ШПОРЫ по электре. 1 Реальные и идеальные источники эл энергии. Схемы замещения

• Название: 1 Реальные и идеальные источники эл энергии. Схемы замещения
• Дата: 30.04.2019
• Размер: 1.27 Mb.
• Имя файла: ШПОРЫ по электре.docx
• Тип: Документы; #75766
• страница: 2 из 7

13. НЕСИММЕТРИЧНАЯ ЧАСТЬ ТРЕХФАЗНОЙ ЦЕПИ

Несимметричной называется трехфазная нагрузка, комплексные сопротивления фаз которой неодинаковы. На практике такая нагрузка часто встречается при подключении различных однофазных потребителей электроэнергии к трехфазной цепи, при этом каждый однофазный потребитель является фазой трехфазной нагрузки. Фазы нагрузки часто соединяются в звезду, нейтраль которой соединяется с нейтралью генератора. Схема такой несимметричной трехфазной нагрузки, подключенной через линию электропередачи к трехфазному генератору, показана на рис. 4.1.


На этой схеме нагрузка  подключена через линию электропередачи к генератору с симметричной системой ЭДС

 .

Трехфазная четырехпроводная линия электропередачи содержит три линейных провода с сопротивлениями  и нейтральный провод с сопротивлением . Нейтральный провод в такой цепи служит для поддержания напряжения на заданном уровне на каждой фазе несимметричной нагрузки независимо от разницы сопротивлений этих фаз (мощностей однофазных потребителей электроэнергии). На практике встречаются различные режимы работы нейтрального провода.

 



Рис. 4.1. Несимметричная нагрузка

 

Если в четырехпроводной трехфазной линии электропередачи все провода имеет одинаковую конструкцию, то сопротивление нейтрального провода равно . Примером такого режима является трехфазная система с изолированной от земли нейтралью. В целях электробезопасности часто используется режим глухозаземленной нейтрали, когда нейтрали генератора, нагрузки и промежуточные точки нейтрального провода преднамеренно соединяют с землей. При этом сопротивление земли оказывается включенным параллельно сопротивлению нейтрального провода и результирующее сопротивление  между нейтралями генератора и нагрузки может значительно уменьшиться по сравнению с . При этом с небольшой погрешностью можно реальный нейтральный провод заменить идеальным с . При обрыве нейтрального провода его сопротивление стремится к бесконечности, и напряжение на каждой фазе несимметричной нагрузки будет зависеть от соотношения сопротивлений этих фаз. Напряжение на фазах нагрузки в этом случае может значительно отличаться от номинального значения как в меньшую, так и в большую сторону. Такой режим для однофазных потребителей электроэнергии, подключенных к трехфазной сети, как правило, является аварийным.
14 Любое активное сопротивление не вносит изменений в форму тока, а значит, изменяется он в такт, если можно так сказать, напряжению. Единственно что надо учесть - это тот факт, что величина тока будет меньше величины напряжения в R раз согласно закона Ома,где R - сопротивление утюга. Примем его сопротивление, к примеру 50Ом. Изменение тока будет выглядеть согласно рис.2а. Несложно зрительно заметить, что ток и напряжение будут иметь нулевые, максимальные, средние значения в одно и тоже время (для этого увеличьте нажатием рис.1 и рис.2а и сравните красные графики для напряжения на рис.1 и для тока на рис.2а), т.е. все меняется синхронно. А теперь рассмотрим вопрос о смещении нейтрали. Возьмем любую многоэтажку и ее лестничную клетку, содержащую три квартиры. Вполне логично предположить, что каждую квартиру запитают от отдельной фазы. Обозначив нагрузку каждой из квартир как R1, R2, R3 представим упрощенную монтажную и электрическую схемы питания. Это показано в верхней части рис.3.



ВАЖНО! В нейтральном проводе 4-х проводной осветительной магистрали запрещена установка предохранителей или выключателей, т.к. при отключении нейтрального провода фазные напряжения могут стать неровными. В результате в одних фазах(или одной фазе)может наблюдаться недокал, а в других фазах(или одной фазе) - перекал и быстрое перегорание ламп(или бытовой техники). Это и будет явлением смещения нейтрали . Рассмотрим это явление. Посмотрим на верхнюю часть рис.3. При нормальной работе каждая квартира получает питание от фазы и нуля, а токи со всех трех фаз складываются (по правилу сложения векторов) в общей точке и текут далее по нулевому проводнику. Если мысленно порвать нулевой провод (отсоединить провод N в верхней части рис.3), то квартиры не обесточатся - схема окажется включенной звездой, как двигатель. Однако, у двигателя все три обмотки имеют равные параметры, поэтому в общей точке - нулевой потенциал, как мы рассматривали на рис.1. Но с квартирами такой номер не пройдет. В одной горят лампы и включен холодильник, в другой - домашний кинотеатр и пылесос с заряжающимся телефоном, в третьей, к примеру, - фен и СВЧ-печь. То есть нагрузки-то везде разные. И в общей точке возникнет некоторый потенциал. Его величина определяется специальной формулой, приведенной ниже, где U с индексами - фазные напряжения источника питания(генератора), а Y с индексами - проводимости нагрузок фаз(понятие проводимости в разделе "Про сопротивление". Пример такого рассчета можно найти в разделе . Правда, для этого необходимо быть знакомым с комплексными числами. А здесь мы "на пальцах", т.е. графически, покажем, что произойдет. Посмотрим на рис.4. Для удобства обозначим фазы как А, В и С - по старинке. 

15 Цепь трехфазного переменного тока состоит из трехфазного источника питания, трехфазного потребителя и проводников линии связи между ними. Симметричный трехфазный источник питания можно представить в виде трех однофазных источников, работающих на одной частоте с одинаковым напряжением и имеющих временной угол сдвига фаз 120˚. Эти источники могут соединяться звездой или треугольником. При соединении звездой условные начала фаз используют для подключения трех линейных проводников A, B, C, а концы фаз объединяют в одну точку, называемую нейтральной точкой источника питания (трехфазного генератора или трансформатора). К этой точке может подключаться нейтральный провод N. Схема соединения фаз источника питания звездой приведена на рисунке 1, а.



Рис. 1. Схемы соединения фаз источника питания: а – звездой; б – треугольником. Напряжение между линейным и нейтральным проводами называется фазным, а между линейными проводами – линейным. В комплексной форме записи выражения для фазных напряжений имеют вид:



Соответствующие им линейные напряжения при соединении звездой:



Здесь Uф – модуль фазного напряжения источника питания, а Uл – модуль линейного напряжения. В симметричной трёхфазной системе, при соединении фаз источника звездой, между этими напряжениями есть взаимосвязь:



При включении фаз треугольником фазные источники пи-тания соединяют последовательно в замкнутый контур (рисунок 1, б). Из точек объединения источников между собой выводятся три линейных провода A, B, C, идущие к нагрузке. Из рисунка 1, б видно, что выводы фазных источников подключены к линейным проводникам, а следовательно, при соединении фаз источника треугольником фазные напряжения равны линейным. Нейтральный провод в этом случае отсутствует. К трехфазному источнику может подключаться нагрузка. По величине и характеру трёхфазная нагрузка бывает симметричной и несимметричной. В случае симметричной нагрузки комплексные сопротивления всех трёх фаз одинаковы, а если эти сопротивления различны, то нагрузка несимметричная. Фазы нагрузки могут соединяться между собой звездой или треугольником (рисунок 2), независимо от схемы соединения источника.



Рис. 2. Схемы соединения фаз нагрузки

16 Измерение активной мощности в трехфазных цепях производят с помощью трех, двух или одного ваттметров, используя различные схемы их включения. Схема включения ваттметров для измерения активной мощности определяется схемой сети (трех- или четырехпроводная), схемой соединения фаз приемника (звезда или треугольник), характером нагрузки (симметричная или несимметричная), доступностью нейтральной точки. При несимметричной нагрузке в четырехпроводной цепи активную мощность измеряют тремя ваттметрами (рис. 3.18), каждый из которых измеряет мощность одной фазы – фазную мощность.



Рис3.18
Активная мощность приемника определяют по сумме показаний трех ваттметров(3.42) P = P₁ + P₂ + P₃, где P₁ = U_A I_A cos φ_A; P₂ = U_B I_B cos φ_B; P₃ = U_C I_C cos φ_C. Измерение мощности тремя ваттметрами возможно при любых условиях.При симметричном приемнике и доступной нейтральной точке активную мощность приемника определяют с помощью одного ваттметра, измеряя активную мощность одной фазы P_Ф по схеме рис. 3.19. Активная мощность всего трехфазного приемника равна при этом утроенному показанию ваттметра: P = 3 P_Ф.




Рис 3.19




Рис.3.20

На рис. 3.19 показано включение прибора непосредственно в одну из фаз приемника. В случае, если нейтральная точка приемника недоступна или зажимы фаз приемника, включенного треугольником не выведены, применяют схему рис. 3.20 с использованием искусственной нейтральной точки n'. В этой схеме дополнительно в две фазы включают резисторы с сопротивлением R = R_V. Измерение активной мощности симметричного приемника в трехфазной цепи одним ваттметром применяют только при полной гарантии симметричности трехфазной системы.

17Магнитная цепь — последовательность взаимосвязанных магнетиков, по которым проходит магнитный поток.^[1]

Из принципа непрерывности магнитного потока (5.3) следует, что для узла магнитной цепи справедливо выражение

. (5.5)

Уравнение (5.5) является аналогом первого закона Кирхгофа: алгебраическая сумма потоков, сходящихся в узле цепи, равна нулю (рис. 5.3).Второй закон Кирхгофа для магнитной цепи: Алгебраическая сумма МДС (I_kw_k) в контуре магнитной цепи равна алгебраической сумме магнитных напряжений (H_kℓ_k)в этом же контуре

I_kw_k=H_kℓ_k,

где I_k – намагничивающий ток, w_k – количество витков катушки, H_k– напряженность магнитного поля k-го участка, ℓ_k – длина средней линии. Магнитное напряжение U_Mk на участке магнитной цепи определяется как: U_Mk=H_kℓ_k.

Закон Ома для полной цепи:

, (2)

где:

 — ЭДС источника напряжения,  — сила тока в цепи,  — сопротивление всех внешних элементов цепи,  — внутреннее сопротивление источника напряжения.

Из закона Ома для полной цепи вытекают следствия:

- При r< сила тока в цепи обратно пропорциональна её сопротивлению. А сам источник в ряде случаев может быть назван источником напряжения

- При r>>R сила тока от свойств внешней цепи (от величины нагрузки) не зависит. И источник может быть назван источником тока.

18 полупроводники — зоны не перекрываются, и расстояние между ними (ширина запрещённой зоны) составляет менее 3,5 эВ[источник не указан 390 дней]. При абсолютном нуле температуры в зоне проводимости нет электронов, а валентная зона полностью заполнена электронами, которые не могут изменить свое квантомеханическое состояние, то есть не могут упорядоченно двигаться при приложении электрического поля. Поэтому при нулевой температуре собственные полупроводники не проводят электрический ток. При повышении температуры за счет теплового движения часть электронов, нарастающая при повышении температуры, «забрасывается» из валентной зоны в зону проводимости и собственный полупроводник становится электропроводным, причём его проводимость нарастает при увеличении температуры, так как растёт концентрация носителей заряда — электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне. У полупроводников ширина запрещённой зоны относительно невелика, поэтому для перевода электронов из валентной зоны в зону проводимости требуется энергия меньшая, чем для диэлектрика, именно поэтому чистые (собственные, нелегированные) полупроводники обладают заметной проводимостью при ненулевой температуре; p-n-Перехо́д (n — negative — отрицательный, электронный, p — positive — положительный, дырочный), или электронно-дырочный переход — область пространства на стыке двухполупроводников p- и n-типа, в которой происходит переход от одного типа проводимости к другому. p-n-Переход является основой для полупроводниковых диодов, триодов и других электронных элементов с нелинейной вольт-амперной характеристикой. Вольт-ампе́рная характери́стика (ВАХ) — зависимость тока через двухполюсник от напряжения на этом двухполюснике. Описывает поведение двухполюсника на постоянном токе. А также функция выражающая (описывающая) эту зависимость. А также - график этой функции. Чаще всего рассматривают ВАХ нелинейных элементов (степень нелинейности определяется коэффициентом нелинейности ), поскольку для линейных элементов ВАХ представляет собой прямую линию (описывающуюся законом Ома) и не представляет особого интереса.

19 Полупроводниковый диод — полупроводниковый прибор с одним электрическим переходом и двумя выводами (электродами). В отличие от других типов диодов, принцип действия полупроводникового диода основывается на явлении p-n-перехода. Типы диодов по частотному диапазону:

• 
  Низкочастотные
  
• 
  Высокочастотные
  
• 
  СВЧ
  

Типы диодов по назначению:

• 
  Выпрямительные диоды предназначены для преобразования переменного тока в постоянный.
  
• 
  Импульсные диоды имеют малую длительность переходных процессов, предназначены для применения в импульсных режимах работы.
  
• 
  Детекторные диоды предназначены для детектирования сигнала
  
• 
  Смесительные диоды предназначены для преобразования высокочастотных сигналов в сигнал промежуточной частоты.
  
• 
  Переключательные диоды предназначены для применения в устройствах управления уровнем сверхвысокочастотной мощности.
  
• 
  Параметрические
  
• 
  Ограничительные диоды предназначены для защиты радио и бытовой аппаратуры от повышения сетевого напряжения.
  
• 
  Умножительные
  
• 
  Настроечные
  
• 
  Генераторные
  

20Трансформатор-статический электромагнитный аппарат, предназначенный для преобразования электрической энергии переменного тока с параметрами u1I1 к параметрамu2I2 Трансформаторы. Трансформатор состоит: из замкнутого сердечника, изготовленного из специальной листовой трансформаторной стали. На нем располагаются две катушки с различным числом витков из медной проволоки. Одна из обмоток, называется первичной, она подключается к источнику переменного напряжения. Устройства, потребляющие электроэнергию, подключаются к вторичной обмотке, их может быть несколько. Принцип действия трансформатора. Принцип действия основан на законе электромагнитной индукции. При прохождении переменного тока по первичной обмотке в сердечнике возникает переменный магнитный поток, который возбуждает ЭДС индукции в каждой обмотке. Магнитное поле концентрируется внутри сердечника и одинаково во всех его сечениях. Мгновенное значение индукции Ei в любом витке и первичной, и вторичной обмоток одинаково: Е₁ = Е₂

Потери энергии при работе трансформатора:

• 
  на нагревание обмоток;
  
• 
  на рассеивание магнитного потока в пространство;
  
• 
  на вихревые токи в сердечнике и на его перемагничивание.
  

Преобразование переменного тока, при котором напряжение увеличивается или уменьшается в несколько раз практически без потери мощности ( при неизменной частоте тока), осуществляется с помощью трансформаторов. Трансформатор преобразует переменный ток так: , P и v не изменяются. Трансформаторы используются в технике и могут быть устроены очень сложно, однако незыблемым остается принцип их действия: '' изменяющееся магнитное поле, созданное переменным током в первичной обмотке, пронизывая витки вторичной обмотки, индуцирует в ней переменный ток той же частоты, но другого напряжения''. В современных мощных трансформаторах суммарные потери энергии не превышают 2–3%.
21 ЭДС обмотки статора. ЭДС обмотки статора e₁наводится вращающимся магнитным потоком. По аналогии с трансформатором можно написать, что ЭДС фазы обмотки статора определяется формулой:

 ,                                    (3.6)

где w₁–число витков обмотки статора;k_об1- обмоточный коэффициент, который учитывает укорочение шага обмотки, ее распределение по нескольким пазам и скос пазов.



3.8.2.ЭДС обмотки ротора. По аналогии с трансформатором можно написать выражение (3.6) для ЭДС неподвижного ротора (3.7) В неподвижном роторе частота ЭДС f₂=f₁, т. е. такая же как у ЭДС обмотки статора. Во вращающемся роторе частота ЭДС равна f₂. В этом случае из (3.7) наводимая ЭДС



(3.8)

Индекс s относится к вращающемуся ротору.



Учитывая,

что   , получаем

Подставив (3.5) в (3.8) находим связь между ЭДС вращающегося и неподвижного роторов

(3.9)



Из (3.9) следует, что ЭДС в обмотке вращающегося ротора составляет s %ЭДС неподвижного ротора, т. е. Легко показать, что связь между индуктивными сопротивлениями неподвижного ротора X₂ вращающегося ротора X_2sаналогична (3.9): для вращающегося ротора

,

а для неподвижного

 ,
22.Режимы работы трансформатора

1. Режим холостого хода. Данный режим характеризуется разомкнутой вторичной цепью трансформатора, вследствие чего ток в ней не течёт. С помощью опыта холостого хода можно определить КПД трансформатора, коэффициент трансформации, а также потери в сердечнике. 2. Нагрузочный режим. Этот режим характеризуется работой трансформатора с подключенными источником в первичной и нагрузкой во вторичной цепи трансформатора. Данный режим является основным рабочим для трансформатора. 3. Режим короткого замыкания. Этот режим получается в результате замыкания вторичной цепи накоротко. С его помощью можно определить потери полезной мощности на нагрев проводов в цепи трансформатора. Это учитывается в схеме замещения реального трансформатора при помощи активного сопротивления. Режим холостого хода. Когда вторичные обмотки ни к чему не подключены (режим холостого хода), ЭДС индукции в первичной обмотке практически полностью^[12] компенсирует напряжение источника питания, поэтому ток, протекающий через первичную обмотку, равен переменному току намагничивания, нагрузочные токи отсутствуют. Для трансформатора с сердечником из магнитомягкого материала (ферромагнитного материала, трансформаторной стали) ток холостого хода характеризует величину потерь в сердечнике (на вихревые токи и на гистерезис) и реактивную мощность перемагничивания магнитопровода. Мощность потерь можно вычислить, умножив активную составляющую тока холостого хода на напряжение, подаваемое на трансформатор. Для трансформатора без ферромагнитного сердечника потери на перемагничивание отсутствуют, а ток холостого хода определяется сопротивлением индуктивности первичной обмотки, которое пропорционально частоте переменного тока и величине индуктивности. Векторная диаграмма напряжений и токов в трансформаторе на холостом ходу при согласном включении обмоток приведена в на рис.1.8 б). Напряжение на вторичной обмотке в первом приближении определяется законом Фарадея. Режим короткого замыкания. В режиме короткого замыкания, на первичную обмотку трансформатора подаётся переменное напряжение небольшой величины, выводы вторичной обмотки соединяют накоротко. Величину напряжения на входе устанавливают такую, чтобы ток короткого замыкания равнялся номинальному (расчётному) току трансформатора. В таких условиях величина напряжения короткого замыкания характеризует потери в обмотках трансформатора, потери на омическом сопротивлении. Мощность потерь можно вычислить, умножив напряжение короткого замыкания  на ток короткого замыкания . Данный режим широко используется в измерительных трансформаторах тока. Режим с нагрузкой. При подключении нагрузки к вторичной обмотке во вторичной цепи возникает нагрузочный ток, создающий магнитный поток в магнитопроводе, направленный противоположно магнитному потоку, создаваемому первичной обмоткой. В результате в первичной цепи нарушается равенство ЭДС индукции и ЭДС источника питания, что приводит к увеличению тока в первичной обмотке до тех пор, пока магнитный поток не достигнет практически прежнего значения. Схематично, процесс преобразования можно изобразить следующим образом:



Мгновенный магнитный поток в магнитопроводе трансформатора определяется интегралом по времени от мгновенного значения ЭДС в первичной обмотке и в случае синусоидального напряжения сдвинут по фазе на 90° по отношению к ЭДС. Наведённая во вторичных обмотках ЭДС пропорциональна первой производной от магнитного потока и для любой формы тока совпадает по фазе и форме с ЭДС в первичной обмотке. Векторная диаграмма напряжений и токов в трансформаторе с нагрузкой при согласном включении обмоток приведена в на рис.1.6 в).