Ответы на вопросы по эл технике 1-61. Цепи постоянного тока. Основные понятия и определения. Топологические понятия тэц, напряжение, сила тока, сопротивление, единицы измерения
 Скачать 1.04 Mb.
|
|
21 Трансформатор. Определение. Назначение. Конструкция. Основные параметры. Принцип действия. Трансформа́тор — электрический аппарат, предназначенный для преобразования посредством электромагнитной индукции одной или нескольких систем переменного тока в одну или несколько других систем переменного тока без изменения частоты систем(системы) переменного тока [1]. Трансформатор состоит: из замкнутого сердечника, собранного из листовой трансформаторной стали, на котором располагаются две или несколько обмоток - изолированного провода. Обмотки, подключаемые к источнику тока, называется первичной, а обмотка, с которой снимается напряжение - вторичной. У трехобмоточного трансформатора имеются две вторичные обмотки, что дает возможность получить два различных напряжения. Сердечник делается из листов электротехнической стали толщиной 0,35 мм - 0,5 мм и служит магнитопроводом трансформатора. Для уменьшения вихревых токов, а следовательно, и потерь в стали листы сердечника изолируются лаком. В зависимости от формы сердечника однофазные трансформаторы бывают стержневые и броневые. Принцип действия трансформатора : Действие трансформатора основано на явлении электромагнитной индукции. Если первичную обмотку трансформатора включить в сеть источника переменного тока, то по ней будет протекать переменный ток I0 (ток холостого хода), который возбудит в сердечнике трансформатора переменный магнитный поток. Магнитный поток, пронизывая витки вторичной обмотки трансформатора, будет индуктировать в этой обмотке э. д. с. Если вторичную обмотку замкнуть на какой-либо приемник энергии (на рис. 98 — лампа накаливания), то под действием индуктируемой э. д. с. Е2 по этой обмотке и через приемник энергии будет протекать ток I2. Одновременно и в первичной обмотке появится нагрузочный ток I', который в сумме с током холостого хода I0 определит ток первичной обмотки I1. Таким образом, электрическая энергия, трансформируясь, будет передаваться из первичной сети во вторичную, но при другом напряжении, на которое рассчитан приемник энергии, включенный во вторичную сеть. Основные уравнения трансформатора в рабочем режиме. Схема замещения. Схема замещения трансформатора представляет собой сочетание двух схем замещения — первичной и вторичной обмоток, которые соединены между собой в точках а и б. В цепи первичной обмотки включены сопротивления R1 и Х1 , а в цепи вторичной обмотки — сопротивления R'2 в Х'2.Участок схемы замещения между точками а и б, по которому проходит ток I0, называютнамагничивающим контуром. На вход схемы замещения подают напряжение Ú1, к выходу ее подключают переменное сопротивление нагрузкиZ'н, к которому приложено напряжение — Ú'2. Сопротивления Z'н (и его составляющие R'2 = R2k2 и Х'2 = Х2k2), а также Z'н, называют соответственно сопротивлениями вторичной обмотки и нагрузки, приведенными к первичной обмотке. Аналогично приведенными называют значения ЭДС и тока: Е'2 = kE2 = E1; I'2= I2/k. Полная мощность приведенного контура вторичной обмотки в схеме замещения равна мощности вторичной обмотки реального трансформатора: I'2Е'2 = (I2/k)E2k = I2E2, а мощность электрических потерь в приведенном вторичном контуре этой схемы равна мощности потерь во вторичной обмотке реального трансформатора: I'22R'2 = (I2/k)2R2k2 = I22R2. Уравнения идеального трансформатора. Идеальный трансформатор — трансформатор, у которого отсутствуют потери энергии на нагрев обмоток и потоки рассеяния обмоток[14]. В идеальном трансформаторе все силовые линии проходят через все витки обеих обмоток, и поскольку изменяющееся магнитное поле порождает одну и ту же ЭДС в каждом витке, суммарная ЭДС, индуцируемая в обмотке, пропорциональна полному числу её витков[15]. Такой трансформатор всю поступающую энергию из первичной цепи трансформирует в магнитное поле и, затем, в энергию вторичной цепи. В этом случае поступающая энергия равна преобразованной энергии:  Где: P1 — мгновенное значение поступающей на трансформатор мощности, поступающей из первичной цепи, P2 — мгновенное значение преобразованной трансформатором мощности, поступающей во вторичную цепь. Соединив это уравнение с отношением напряжений на концах обмоток, получим уравнение идеального трансформатора:  . Таким образом получаем, что при увеличении напряжения на концах вторичной обмотки U2, уменьшается ток вторичной цепи I2. Для преобразования сопротивления одной цепи к сопротивлению другой, нужно умножить величину на квадрат отношения.[16] Например, сопротивление Z2 подключено к концам вторичной обмотки, его приведённое значение к первичной цепи будет  . Данное правило справедливо также и для вторичной цепи:  .23) Режимы работы трансформатора. Схемы замещения трансформатора при различных режимах работы. Векторная диаграмма трансформатора. Режим холостого хода. При разомкнутой вторичной обмотке трансформатор работает в режиме холостого хода. Нагрузочный режим. При подключении нагрузки ZH к вторичной обмотке трансформатора начинает отдавать нагрузке некоторую мощность Короткое замыкание. Если короткое замыкание происходит в процессе эксплуатации трансформатора при номинальном напряжении, то в обеих обмотках возникают большие токи, превышающие номинальное значение в 10—20 раз, при этом повышается температура обмоток и на них действуют большие электромагнитные силы. Такое замыкание является аварийным и требует специальной защиты, которая должна отключить трансформатор в течение долей секунды. Для построения полной схемы замещения трансформатора необходимо магнитную связь между первичной и вторичной обмоткой заменить эквивалентной эл. связью. Это можно сделать если Е(1)=Е(2) или n(1)=n(2) или m=1.Поскольку обычно m не =1, то реальный трансформатор условно заменяют эквивалентным, обмотки которого имеют одинаковое число витков n(1), т.е n(2)(‘)=n(1).Эквивалентный трансформатор, у которого n(2)(‘)=n(1) называют приведённым.Указанная замена будет эквивалентной, если все энергетические и эл. магнитные соотношения в обоих трансформаторах будут одинаковы.Приведённые величины вторичной обмотки имеют теже буквенные обозначения и дополняются штрихом. U(2)(‘); I(2)(‘)… 24 Опыт холостого хода трансформатора. Опыт короткого замыкания трансформатора. Холостым ходом трансформатора является такой предельный режим работы, когда его вторичная обмотка разомкнута и ток вторичной обмотки равен нулю (I2 = 0). Опыт холостого хода позволяет определить коэффициент трансформации, ток, потери и сопротивление холостого хода трансформатора. При опыте холостого хода первичную обмотку однофазного трансформатора включают в сеть переменного тока на номинальное напряжение U1 (рис).  Под действием приложенного напряжения по обмотке протекает ток I1=I0 равный току холостого хода. Практически ток холостого хода равен примерно 5—10% номинального, а в трансформаторах малой мощности (десятки вольт-ампер) достигает значений 30% и более номинального. Для измерения тока холостого хода, приложенного к первичной обмотке напряжения и потребляемой мощности в цепь первичной обмотки трансформатора включены измерительные приборы (амперметр А, вольтметр V и ваттметр W). Вторичная обмотка трансформатора замкнута на вольтметр, сопротивление которого очень велико, так что ток вторичной обмотки практически равен нулю. Ток холостого хода возбуждает в магнитопроводе трансформатора магнитный поток, который индуктирует э. д. с. Е1 и Е2 в первичной и во вторичной обмотках. Во вторичной обмотке трансформатора нет тока и, следовательно, нет падения напряжения в сопротивлении этой обмотки, поэтому э. д. с. равна напряжению, т. е. Е2=1/2. Поэтому э. д. с. вторичной обмотки определяется показанием вольтметра, включенного в эту обмотку. Ток холостого хода, протекающий в первичной обмотке, очень мал по сравнению с номинальным, так что падение напряжения в сопротивлении первичной обмотки очень мало по сравнению с приложенным напряжением. Поэтому приложенное напряжение практически уравновешивается э. д. с. первичной обмотки и численные значения напряжения V и э. д. с. Е приблизительно равны. Следовательно, при опыте холостого хода э. д. с. первичной обмотки определится показанием вольтметра, включенного в ее цепь. 25. Внешние характеристики трансформатора. Потери и КПД трансформатора. Зависимость U2 = f (I2) или U2 = f (β) называют внешней характеристикой трансформатора. Коэффициент  называется коэффициентом загрузки трансформатора, где I2 – ток вторичной обмотки трансформатора; I2Н – номинальный ток вторичной обмотки.Электрические потери определяются величиной активного сопротивления и квадрата тока соответствующей обмотки. Потери в магнитопроводе зависят от марки стали, частоты сети, магнитной индукции в сердечнике трансформатора. В паспорте трансформатора приводится мощность потерь холостого хода Р0 и короткого замыкания РК, которые приблизительно равны (при номинальной нагрузке)Р0 = рстРК = рЭЛ.1 + рЭЛ.2.Для расчёта КПД удобно пользоваться выражением где SH - номинальная мощность трансформатора в кВА, РК и Р0 в кВт. Задаваясь значениями β = от 0 до 1 (от холостого хода до номинальной нагрузки), строят графическую зависимость η = f(β), рис. 1.4, б. КПД силовых трансформаторов достигает максимального значения при коэффициенте загрузки βmax = 0,45…0,6. КПД современных силовых трансформаторов находится в пределах 0,95…0,99. 26. Асинхронная машина. Определение. Назначение. Конструкция. Основные параметры. Режимы работы асинхронной машины. Понятие скольжения. Асинхронной машиной называется двухобмоточная электрическая машина переменного тока, у которой только одна обмотка (первичная) получает питание от электрической сети с постоянной частотой ω1, а вторая обмотка (вторичная) замыкается накоротко или на электрические сопротивления. Асинхронная машина — это электрическая машина переменного тока, частота вращения ротора которой не равна (в двигательном режиме меньше) частоте вращения магнитного поля, создаваемого током обмотки статора. Асинхронные машины — наиболее распространённые электрические машины. В основном они используются как электродвигатели и являются основными преобразователями электрической энергии в механическую. Режимы работы: 1).Двигательный режим: Если ротор неподвижен или частота его вращения меньше синхронной, то вращающееся магнитное поле пересекает проводники обмотки ротора и индуцирует в них ЭДС, под действием которой по обмотке ротора возникает ток. На проводники с током этой обмотки, расположенные в магнитном поле обмотки возбуждения, действуют электромагнитные силы; их суммарное усилие образует электромагнитный вращающий момент, увлекающий ротор за магнитным полем. Если этот момент достаточно велик, то ротор приходит во вращение, и его установившаяся частота вращения [об/мин] соответствует равенству электромагнитного момента тормозному, создаваемого нагрузкой на валу, силами трения в подшипниках, вентиляцией и т.д.. Частота вращения ротора не может достигнуть частоты вращения магнитного поля, так как в этом случае угловая скорость вращения магнитного поля относительно обмотки ротора станет равной нулю, магнитное поле перестанет индуцировать в обмотке ротора ЭДС и, в свою очередь, создавать крутящий момент; таким образом, для двигательного режима работы асинхронной машины справедливо неравенство:  . Относительная разность частот вращения магнитного поля и ротора называется скольжением . Очевидно, что при двигательном режиме .  2).Генераторный режим: Если ротор разогнать с помощью внешнего момента (например, каким-либо двигателем) до частоты, большей частоты вращения магнитного поля, то изменится направление ЭДС в обмотке ротора и активной составляющей тока ротора, то есть асинхронная машина перейдёт в генераторный режим. При этом изменит направление и электромагнитный момент, который станет тормозящим. В генераторном режиме работы скольжение  . Для работы АД в генераторном режиме требуется источник реактивной мощности, создающий поток возбуждения. При отсутствии первоначального магнитного поля в обмотке статора поток возбуждения создают с помощью постоянных магнитов, либо при активной нагрузке за счёт остаточной индукции машины и конденсаторов, параллельно подключенных к фазам обмотки статора. Асинхронный генератор потребляет намагничивающий ток значительной силы и требует наличия в сети генераторов реактивной мощности в виде синхронных машин, синхронных компенсаторов, батарей статических конденсаторов (БСК). Несмотря на простоту обслуживания, асинхронный генератор применяют сравнительно редко, в основном как вспомогательный источник небольшой мощности и как тормозное устройство.3). Режим электромагнитного тормоза: Если изменить направление вращения ротора или магнитного поля так, чтобы они вращались в противоположных направлениях, то ЭДС и активная составляющая тока в обмотке ротора будут направлены так же, как в двигательном режиме, и машина будет потреблять из сети активную мощность. Однако электромагнитный момент будет направлен встречно моменту нагрузки, являясь тормозящим. Для режима справедливы неравенства:  . Этот режим применяют кратковременно, так как при нём выделяется много тепла, которое двигатель не способен рассеять, что может вывести его из строя.27. Асинхронный двигатель. Т-и Г-образная схема замещения. Основные уравнения двигателя в рабочем режиме. Электрическую энергию в механическую энергию поступательного движения преобразуют линейные асинхронные электродвигатели, которые широко используются в электрической тяге, для выполнения технологических операций. Широкое применение АД связано с рядом их достоинств. 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. Т-образная схема замещения асинхронного двигателя Полная схема замещения асинхронного двигателя при вращающемся роторе отличается от схемы замещения асинхронного двигателя с заторможенным ротором только наличием в цепи ротора активного сопротивления, зависящего от нагрузки (рис. 1, а). Эту схему замещения называют Т-образной. Следовательно, и в этом случае удается свести теорию асинхронной машины к теории трансформатора. Т-образная схема замещения асинхронного двигателя  Рис. 1 Сопротивления намагничивающего контура значительно меньше соответствующих значений для схемы замещения трансформатора, так как ток холостого хода асинхронного двигателя гораздо больше, чем у трансформатора. Если при рассмотрении работы трансформатора часто можно пренебречь намагничивающим контуром, то при рассмотрении работы асинхронного двигателя этого сделать нельзя, так как ошибка может получиться значительной. Сопротивление r2‘(1 – S)/S можно рассматривать как внешнее сопротивление, включенное в обмотку ротора. Оно является единственным переменным параметром схемы. Изменение этого сопротивления эквивалентно изменению нагрузки на валу двигателя, а следовательно, изменению скольжения S. Г-образная схема замещения асинхронного двигателя Можно упростить вычисления, преобразовав Т-образную схему замещения в Г-образную, как это показано на рисунке 2, позиции а. Для Г-образной схемы замещения имеем:   Г-образная схема замещения асинхронного двигателя  Рис. 2 При анализе электромагнитных процессов в машинах общего применения часто полагают С1≈1, что существенно облегчает расчеты и мало влияет на точность полученных результатов. Г-образную схему замещения при С1 = 1 называют упрощенной схемой замещения с вынесенным намагничивающим контуром 28. Энергетические процессы в асинхронном двигателе. Баланс активной и реактивной мощности. Потери и КПД асинхронного электродвигателя. Р(1) – активная мощность потребляемая из сети.Р(1)=(3^0,5)*U(1)*I(1)*cos(фи(1)) (дельта)Р(э1) – эл. потери в обмотках статора. (дельта)Р(э1)=3*(I(1)^2)*R(1). Р(вр.п) – мощность вращающегося магнитного поля. (дельта)Р(м1) – магнитные потери в сердечнике статора. (дельта)Р(м1)= 3*(I(0)^2)*R(0). Р(эм) – эл. магнитная мощность – мощность, передаваемая через воздушный зазор между статором и ротором. (дельта)Р(э2) – потери на нагрев обмотки ротора. (дельта)Р(э2)=3*(I(2)(‘)^2)*R(2)(‘) Р(мех) – механическая мощность, развиваемая двигателем. (дельта)Р(мех) – механические потери мощности на трение в подшипниках и на сопротивление воздуха вращению ротора. Р(2н) – выходная полезная мощность двигателя. На диаграмме не отображены магнитные потери в сердечнике ротора, так как частота тока в роторе f(2)=f(1)*S, а при номинальном режиме работы скольжение мало, то частота f(2) тоже принимает не большие значения: f(2)=1,0-2,5Гц. Т.е магнитные потери сердечника ротора приближённо равны 0, поэтому их не учитывают. Уравнение баланса активной мощности можно записать так: Р(2)=Р(мех)-(дельта)Р(мех) (1) Р(1)= Сумма(дельта)Р+Р(2) – уравнение баланса. КПД двигателя: (Эта)=Р(2)/Р(1)=(Р(1)-Сумма(дельта)Р)/Р(1)=1-(Сумма(дельта)Р/Р(1)) меньше 1 (70-80 процентов) Уравнение баланса реактивной мощности имеет вид: Q(1)=Q(p1)+Q(мю)+Q(p2). В этом уравнении все величины аналогичны величинам для трансформатора. Двигатель потребляет реактивную мощность: Q=3*U(ф1)*I(ф1)*sin(фи(1)) Часть этой мощности расходуется на создание поля рассеяния обмоток статора Q(p1), часть – на создание поля рассеяния обмоток ротора Q(p2). Основную часть реактивной мощности составляет мощность Q(мю). Она идёт на создание основного магнитного потока. Причём из-за наличия воздушного зазора между статором и ротором двигателя, величина Q(мю) значительно больше, чем в трансформаторе. 29. Электромагнитные моменты асинхронного двигателя. Механическая характеристика. Электромагнитный момент возникает при наличии магнитного поля, создаваемого обмоткой статора, и тока в обмотке ротора. Можно показать, что электромагнитный момент определяется соотношением: M=CΦI2cosψ2. Здесь:  – конструктивный коэффициент;ω0=2πf/p – скорость вращения магнитного поля; ψ2 – сдвиг по фазе между ЭДС и током ротора; I2cosψ2 – активная составляющая тока ротора. Таким образом, величина электромагнитного момента зависит от результирующего магнитного поля Φ и активной составляющей тока ротора. если ψ2=0°, в создании электромагнитного момента участвуют все проводники обмотки ротора, т.е. момент имеет наибольшее значение. Если ψ2=90° результирующая электромагнитная сила и момент равны нулю. В режиме двигателя при изменении нагрузки на валу изменяется частота вращения ротора, что приводит к изменению скольжения, частоты тока ротора, индуктивного сопротивления ротора и cosψ2. В результате изменяется вращающий момент. На рис. 2.13 приведено пояснение влияния индуктивного сопротивления ротора на угол ψ2: а) при S=1 (пуск в ход); б) при S≤1 (после разгона). Наибольшие значения ЭДС и частота тока ротора имеют в момент пуска в ход, когда скольжение S=1. При этом f2=f1, X2>>R2, угол ψ2 близок к 90° (рис. 2.13.а). За счет малого cosψ2 в момент пуска в ход асинхронные двигатели имеют ограниченный пусковой момент. Кратность пускового момента (по сравнению с номинальным) у них составляет Mпуск/Mн=0,8÷1,8. Причем большие цифры относятся к двигателям специальной конструкции с улучшенными пусковыми свойствами. По мере разгона ротора двигателя частота тока ротора падает, уменьшается индуктивное сопротивление ротора X2S и угол ψ2 уменьшается (рис. 2.13.б). Это приводит к увеличению вращающего момента и дальнейшему разгону двигателя. Подставим в выражение для электромагнитного момента соотношения для I2, cosψ2 и Φ, полученные ранее:  , , .Тогда
Используя соотношение
где: kтр – коэффициент трансформации асинхронной машины. 30. Асинхронный двигатель. Рабочие характеристики. Пуск асинхронного электродвигателя. Регулирование частоты вращения двигателя. Тормозные режимы асинхронного двигателя. При пуске должно выполняться два требования: -Вращ-й момент больше, чем момент сопротивлений. -Пусковой ток должен быть небольшим. n1=60f1/p (об/мин)-трудновыполнимо, т.к. в первые секунды ротор ещё не успел набрать нужную частоту вращения, уже возникшее магнитное вращение поля статора пересекает обмотку ротора с большей частотой и наводит в обмотке большую ЭДС. Эта ЭДС и создаёт большой ток в цепи ротора и соотв. большой ток в обмотке статора. In>Iм при частых запусках. Пуск при переключении обмоток статора со звезды на треугольник. С помощъю спец-го переключателя обмотку статора соединяют звездой, обмотку переключают треугольником. Пуск при включении добавочн. резисторов в цепь статора для фазного ротора. Фазный ротор с медной обмоткой, концы обмотки выведены на спец. медные кольца.(рис1)   1-корпус статора 2-корпус ротора 3-медные кольца 4-графитовые щётки 5-сопротивление 6-вал ротора 7-соединительные провода(рис 1) Автотрансформаторный пуск (с помощью лабор-го автотрансформатора-латра, рис 2)Пусковой ток уменьш-ся, понижая приложенное напряжение. Для снижения напряжения на время спуска, двигатель вкл через трансформатор. Возможно при небольших нагрузках. |