|
|
Закон Ома. Работа и мощность в электрической цепи. Закон ДжоуляЛенца
Практически вся электрическая энергия, вырабатываемая генераторами мощных электростанций, передаётся по линиям электропередачи (ЛЭП) потребителям, находящимся в большинстве случаев достаточно далеко – за сотни и тысячи километров - от места централизованного производства электрической энергии.
При производстве электрической энергии и передаче ее потребителю неизбежно возникают тепловые потери электрической энергии, пропорциональные квадрату силы тока (так называемые «джоулевы потери» р= I 2 R ). Поэтому и при производстве электрической энергии, и при передаче ее дальние расстояния большое экономическое значение имеет величина тока в ЛЭП, от которой зависят сечение проводов, расход материалов и стоимость ЛЭП, её экономичность и другие технико-экономические показатели. В современных ЛЭП потери мощности достаточно велики и составляют около 7 – 10 % от передаваемой мощности, поэтому вопросы снижения этих потерь и повышения КПД линий электропередачи имеют большое экономическое значение.
Экономичность ЛЭП определяется, в основном, тепловыми (джоулевыми) потерями, которые для трёхфазной ЛЭП можно определить по формуле: р= 3 IЛ2 R ,
здесь R – сопротивление фазы ЛЭП, I Л - сила тока в линии (фазе) ЛЭП (линейный ток).
Из формулы активной мощности трехфазной цепи (трёхфазного потребителя): P =  UЛ IЛ сos следует, что сила тока в фазе трёхфазной ЛЭП, обратно пропорциональна линейному напряжению и коэффициенту мощности потребителя сos :  . Тогда для тепловых потерь мощности в трехфазной ЛЭП можно записать  . Отсюда следует, что при одинаковой передаваемой мощности :
1. Тепловые потери в ЛЭП обратно пропорциональны квадрату линейного напряжения;
2. Тепловые потери в ЛЭП обратно пропорциональны квадрату коэффициента мощности потребителя сos
Поэтому при передаче электроэнергии от электростанции к потребителю с целью снижения тепловых потерь в ЛЭП и повышения ее технико-экономических показателей необходимо:
1. Передачу электрической энергии осуществлять при возможно более высоком технико-экономически обоснованном напряжении (обычно 500– 750 кВ). С этой целью производитель (поставщик) электрической энергии устанавливает в начале ЛЭП повышающие трансформаторы.
2. Повышать коэффициент мощности потребителей электрической энергии, т. е. повышать качество использования электрической энергии потребителем.
Мероприятия по компенсации реактивной мощности потребителей
В случае недостаточной эффективности естественного способа повышения коэффициента мощности с помощью мероприятий по оптимизации режима работы электрооборудования необходимо использовать искусственный способ - мероприятия по компенсации реактивной мощности (параллельная компенсация реактивной мощности).
Суть этих мероприятий заключается в том, что для получения реактивной мощности, необходимой потребителю (например, асинхронному двигателю), используется собственный местный источник реактивной мощности (компенсирующая установка), который устанавливается непосредственно на предприятии и включается в питающую сеть параллельно с реактивным потребителем электрической энергии.
В режиме полной компенсации потребляемой реактивной мощности потребителя (асинхронного двигателя) результирующий коэффициент мощности (асинхронного двигателя и компенсирующей установки) cos = 1 – наступает режим резонанса токов и в этом случае происходит полное разделение потоков электрической энергии получаемой потребителем: 1. активную мощность асинхронный двигатель в полном объеме по-прежнему получает от централизованного источника электроснабжения (генераторов электростанции),
2. реактивную мощность асинхронный двигатель в полном объеме получает от собственной местной компенсирующей установки – местного генератора реактивной мощности.
В случае проведения неполной (частичной) компенсации результирующий коэффициент мощности (асинхронного двигателя и компенсирующей установки) cos < 1, поэтому некоторую часть своей реактивной мощности асинхронный двигатель будет по-прежнему получать от питающей сети (генераторов электростанции), а недостающую часть - от местной компенсирующей установки, генерирующей реактивную мощность.
Определение мощности компенсирующих устройств
При компенсации реактивной мощности небольших промышленных установок (например, асинхронного электродвигателя) применяется индивидуальная параллельная (поперечная) компенсация, когда компенсирующую установку - батарею статических конденсаторов (БСК) - устанавливают вблизи потребителя электрической энергии и включают параллельно вместе с ним в питающую сеть. В случае асинхронного электродвигателя батарею статических конденсаторов можно подключить непосредственно к клеммам двигателя или магнитного пускателя (контактора).
 Схема параллельной компенсации реактивной мощности (режим полной компенсации)
С помощью подключения статических конденсаторов различной емкости к зажимам потребителя, можно повысить результирующий коэффициент мощности cos до любого значения вплоть до cos = 1 ( режим полной компенсации). Однако экономически целесообразно повышение результирующего коэффициента мощности до нормируемого значения cos = 0,92 - 0,95, поскольку при дальнейшем его увеличении ток в сети уменьшается очень незначительно, хотя мощность и стоимость батареи конденсаторов значительно возрастают.
Емкость батареи конденсаторов при индивидуальной компенсации, необходимая для получения заданного результирующего коэффициента мощности cos может быть рассчитана по следующей формуле: , Р НОМ - номинальная мощность потребителя, β РНОМ - рабочая (полезная) мощность потребителя, β - коэффициент загрузки, - коэффициент полезного действия потребителя, U - питающее напряжение, - угол сдвига фаз в потребителе (в питающей сети до компенсации), - результирующий угол сдвига фаз в питающей сети после компенсации.
Из формулы видно, что при прочих равных условиях емкость компенсирующей батареи конденсаторов обратно пропорциональна квадрату напряжения на ее зажимах (С 1/ U 2 ). Поэтому с целью снижения емкости, габаритов и стоимости компенсирующей батареи в случае трёхфазного потребителя её следует собирать по схеме «треугольник», при этом иногда оказывается выгодным подключать конденсаторную установку через повышающий трансформатор. Кроме того, с целью снижения тепловых потерь в соединительных проводах, компенсирующую установку размещают возможно ближе к потребителю электрической энергии (асинхронному двигателю).
22. Основные характеристики магнитного поля. Свойство ферромагнитных материалов и особенности их поведения в переменных магнитных полях. Явления гистерезиса и вихревых токов.
ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ
1) Магнитная индукция B - единица измерения - Тесла [Тл] - векторная величина, основной силовой параметр магнитного поля, характеризующий интенсивность магнитного поля в данной точке с учётом влияния среды. Величина магнитной индукции определяется по силовому воздействию магнитного поля на проводник с током:
[Н, ньютон] => [Тл, тесла].
Магнитная индукция зависит от напряжённости магнитного поля в данной точке поля Н [А/м] и от магнитных свойств (магнитной проницаемости ) материала, вещества или среды, в которой создаётся магнитное поле: .
Строение (конфигурацию) магнитного поля часто изображают графически с помощью так называемых магнитных силовых линий или линии магнитной индукции.
Магнитной силовой линией называется геометрическая линия, в каждой точке которой вектор магнитной индукции является касательной к этой линии.
За положительное направление магнитного поля (магнитной индукции) условно принимают направление, указываемое северным полюсом магнитной стрелки, т.е. вне магнита – положительное направление индукции от северного полюса магнита N к южному S , а внутри магнита – от южного полюса S к северному N.
2) Магнитный поток Ф - единица измерения - Вебер [Вб] - величина, численно равная количеству линии магнитной индукции, пересекающих данную площадь. Магнитный поток определяется как поток вектора магнитной индукции через выбранную поверхность S [м2]:
 Магнитный поток - скалярная величина, но если в некоторых случаях указывается направление магнитного потока, то это означает направление вектора магнитной индукции.
3) Напряженность Н [А/м] – векторная величина, характеристика магнитного поля, которая не зависит от свойств среды, а определяется конфигурацией устройства и величиной тока, создающего магнитное поле.
В однородной среде направление вектора напряжённости магнитного поля Н совпадает с направлением вектора магнитной индукции В и определяется касательной, проведённой в данной точке поля к силовой линии.
Зависимость напряжённости магнитного поля от величины намагничивающего тока, создающего магнитное поле, описывает закон полного тока:
линейный интеграл напряжённости магнитного поля по замкнутому контуру равен полному току, проходящему через этот контур: 
В случае, когда магнитное поле создаётся катушкой, полный ток равен произведению силы тока в катушке на число витков обмотки катушки = I W .
Величина магнитного потока в магнитной цепи и намагничивающая сила связаны между собой выражением, по структуре аналогичным закону Ома и называемым – закон Ома для магнитной цепи:  , где  - магнитное сопротивление магнитопровода; l, S - длина и площадь сечения магнитопровода; - магнитная проницаемость материала среды (магнитопровода).
4) Магнитная проницаемость [Гн/м] – характеристика магнитных свойств материала или среды, определяет свойство материала намагничиваться, т.е. создавать собственное магнитное поле под действием внешней намагничивающей силы.
Магнитная индукция и напряженность магнитного поля связаны соотношением: .
Для сравнения магнитных свойств различных материалов обычно используется безразмерная величина - относительная магнитная проницаемость [-],- здесь [Гн/м] - магнитная постоянная, характеризующая магнитные свойства вакуума.
Ферромагнитные материалы - получили широкое применение в промышленной электротехнике в качестве материала для изготовления магнитопроводов электротехнических устройств, аппаратов, электрических машин и другого электрооборудования.
Применение ФММ с высокой магнитной проницаемостью для изготовления магнитопроводов (сердечников) позволяет получать сильные магнитные поля и тем самым повысить мощность и технико-экономические показатели электротехнического оборудования :
Особые свойства ферромагнетиков связаны с особенностями их молекулярного строения - даже в отсутствии внешнего магнитного поля в ферромагнетике существуют самопроизвольно (спонтанно) намагниченные микрообласти - так называемые домены, размером порядка 10 - 2 - 10 – 4 см.
В целом доменная структура кристалла ферромагнетика представляет собой множество хаотически ориентированных намагниченных доменов, в результате чего их локальные магнитные поля взаимно компенсируются и кристалл ферромагнетика не обладает магнитным полем.
 При внесении ферромагнитного образца во внешнее магнитное поле происходит частичное разрушение и упорядочение хаотической ориентации магнитных полей доменов в направлении внешнего магнитного поля, что приводит к резкому усилению магнитного поля, т.е. к увеличению магнитной индукции.
По мере увеличения внешнего магнитного поля при некотором его значении (довольно большом - порядка 1,0 - 1,5 Тл) наступает полная упорядоченная ориентация доменов. При этом материал теряет свои ферромагнитные свойства и проявляет сильные парамагнитные свойства - наступает явление магнитного насыщения, после чего магнитная индукция остаётся практически постоянной В ≈ const .
Особенности поведения ферромагнитных материалов в переменном магнитном поле
В большинстве электротехнических установок ферромагнитные материалы (ФММ) работают в переменных магнитных полях и при этом подвергаются периодическому (циклическому) перемагничиванию.
Явление гистерезиса
При помещении образца ферромагнитного материала в переменное магнитное поле происходит циклическое перемагничивание ФММ, которое сопровождается периодической переориентацией магнитных полей доменов и частичным разрушением доменной структуры ферромагнетика. При этом вследствие запаздывания (инерцией) структурных изменений в образце ФММ изменение магнитной индукции В также будет запаздывать от изменения напряженности внешнего магнитного поля Н.
Явление запаздывания изменений магнитной индукции В от изменений напряженности магнитного поля Н называется магнитным гистерезисом.
Явление гистерезиса объясняется инерцией изменений ориентации магнитных полей и структуры доменов ферромагнитных материалов.
 Полученный график показывает, что зависимость намагниченности ферромагнитного материала (магнитная индукция) зависит не только от величины напряженности внешнего магнитного поля, но и от предшествующего магнитного состояния материала, которое определяется гистерезисными свойствами ферромагнетика.
Замкнутая кривая намагничивания ферромагнетика abecdfa , графически представляющая в координатах В(Н) один цикл перемагничивания, называется петля гистерезиса.
При циклическом перемагничивании ФММ вследствие периодического разрушения структуры при переориентации магнитных доменов, т.е. вследствие явления гистерезиса, происходит поглощение части энергии внешнего магнитного поля и преобразование её тепло – тепловые потери мощности на гистерезис.
Явление вихревых токов (токи фуко)
Вихревыми или индукционными токами называют контурные (замкнутые) электрические токи, возникающие вследствие вихревых ЭДС самоиндукции в проводящем теле (среде) при изменении магнитного потока
По закону электромагнитной индукции при всяком изменении магнитного потока в окружающем объеме наводятся вихревые ЭДС, величина которых будет пропорциональна скорости изменения магнитного потока: 
Если образец из электропроводящего материала (Al, Cu, ФММ) поместить в переменное магнитное поле, то под действием индуцированных вихревых ЭДС в его объеме возникают вихревые токи, величина которых будет пропорциональна электропроводности материала.
Вихревые токи в соответствии с принципом Ленца обладают размагничивающим действием на основной поток, а также вызывают объёмный нагрев материала (джоулевы потери i2R), на что будет расходоваться часть энергии внешнего магнитного поля - тепловые потери мощности на вихревые токи.
Направление индукционной ЭДС и вихревых токов зависит от направления магнитного потока и характера его изменения, т.е. увеличения магнитного потока магнитного потока или его уменьшения .
Потери мощности на вихревые токи определяются по упрощённой эмпирической формуле:
 , - опытный коэффициент; G – масса магнитопровода; f – частота перемагничивания; В – магнитная индукция, откуда следует, что потери мощности на вихревые токи пропорциональны квадрату магнитной индукции: ΔP вт
B2 .
Таким образом, при работе в переменных магнитных полях в ФММ вследствие явлений гистерезиса и вихревых токов происходит преобразование части энергии внешнего магнитного поля в тепловую - возникают тепловые потери мощности – тепловые потери в стали (сердечнике, магнитопроводе) ΔPс .
1. Для снижения потерь на гистерезис при изготовлении магнитопровода (сердечника) используют специальные магнитно- мягкие материалы (с узкой петлёй гистерезиса);
2. Для снижения потерь на вихревые токи:
2.1. - магнитопровод (сердечник) изготовляется не сплошным, а шихтованным, т.е. набирается из тонких изолированных пластин электротехнической стали толщиной 0,35 - 0,5 мм;
2.2. - в качестве материала магнитопровода используются электротехнические стали с повышенным удельным сопротивлением - кремнистые стали с содержанием кремния около 4% .
Применение ферромагнитных материалов в качестве сердечников (магнитопроводов) в различных электротехнических устройствах обеспечивает получение сильного магнитного поля и концентрацию магнитного потока, что при прочих равных условиях позволяет повысить мощность и экономичность электрических машин, аппаратов и другого электротехнического оборудования.
Кроме того, для повышения экономичности электротехнических устройств, работающих в цепях переменного тока, необходимо принять все меры к снижению потерь мощности в магнитопроводе, возникающих вследствие явлений гистерезиса и вихревые токи.
|
|
|
Скачать 1.79 Mb.