнос". Это приведет к быстрому выходу машины из строя. Все описанное в соответствии с формулой:

14. Двигатели постоянного тока смешанного возбуждения



Принципиальная схема электродвигателя смешанного возбуждения приведена на рис. В этом двигателе имеются две обмотки возбуждения - параллельная (шунтовая, ШО), подключенная параллельно цепи якоря, и последовательная (сериесная,СО), подключенная последовательно цепи якоря. Эти обмотки по магнитному потоку могут быть включены согласно или встречно.

15. Генераторы постоянного тока с независимым возбуждением

В этом генераторе ток возбуждения Iв не зависит от тока якоря Iа, который равен току нагрузки Iн. Величина тока Iв определяется только положением регулировочного реостата rр.в, включенного в цепь обмотки возбуждения:

,

где Uв- напряжение источника питания; rв - сопротивление обмотки возбуждения; rр.в-сопротивление регулировочного реостата.

Обычно ток возбуждения невелик и составляет 1-3% от номинального тока якоря.

Основными характеристиками, определяющими свойства генераторов постоянного тока, являются характеристики холостого хода, внешняя, регулировочная и нагрузочная.



Принципиальная схема генератора с независимым возбуждением

Характеристикой холостого хода (рис., а) называют зависимость U0 = f(Iв) при Iн= 0 и n = const. При холостом ходе машины, когда цепь нагрузки разомкнута, напряжение U0на зажимах якоря равно э.д.с. Е = сеФn.

Обычно частота вращения якоря n поддерживается неизменной и напряжение при холостом ходе зависит только от величины магнитного потока Ф, т.е. оттока возбуждения Iв. Поэтому характеристика U0 = f(Iв) подобна магнитной характеристике Ф = f(Iв)

Характеристики генератора с независимым возбуждением

Характеристику холостого хода легко снять экспериментально. Вначале устанавливают ток возбуждения таким, чтобы U0 ? 1,25Uном; затем уменьшают ток возбуждения до нуля и снова увеличивают до прежнего значения. При этом получаются восходящая и нисходящая ветви характеристики, выходящие из одной точки. Расхождение этих ветвей объясняется наличием гистерезиса в магнитопроводе машины. При Iв = 0 в обмотке якоря потоком остаточного магнетизма индуктируется остаточная э.д.с. Еост, которая составляет 2-4% от Uном.

Генератор с параллельным возбуждением имеет такую же конструкцию обмотки возбуждения, как и генератор с независимым возбуждением. Поскольку Iя = Iн + Iв, то ток возбуждения является частью тока якоря и составляет 1ё5% Iя.ном. Характеристика холостого хода E = f(Iв) в относительных единицах практически одинакова у всех типов генераторов.

Рассмотрим процесс самовозбуждения машины при наличии остаточной намагниченности Фост основных полюсов в режиме холостого хода. При вращении якоря с частотой nном в слабом остаточном магнитном поле Фост в якоре наводится небольшая ЭДС Еост. Так как обмотка возбуждения и якорь образуют замкнутый контур, то под действием Еост в ОВ появится небольшой ток Iв, который создаст небольшой поток возбуждения Фв.

При правильной полярности включения ОВ произойдет суммирование потоков Фост + Фв = Ф. Усиленный поток Ф увеличивает ЭДС Е, которая увеличивает Iв и т. д. Процесс самовозбуждения нарастает. Ограничение роста Ф, Е, Iв происходит из-за насыщения магнитной цепи.

Процесс самовозбуждения можно проиллюстрировать, добавив к характеристике холостого хода прямую 2, построенную по уравнению E = (Rя + Rр + Rв)Iв »(Rр + Rв)Iв. Ее угол наклона можно регулировать изменением сопротивления Rррегулировочного реостата. При пуске Rр выведено, т. е. Rр = 0. Тогда прямая 2 имеет минимальный угол наклона, определяемый сопротивлением Rв обмотки возбуждения. Процесс самовозбуждения показан стрелками: вначале из точки Еост - горизонтальный ход до прямой 2, далее вертикальный ход до характеристики 1, затем опять горизонтальный ход до прямой 2 и т. д. Процесс оканчивается в точке пересечения кривой 1 и прямой 2 при Е = Еmах. Это устойчивое возбуждение. Для снижения Еmах до Еном вводят реостат Rр. При этом угол a увеличивается и прямая 2 занимает положение 3. Увеличение Rр, при котором прямая 3 занимает положение 4, сделает работу генератора неустойчивой и Е может упасть до Еост. Сопротивление цепи возбуждения Rр.кр + Rв, определяющее угол aкр, называют критическим. Самовозбуждение при таком и большем сопротивлении невозможно.

Итак, для самовозбуждения генератора требуются три условия: наличие остаточного потока намагничивания Фост; согласованность потоков ФвиФост; сопротивление цепи возбуждения меньше критического, а п = пном.

16. Устройство, принцип действия и область применения асинхронных двигателей

Принцип действия асинхронного двигателя основан на использовании вращающегося магнитного поля.

Для уяснения работы такого двигателя проделаем следующий опыт.

Укрепим подковообразный магнит на оси таким образом, чтобы его можно было вращать за ручку. Между полюсами магнита расположим на оси медный цилиндр, могущий свободно вращаться.



Простейшая модель для получения вращающегося магнитного поля

Начнем вращать магнит за ручку по часовой стрелке. Поле магнита также начнет вращаться и при вращении будет пересекать своими силовыми линиями медный цилиндр. В цилиндре, по закону электромагнитной индукции, возникнут вихревые токи, которые создадут свое собственное магнитное поле -- поле цилиндра. Это поле будет взаимодействовать с магнитным полем постоянного магнита, в результате чего цилиндр начнет вращаться в ту же сторону, что и магнит.

Установлено, что скорость вращения цилиндра несколько меньше скорости вращения поля магнита.

Действительно, если цилиндр вращается с той же скоростью, что и магнитное поле, то магнитные силовые линии не пересекают его, а следовательно, в нем не возникают вихревые токи, вызывающие вращение цилиндра.

17. Скольжение асинхронного двигателя, ЭДС и токи статора и ротора

Скольжение - это одна из основных характеристик электродвигателя. Она изменяется в зависимости от режима работы, нагрузки на валу и питающего напряжения. Давайте подробнее разберемся, что такое скольжение электродвигателя, от чего оно зависит и как определяется.

Принцип работы трехфазного асинхронного двигателя довольно прост. На обмотку статора подается питающее напряжение, которое создает магнитный поток, в каждой фазе он будет смещен на 120 градусов. При этом суммирующий магнитный поток будет вращающимся.

Обмотка ротора является замкнутым контуром, в ней наводится ЭДС и возникающий магнитный поток придает вращение ротору, в направлении движения магнитного потока статора. Вращающий электромагнитный момент пытается уравнять скорости вращения магнитных полей статора и ротора.

Высчитывается она по формуле:

где n1-- это частота вращения магнитного поля, n2 - частота вращения магнитного поля ротора.

Скольжение, это важная характеристика, характеризующая нормальную работу асинхронного электродвигателя.

18. Пуск и регулирование частоты вращения асинхронного двигателя

Рабочие характеристики асинхронного двигателя снимаются экспериментально и представляют собой зависимости тока статора I1, вращающего моментаМ, частоты вращения ротора n, коэффициента мощности cosц, КПДз, активной потребляемой мощности Р1 и скольжения sот мощности на валу двигателя Р2 при постоянных напряженииU1 и частоте f1питающей сети. Примерный вид характеристик приведен на рис. 5.10.

На практике замечено, что ток, потребляемый обмоткой статора в момент пуска двигателя, очень большой. В ряде случаев он превышает номинальный ток в 6-10 раз, что ведет к перегреву двигателя и преждевременному выходу его из строя. Поэтому, для пуска мощных асинхронных двигателей применяют специальные устройства, снижающие пусковой ток.

Принцип ограничения тока заключается в том, что к статорной обмотки двигателя на период пуска подводится пониженное напряжение.

Иногда для снижения напряжения, подаваемого на обмотки статора, изменяют схему включения обмоток. Например, асинхронный двигатель нормально работает по схеме «треугольник». Если на период пуска его обмотки включить «звездой», то на каждую фазу придется в раз меньшее напряжение.

Двигатели с фазным ротором запускают в работу, вводя дополнительные сопротивления в цепь ротора.

Первый способ заключается в изменении частоты тока f1, подаваемого в обмотки двигателя. Этот способ позволяет осуществлять плавное регулирование частоты вращения двигателя. В настоящее время регуляторы частоты тока недостаточно распространены на практике в связи с их дороговизной.

Изменяя количество катушек обмотки статора, подключенных к питающему напряжению и меняя таким образомчисло пар полюсов, (p = 1,2,3,4,5,6,), можно обеспечить различные частоты вращения магнитного поля (соответственно 3000, 1500, 1000, 750, 600, 500 об/мин). Недостатком данного способа является его ступенчатость, но он широко применяется при управлении различными металлообрабатывающими станками.

Третий способ регулирования частоты вращения за счет изменения скольжениявозможен лишь для двигателей с фазным ротором, в которых изменение s достигается путем введения регулировочных сопротивлений в цепь ротора. Такие схемы широко используются на грузоподъемных кранах.

Реверсирование, т.е. изменение направления вращения двигателя на обратное, осуществляется путем изменения порядка чередования двух любых фаз обмотки статора.

Торможение асинхронного двигателя может быть механическим и электрическим. К механическим относится торможение муфтами, электромагнитными лентами, колодками и т.д. Иногда применяют электродинамическое торможение, когда после отключения двигателя от сети переменного тока в его обмотки подается постоянный ток. В этом случае возникающее постоянное магнитное поле заметно сокращает время торможения ротора. Чаще используется торможение «противовключением». После отключения двигателя от сети его кратковременно включают на вращение в обратную сторону.

19. Однофазный асинхронный двигатель

Само название этого электротехнического устройства свидетельствует о том, что электрическая энергия, поступающая на него, преобразуется во вращательное движение ротора. Причем прилагательное «асинхронный» характеризует несовпадение, отставание скоростей вращения якоря от магнитного поля статора.

Слово «однофазный» вызывает неоднозначное определение. Связано это с тем, что термин «фаза» в электрике определяет несколько явлений:

· сдвиг, разность углов между векторными величинами;

· потенциальный проводник двух, трех или четырехпроводной электрической схемы переменного тока;

· одну из обмоток статора или ротора трехфазного двигателя либо генератора.

Поэтому сразу уточним, что однофазным электродвигателем принято называть тот, который работает от двухпроводной сети переменного тока, представленной фазным и нулевым потенциалом. Количество обмоток, вмонтированных в различных конструкциях статоров, на это определение не влияют.



20. Устройство синхронной машины. Типы возбудителей (генераторный и тиристорный)

Принцип действия и область применения синхронного генератора. Принцип действия синхронного генератора. В синхронных машинах частота вращения ротора равна частоте вращения магнитного поля статора и, следовательно, определяется частотой тока сети и числом пар полюсов, т. е. n = 60f/p и f = pn/60. Как и всякая электрическая машина, синхронная машина обратима, т. е. может работать как генератором, так и двигателем. Электрическая энергия вырабатывается синхронными reнераторами, первичными двигателями которых являются либо гидравлические, либо паровые турбины, либо двигатели внутреннего cгорания. Обычно обмотки возбуждения получают энергию от возбудителя, который представляет собой генератор постоянного тока. Возбудитель находится на одном валу с рабочей машиной, и мощность его составляет малую величину, порядка 1 - 5% мощности синхронной машины, возбуждаемой им. При небольшой мощности часто используются схемы питания обмоток возбуждения синхронных машин от сети переменного тока через полупроводниковые выпрямители. Простейшим генератором может быть виток из провода 1 и 2, вращающийся в магнитном поле (изо).

Магнитное поле возбуждается током обмотки возбуждения, помещенной на полюсах статора N - S. При вращении витка проводники 1 и 2 пересекают магнитное поле, созданное между полюсами N - S, вследствие чего в витке будет индуктироваться эдс. Концы витка соединены с кольцами 3, вращающимися вместе с витком. Если на кольцах поместить неподвижные щетки и соединить их с приемником электрической энергии, то по замкнутой цепи, состоящей из витка, колец, щеток и приемника энергии, пойдет электрический ток под действием эдс. Полученная в таком простейшем генераторе эдс будет непрерывно изменяться в зависимости от положения витка в магнитном поле. Когда проводники 1 и 2 находятся под осями полюсов (см. изо), то при вращении витка они пересекают в единицу времени наибольшее число линий магнитного поля. Следовательно, в данный момент индуктируемая в витке эдс будет иметь наибольшее значение. В дальнейшем при повороте витка изменится число линий магнитного поля, пересекаемых в единицу времени проводниками 1 и 2. При повороте витка на 90° в пространстве проводники будут перемещаться в вертикальном направлении, совпадающем с направлением магнитных линий поля. Следовательно, проводники 1 и 2 не пересекают магнитных линий и эдс в витке равна нулю. При повороте витка на угол, больший 90°, изменится направление перемещения этих проводников в магнитное поле, а следовательно, и направление эдс, индуктируемой в витке. Если магнитное поле между полюсами N и S распределяется равномерно, то эдс будет меняться во времени синусоидально. За один оборот витка в пространстве эдс, индуктируемая в нем, претерпевает один период изменения. Если виток вращается при помощи какого-либо первичного двигателя с постоянной частотой вращения n в минуту, то в этом витке индуктируется переменная эдс с частотой f = n/60.

Устройство синхронного генератора Возникновение эдс в проводниках возможно как при перемещении этих проводников в неподвижном магнитном поле, так и при перемещении магнитного поля относительно неподвижных проводников. В первом случае полюсы, т. е. индуктирующая часть машины, возбуждающая магнитное поле, помещаются на неподвижной части машины (на статоре), а индуктируемая часть (якорь), т. е. проводники, в которых создается эдс, - на вращающейся части машины (на роторе). Во втором случае полюсы помещаются на роторе, а якорь -- на статоре. Выше мы рассмотрели принцип действия синхронного генератора c неподвижными полюсами и вращающимся якорем. В таком генераторе энергия, вырабатываемая им, передается приемнику энергии посредством скользящих контактов - контактных колец и щеток. Скользящий контакт в цепи большой мощности создает значительные потери энергии, а при высоких напряжениях наличие такого контакта крайне нежелательно. Поэтому генераторы с вращающимся якорем и неподвижными полюсами выполняют только при невысоких напряжениях (до 380/220 В) и небольших мощностях (до 15 кВА). Наиболее широкое применение получили синхронные генераторы, в которых полюсы помещены на роторе, а якорь -- на статоре. Ток возбуждения протекает по обмотке возбуждения, которая представляет собой последовательно соединённые катушки, помещенные на полюсы ротора. Концы обмотки возбуждения соединены с контактными кольцами, которые крепятся на валу машины. На кольцах помещаются неподвижные щетки, посредством которых в обмотку возбуждения подводится постоянный ток от постороннего источника энергии - генератора постоянного тока, называемого возбудителем. Устройство синхронного генератора: 1 - синхронный генератор; 2 -- возбудитель

На изо показан общий вид синхронного генератора с возбудителем. Устройство статора синхронного генератора аналогично устройству статора асинхронной машины. Ротор синхронных генераторов выполняют либо с явно выраженными (выступающими) полюсами, либо с неявно выраженными полюсами, т. е. без выступающих полюсов. В машинах с относительно малой частотой вращения (при большом числе полюсов) роторы должны быть с явно выраженными плюсами (изо, а), равномерно расположенными по окружности ротора. Полюс состоит из сердечника 1, полюсного наконечника 2 и катушки обмотки возбуждения 3, помещаемой на сердечнике полюса. Ротор синхронной машины: а - с явно выраженными полюсами, б - с неявно выраженными полюсами; 1 - сердечник, 2 - полюсный наконечник, 3 - катушка обмотки возбуждения

Первичные двигатели синхронных генераторов с явно выраженными полюсами обычно представляют собой гидравлические турбины, являющиеся тихоходными машинами. При большой частоте вращения такое устройство ротора не может обеспечить нужной механической прочности и поэтому у высокоскоростных машин роторы выполняют с неявно выраженными полюсами (изо, 6). Сердечники роторов с неявно выраженными полюсами обычно изготовляют из цельных поковок, на поверхности которых фрезеруются пазы. После укладки обмоток возбуждения на роторе пазы его забиваются клиньями, а лобовые соединения обмотки возбуждения укрепляются стальными бандажами, помещенными на торцовых частях ротора. При такой конструкции ротора допускаются большие частоты вращения. Для генераторов с неявно выраженными полюсами первичными двигателями обычно являются паровые турбины, принадлежащие к числу быстроходных машин.

21. Принцип действия и область применения синхронного двигателя

В отличие от асинхронного двигателя частота вращения синхронного двигателя постоянна при различных нагрузках. Синхронные двигатели находят применение для привода машин постоянной скорости (насосы, компресоры, вентиляторы). В статоре синхронного электродвигателя размещается обмотка, подключаемая к сети трехфазного тока и образующая вращающееся магнитное поле. Ротор двигателя состоит из сердечника с обмоткой возбуждения. Обмотка возбуждения через контактные кольца подключается к источнику постоянного тока. Ток обмотки возбуждения создает магнитное поле, намагничивающее ротор.

...