ВСР. Внеаудиторная самостоятельная работа
 Скачать 1.26 Mb.
|
|
Тема 3.1 Магнитные цепи. Расчет магнитной цепи Магнитная цепь (МЦ) – это устройство из ферромагнитных сердечников с воздушными зазорами или без них, по которым замыкается магнитный поток. Применение ферромагнетиков имеет целью получение наименьшего магнитного сопротивления, при котором требуется наименьшая МДС для получения нужной магнитной индукции или магнитного потока. Простейшая магнитная цепь – это сердечник кольцевой катушки. Применяются магнитные цепи неразветвленные и разветвленные, отдельные участки которых выполняются из одного или из разных материалов. Расчет магнитной цепи сводится к определению МДС по заданному магнитному потоку, размерам цепи и ее материалам. Для расчета цепь делят на участки l1,l2 и т. д. с одинаковым сечением по всей длине участка, т.е. с однородным полем, определяют магнитную индукцию В=  на каждом из них и по кривым намагничивания находят соответствующие напряженности магнитного поля. Магнитная цепь (MЦ) состоит из двух основных элементов:- источника магнитной энергии; - магнитопровода. Источник магнитной энергии в реальных МЦ бывает двух видов: - постоянный магнит; - электромагнит. Электромагнит представляет собой катушку индуктивности, размещенную на магнитопроводе, и подключенную к источнику напряжения. Магнитопровод по своей конструкции может быть разветвленным и неразветвленным. На рис.1. полказана неразветвленная магнитная цепь с электромагнитом.  Рисунок 1 Основные параметры МЦ: МДС – магнитодвижущая сила (основной параметр источника магнитной энергии): F = Iw (A), где I- ток в обмотке (А), w - число витков обмотки электромагнита. Напряженность магнитного поля на любом участке МЦ. Н =  = w  , ( ),где lср –длина средней линии магнитопровода (м). l ср проводится на чертеже строго по середине сечения магнитопровода. 3. магнитная индукция: В = µ µ0 Н (Тл), где µ - магнитная проницаемость вещества, из которого изготовлен магнитопровод. µ0 - магнитная постоянная, µ0 = 4 π ∙10 -7 Гн /м 4. Магнитный поток: Ф = В ∙ S (Вб), где S - площадь поперечного сечения магнитопровода. Самостоятельная работа №7 Тема 4.1 Виды и методы электрических измерений Измерение – процесс нахождения опытным путем значения физической величины с помощью специальных технических средств (средств измерения). Существует два вида измерений: – прямые; – косвенные. При прямых измерениях искомое значение физической величины определяют непосредственно по показанию прибора. К ним относятся: измерение тока амперметром, электроэнергии счетчиком, напряжения вольтметром и др. При косвенных измерениях искомое значение физической величины находят на основании известной зависимости между этой величиной и величинами, полученными в результате прямых измерений. Например, измерив ток и напряжение, можно найти величину электрического сопротивления. Различают два основных метода измерений: – метод непосредственной оценки: значение измеряемой величины определяют непосредственно по отсчетному устройству измерительного прибора (например, значение тока – по амперметру). Этот метод прост, но имеет сравнительно невысокую точность; – метод сравнения, при котором измеряемая величина сравнивается с величиной, воспроизводимой мерой. Этот метод точнее, но процесс измерения более сложный. Метод сравнения имеет несколько разновидностей: – нулевой метод, при котором результирующий эффект взаимодействия сравниваемых величин на измерительный прибор доводят до нуля, например, измерения электрического сопротивления с помощью уравновешенного моста; – дифференциальный метод: на измерительный прибор воздействует разность измеряемой величины и величины, воспроизводимой мерой, например, измерение электрического сопротивления с помощью неуравновешенного моста; – метод замещения, при котором измеряемую величину замещают известной величиной, воспроизводимой мерой и изменяя эту величину, добиваются такого же показания прибора, как и при действии измеряемой величины. В связи с тем, что абсолютно точных приборов нет, каждое средство измерения характеризуется погрешностью. Средства измерения электрических величин – это технические устройства, используемые при измерениях и имеющие заданные метрологические параметры. К средствам измерений относятся: меры, измерительные преобразователи, измерительные приборы и установки. Мера предназначена для воспроизведения физической величины заданного значения. К основным мерам электрических величин относятся меры: э.д.с., электрического сопротивления, индуктивности, электрической емкости и др. Меры высшего класса называются образцовыми. Они служат для проверки и градуировки рабочих мер и измерительных приборов. Измерительные преобразователи предназначены для выработки электрического сигнала в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и хранения, но не поддающейся непосредственному восприятию. К измерительным преобразователям относятся шунты, выпрямители, трансформаторы, усилители и т.д. Измерительные преобразователи могут быть встроены внутрь прибора или присоединяться снаружи к его зажимам. Измерительные приборы предназначены для выработки сигналов в форме, доступной для непосредственного наблюдения. К ним относятся, например, амперметр, вольтметр, ваттметр и др. Электроизмерительная установка представляет собой совокупность мер, измерительных преобразователей и приборов, расположенных в одном месте и предназначенных для выработки сигналов в форме, удобной для непосредственного наблюдения. Самостоятельная работа №8 Тема 4.2 Измерения в цепях постоянного и переменного тока Для измерения в цепях постоянного тока могут применяться магнитоэлектрические, электродинамические, электромагнитные, электростатические, термоэлектрические приборы. Наибольшую точность дают приборы магнитоэлектрической системы. Каждый из этих приборов можно использовать в качестве амперметра или вольтметра. Амперметр включают последовательно в электрическую цепь. Его внутреннее сопротивление RA должно быть небольшим, тем меньше, чем больше значение измеряемого тока, чтобы уменьшить потери мощности  , потребляемой амперметром.Вольтметр включают параллельно участку, на котором нужно измерить напряжение. Он должен обладать, наоборот, большим сопротивлением, чтобы оно не снижало значения измеряемого напряжения. Сопротивление вольтметра RV должно быть тем больше, чем выше значение измеряемого напряжения, а потери мощности  в вольтметре были невелики.Мощность в цепях постоянного тока можно измерить косвенным методом, одновременно измеряя ток и напряжение, и умножая их значения, получить Р = UI. Повышение точности измерений достигается применением электродинамических ваттметров. Измерение энергии в цепях постоянного тока производится счетчиками электродинамической системы. Схема включения счетчика в измерительную цепь аналогична схеме включения ваттметра. Измерение сопротивлений проводят методами непосредственной оценки (прямым и косвенным) и методами сравнения. Наиболее простым косвенным методом является метод амперметра-вольтметра. Сопротивление вычисляют на основании показаний этих приборов по формуле  .Прямое измерение сопротивления можно произвести с помощью омметра. Омметр представляет собой сочетание магнитоэлектрического измерителя, добавочного резистора и источника питания. Измеряемое сопротивление подключается к зажимам прибора и по отклонению стрелки прибора оценивают величину сопротивления. Измерение малых сопротивлений методом сравнения проводят измерительными мостами, больших – с помощью мегаомметров. Для измерения силы тока используют электромагнитные электродинамические амперметры. При больших значениях тока амперметры включают через измерительные трансформаторы тока. Измерение напряжения производят электромагнитными, электродинамическими, электростатическими и выпрямительными вольтметрами. Измерение активной мощности в однофазной цепи переменного тока осуществляют электродинамическим ваттметром. Активную энергию  измеряют с помощью индукционных счетчиков.В трехфазных цепях активную мощность измеряют также с помощью электродинамических и ферродинамических ваттметров. В четырехпроводных цепях используют метод трех ваттметров, каждый из которых измеряет мощность соответствующей фазы. Активная мощность всей цепи Р = РА + РB + PC. В трехпроводных цепях в зависимости от вида нагрузки (симметричная или несимметричная) используют метод одного или двух ваттметров. Для симметричной нагрузки активная мощность цепи Р = 3РФ = 3UФIФсosφФ. Для несимметричной нагрузки Р = UABIAcosα + UCBICcosβ = PW1 + PW2. Активная энергия измеряется в трехфазных цепях с помощью двух- и трехэлементных индукционных счетчиков. Самостоятельная работа №9 Тема 5.1 Общая теория электрических машин Действие электрических машин основано на использовании явления электромагнитной индукции. Электрическая машина, предназначенная для преобразования механической энергии в электрическую, называется генератором. Электрическая машина, предназначенная для преобразования электрической энергии в механическую, называется электродвигателем. Электрическая машина, предназначенная для преобразования электрической энергии в электрическую энергию другого рода тока, другого напряжения, другой частоты называется электромеханическим преобразователем. Любая электрическая машина может быть использована как в качестве генератора, так и в качестве двигателя. Свойство электрических машин изменять направление преобразуемой энергии называют обратимостью. Если в магнитном поле полюсов постоянных магнитов или электромагнитов (рис. 1) N и S поместить проводник и под действием какой-либо силы F1перемещать его, то в нем возникнет э. д.  ,где В—магнитная индукция в месте нахождения проводника; l— активная длина проводника (его часть, находящаяся в магнитном поле); v — скорость перемещения проводника в магнитном поле; α — угол между векторами максимума магнитной индукции и скоростью перемещения проводника (в рассматриваемом случае α = р/2, т. е. sin α = 1).  Рисунок 1 – Принцип действия электрической машины Направление э. д. с., индуктируемой в проводнике, определяется согласно правилу правой руки. Если проводник замкнуть на какое-либо сопротивление приемника энергии, то в образовавшейся цепи под действием э. д. с. протекает ток I, направление которого совпадает с направлением э. д. с. проводника. В результате взаимодействия тока проводника с магнитным полем полюсов создается электромагнитная сила:  ,направление которой определяется по правилу левой руки. Эта сила направлена встречно силе F1и при Fэм=F1 проводник перемещается с постоянной скоростью. Таким образом, механическая энергия, затрачиваемая на перемещение проводника, преобразуется в электрическую, отдаваемую сопротивлению внешнего приемника электрической, энергии, т.е. машина будет работать в режиме генератора. Если от постороннего источника электрической энергии через проводник пропустить ток, то в результате взаимодействия тока в проводнике и магнитного поля полюсов создается электромагнитная сила Fэмпод действием которой проводник начнет перемещаться в магнитном поле, преодолевая силу торможения какого-либо механического приемника энергии, т. е. машина будет работать как двигатель. Таким образом, в силу общности законов электромагнитной индукции и электромагнитных сил любая электрическая машина может работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя. Электрические машины подразделяют на машины постоянного и переменного тока. В машинах переменного тока возникает вращающееся магнитное поле, частота вращения которого зависит от частоты тока сети. Любая электрическая машина состоит из двух основных частей: неподвижной — статора, вращающейся — ротора. Машины переменного тока можно подразделять на: однофазные многофазные (обычно трехфазные), в зависимости от принципа действия на: синхронные асинхронные. В синхронных машинах процесс преобразования энергии происходит при синхронной скорости, т. е. при частоте вращения ротора, равной частоте вращения магнитного поля. Синхронные машины широко применяют в качестве генераторов, и вся вырабатываемая электрическая энергия производится генераторами этого типа. Применение синхронных двигателей ограничивается относительно небольшим кругом специальных назначений (постоянство частоты, повышение cosφ и др.). В асинхронных машинах процесс преобразования энергии происходит при несинхронной (асинхронной) частоте, т. е. при частоте вращения ротора, не равной частоте вращения магнитного поля. В силу ряда существенных достоинств асинхронные машины, применяемые в качестве двигателей, являются наиболее распространенным типом электрических машин. Кроме синхронных и асинхронных машин переменного тока применяют коллекторные машины, используемые в качестве двигателей переменного тока и допускающие экономичное регулирование скорости в широких пределах, у которых регулировочные характеристики близки к характеристикам двигателей постоянного тока. Электрические машины, применяемые для преобразования электрической энергии в электрическую энергию другого рода тока (другого напряжения, числа фаз, частоты), называют преобразователями. Электрические машины, используемые в качестве регуляторов и усилителей электромеханических сигналов, называют соответственно электромашинными регуляторами и усилителями. К электрическим машинам в силу общности физических явлений относят трансформатор, являющийся статическим электромагнитным преобразователем переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения. Принцип работы трансформатора основан на использовании явления взаимоиндукции между двумя (или несколькими) обмотками, помещенными на замкнутом стальном магнитопроводе. Трансформаторы применяют при передаче электрической энергии на большие расстояния и распределении ее между потребителями, а также в различных преобразовательных, измерительных, защитных и других устройствах. Самостоятельная работа №10 Тема 5.2 Электрические машины переменного тока Машины переменного тока подразделяются на синхронные и асинхронные. Асинхронные машины используются в основном, как двигатели. В режиме торможения они работают как генераторы. Синхронные машины переменного тока получили наибольшее распространение как трехфазные генераторы, в основном это все генераторы на современных электрических станциях. Трехфазные синхронные двигатели преимущественно применяются в качестве привода мощных производственных машин. Асинхронная машина – такая машина, в которой преобразование энергии осуществляется посредством вращающегося магнитного поля, возбуждаемого переменным током частотойf1, поступающим из сети. Основным принципом работы является то, что ротор вращается со скоростьюn2отличающейся от скорости вращения магнитного поляn1, называемой синхронной скоростью двигателя. В большинстве асинхронных двигателей магнитное поле создается системой трехфазного тока. При работе в качестве двигателя ротор вращается медленнее, чем магнитное поле. Если ротор с помощью первичного двигателя вращается быстрее, чем магнитное поле, то машина является генератором. Как в режиме двигателя, так и режиме генератора скорость вращения ротора асинхронной машины зависит от нагрузки. Неподвижная часть машины – статор, состоит из стального сердечника и расположенных на нем трех обмоток, оси которых сдвинуты на угол 120° одна относительно другой. Обмотки подключены к источнику трехфазного тока. Сердечник статора имеет форму полого цилиндра, вдоль внутренней поверхности которого, сделаны пазы. В диаметрально противоположных пазах статора уложены обмотки трех катушек. Если катушки статора соединить между собой в звезду или треугольник, то симметричная трехфазная цепь питания создает в магнитной системе машины вращающееся магнитное поле. Ротор, представляет собой цилиндрический сердечник, в диаметрально противоположных пазах которого, уложены короткозамкнутые витки. При вращении магнитного поля токов статора со скоростьюn1, в проводниках ротора наводится ЭДС. Под действием ЭДС в короткозамкнутых витках ротора протекает ток, взаимодействующий с вращающимся магнитным полем. Это взаимодействие проявляется в возникновении электромагнитных сил, действующих на ротор. Если электромагнитные силы, действующие на неподвижный ротор, превышают тормозной момент на его валу, то он получает ускоренное движение в направлении вращения магнитного поля. По мере возрастания скорости вращения ротора относительная скорость движения его проводников в равномерно вращающемся поле уменьшается, вследствие чего уменьшается и величина тока в них. Процесс изменения тока и скорости вращения ротора прекратится, как только наступит устойчивое равновесие между моментом электромагнитных сил, вызывающих вращение ротора, и тормозным моментом, создаваемым устройством, приводимым в движение электрической машиной. В этих условиях ротор машины будет вращаться с постоянной скоростью, отличной от скорости вращения поля. Таким образом, принцип работы асинхронных двигателей основан на взаимодействии вращающегося магнитного поля с токами, которые наводятся этим полем в проводниках ротора. Для большинства современных типов асинхронных двигателей скольжение ротора при номинальной нагрузке заключено в пределах 2 – 6%. При отсутствии нагрузки, когда двигатель работает вхолостую, и вращению ротора препятствуют лишь незначительные силы трения, скольжение очень мало и не превосходит десятых долей процента. С увеличением нагрузки скорость вращения ротора уменьшается, а скольжение и вращательный момент соответственно увеличиваются. Электромагнитные процессы в асинхронном двигателе аналогичны процессам, происходящим в трансформаторе. Обмотку статора двигателя можно рассматривать как первичную обмотку трансформатора, а обмотку ротора – как вторичную. Особенностью двигателя по сравнению с трансформатором является то, что в его статорной и роторной обмотках действуют ЭДС и токи разных частот. Рабочий режим двигателя при номинальной нагрузке характеризуется номинальными параметрами различными для каждого асинхронного двигателя. Основным номинальным параметром асинхронного двигателя является его номинальная мощность. Это мощность выражается в киловаттах и соответствует той наибольшей механической мощности на валу двигателя, которая может быть полезно отдана механизму, приводимого двигателем во вращение. Работа двигателя с нагрузкой, превышающей его номинальную мощность, рассматривается как перегрузка и потому длительно не допустима. Вторым параметром двигателя является его номинальная скорость вращения. Важным электрическим параметром является напряжение, для которого предназначен двигатель. Номинальный ток двигателя устанавливается, исходя из номинальной мощности двигателя и номинального напряжения. К номинальным параметрам относят также номинальный коэффициент мощности двигателя. В зависимости от конструктивного выполнения роторной обмотки трехфазные асинхронные двигатели разделяются на два типа: двигатели с короткозамкнутым ротором; двигатели с фазным ротором. В синхронном двигателе частота вращения двигателя равна частоте вращения магнитного поля. Основными характеристиками синхронного двигателя являются угловая, механическая и регулировочная. На специальных электростанциях, покрывающих пиковые нагрузки в энергосистемах, синхронная машина работает генератором в часы максимума нагрузки и двигателем – в остальное время, перекачивая с помощью гидротурбины, которая теперь становится насосом, воду в водохранилище, создавая необходимый запас ее для последующей работы. Такие агрегаты называют обратимыми. Синхронная машина состоит из двух частей: неподвижной части – статора и вращающейся части – ротора и имеет две обмотки. Одна обмотка подключается к источнику постоянного тока и создает основное магнитное поле машины. Это обмотка возбуждения. Другая обмотка является обмоткой якоря и состоит из одной, двух или трех фаз. В обмотке якоря индуцируется основная ЭДС машины. В синхронных машинах наибольшее распространение получила конструкция, когда обмотка якоря располагается на статоре, а обмотка возбуждения – на роторе. Особенностью синхронных машин является то, что ротор должен быть раскручен к моменту присоединения машины к сети переменного тока. При этом должны выполнятся следующие условия: переменный ток, протекающий через обмотку статора, должен быть таким, чтобы его взаимодействие с магнитным полем постоянного тока создавало силу требуемого направления, иначе, вместо того чтобы поддерживать вращение, электромагнитное взаимодействие будет ему препятствовать. Синхронные машины должны вращаться со строго определенной скоростью. Уменьшение скорости хотя бы на 1% приводит к тому, что изменения тока в обмотке переменного тока перестают соответствовать изменениям в положении обмотки постоянного тока, они как бы выпадают из такта, машина выпадает из синхронизма: обмотка постоянного тока подвергается усилиям, направленным то в одну, то в другую сторону, и машина останавливается. Постоянный ток, создающий магнитное поле в синхронной машине, называют током возбуждения. Чем больше ток возбуждения, тем больше напряжение, наводимое в машине. Самостоятельная работа №11 |