23. Применение ферромагнитных материалов в электротехнике. Магнитно-мягкие и магнитно-твердые материалы. Потери энергии при перемагничивании ферромагнетиков и способы их снижения.
В зависимости от величины потерь на гистерезис и области промышленного применения все ФММ условно разделяются на два класса:
Магнитно-мягкие ФММ
1) Высокая магнитная проницаемость.2) Узкая петля гистерезиса и малые потери на гистерезис.
3) Легко перемагничиваются, поэтому
применяются для работы в переменных магнитных полях в качестве сердечников (магнитопроводов) для концентрации и усиления магнитного потока.
Пример: электротехническая сталь, пермаллой, пермендюр.
Магнитно-твердые ФММ
1) Широкая петля гистерезиса;
2) Большие потери на гистерезис, поэтому для работы в переменных магнитных полях не используются.
3) Трудно перемагничиваются.
Применяются для изготовления постоянных магнитов.
Пример: кунико, альнико, сплавы ЮНДК.
24. Передача электрической энергии и потери мощности в ЛЭП. Цель трансформации напряжения. Устройство и принцип работы трансформатора.
Зачем нужно изменять напряжение при передаче электроэнергии?
Большое количество электрической энергии, которая вырабатывается на мощных электростанциях, нужно передавать потребителям, которые находятся обычно на большом расстоянии от места её производства. Передачу электрической энергии можно осуществлять лишь за счёт некоторого количества самой электрической энергии. При передаче возникают тепловые потери электрической энергии – «джоулевы потери» » ∆Р=I2R, поэтому при передаче эл.энергии на далёкие расстояния и её распределении большое значение имеет сила тока, с которой передаётся эл.энергия, ведь от этого зависит толщина сечений проводов, соответственно расход материалов и экономичность ЛЭП.
По формуле Джоуля –Ленца тепловые потери трёхфазной ЛЭП можно рассчитать по следующей формуле: ∆Р=3Iл2R, где Iл –сила тока в линии, R-сопротивление провода линии ЛЭП.
Pп=3UлIлcosφп -формула активной мощности трёхфазного потребителя. Отсюда имеем Iл=Pп3Uлcosφп. Подставим Iл в формулу Джоуля-Ленца, получим ∆Рл=Pп2Uл2 cosφп2Rл. Из формулы следует, что тепловые потери в ЛЭП обратно пропорциональны квадрату линейного напряжения и обратно пропорциональны квадрату коэффициента мощности потребителя. Поэтому при передаче электроэнергии для снижения потерь в ЛЭП необходимо повышать коэффициент мощности потребителей, а также необходимо осуществлять передачу электроэнергии при насколько это возможно более высоком напряжении.
При повышении напряжения сила тока уменьшается, уменьшаются потери электроэнергии, и повышается коэффициент полезного действия.
Как трансформатор может изменять напряжение?
Простейший однофазный трансформатор состоит из замкнутого магнитопровода - ферромагнитного сердечника, на котором расположены две независимые электрически разделённые обмотки из изолированного медного провода: W1-первичная обмотка с числом витков W1, на которую подают напряжение U1, W2-вторичная обмотка с числом витков W2, к ней подключается потребитель и с неё снимается выходное напряжение U2.
При подключении трансформатора к сети в первичной обмотке возникает переменный ток I1, который создаёт переменный магнитный поток Ф, замыкающийся по магнитопроводу. Поток Ф индуцирует в обеих обмотках переменные ЭДС – е1 и е2 пропорциональные по закону Максвелла числам витков W1 и W2 соответствующей обмотки и скорости изменения потока dФ/dt.
e1=-W1∙dФdt; e2=-W2dФdt
Отношение мгновенных и действующих ЭДС в обмотках трансформатора определяется выражением: E1E2=e1e2=W1W2
Падения напряжения в обмотках трансформатора не превышают обычно 3-5% от номинальных значений U1 и U2, ими можно пренебречь, тогда можно считать Е1≈U1 и E2≈U2.
Получим, что U1U2≈W1W2
Следовательно, подбирая соответствующим образом числа витков обмоток, при заданном напряжении U1 можно получить желаемое напряжение U2. Если необходимо повысить вторичное напряжение, то число витков W2 берут больше числа W1, такой трансформатор называют повышающим. Если требуется уменьшить напряжение U2, то число витков W2 берут меньшим W1, такой трансформатор называют понижающим.
25. Режимы работы и КПД трансформатора. Опыты холостого хода и короткого замыкания. Внешняя характеристика трансформатора.
Режимы работы трансформатора
Для характеристики степени загруженности трансформатора по отношению к его номинальной (расчетной, паспортной) мощности, вводится коэффициент загрузки β.
 , где P2 – рабочая (нагрузочная) мощность трансформатора.
В зависимости от величины коэффициента загрузки различают:
1) β = 1 => P2 = P2 ном – номинальный режим.
Это основной (расчетный) режим работы трансформатора с номинальными параметрами (U ном , I ном , P ном), при котором трансформатор или другое электротехническое устройство может работать с высокими технико-экономическими показателями (КПД, cos φ) в допустимом тепловом режиме (без перегрева) в течение длительного времени, что обеспечивает длительный срок службы электрооборудования порядка 10 -15 и более лет.
2) β = 0 => Р2 = 0.
Режим холостого хода (или подключение к нагрузке с очень большим сопротивлением). I 20 = 0, обмотка разомкнута, Z н = ∞.
Передачи ЭЭ в этом случае не происходит. Режим совершенно бесполезный, т.к. ТР потребляет реактивную мощность и коэффициент мощности cos φ потребителя снижается.
3) β < 1. Р2 < Р 2 ном – режим недогрузки. Не рекомендуется, т.к. снижаются технико-экономические показатели, КПД и cos φ.
4) β > 1. Р2 > Р 2 ном – режим перегрузки. Категорически не допускается, т.к. приводит к резкому перегреву электротехнического устройства и резкому сокращению срока службы. Снижаются технико-экономические показатели.
5) Аварийный режим - режим короткого замыкания.
U1 = U1 ном; Z н = 0 - т.е. обмотка W2 замкнута «сама на себя». При этом токи в обмотке сильно возрастают, примерно в 10-15 раз, отсюда резкий перегрев обмотки и даже механические разрушения трансформатора.
КПД трансформатора.
Потери мощности и КПД трансформатора
При работе трансформатора происходит передача ЭЭ из обмотки W1 в W2 , при этом часть подведенной к трансформатору энергии теряется в виде тепловых потерь в стали (сердечнике) и в меди, т.е. в обмотках.
W1 ФМС W2
P1
>
Ф 0
> P2
ΔP1м + ΔPс + ΔP2м = ΔPтр
Потери в трансформаторе в номинальном режиме очень малы, ΔPтр
1-3%, т.е. ηном = (97-99)%. Обычно трансформатор работает большую часть времени в режиме недогрузки, т.е. β = P2 / P2ном ≈ 0,5-0,7. Такой режим эксплуатации выбирается для того, чтобы при неожиданном подключении мощного потребителя трансформатор не оказался в режиме сильной перегрузки, что может привести к отключению трансформатора и возникновению аварийного режима в питающей сети. Поэтому проектирование и расчет трансформаторов выполняют таким образом, чтобы η макс приходилось на режим β = 0,5-0,7.
а) Прямой метод определения КПД
 - по показаниям измерительных приборов.
P2 – мощность нагрузки, подключённой к трансформатору;
P1 – мощность, подведенная к трансформатору;
б) Косвенный метод определения КПД
Данный метод позволяет определить КПД трансформатора по данным опытов холостого хода и короткого замыкания с учетом коэффициента загрузки β.
Из паспорта трансформатора находят полную мощность Sном
> P2 = βP2ном = β Sном cos φнагр.
ΔPст = Р10 = const; - постоянны для всех режимов и определяются из опыта хх.
 - из опыта короткого замыкания.
Отсюда получаем для любого режима:
Подставляя конкретное значение β, по данной формуле можно рассчитать получаемое при перегрузке η тр.
Как проводится опыт холостого хода и что из него определяется?
Режим работы трансформатора, где не происходит передачи электрической энергии, называется холостым ходом трансформатора. В этом режиме к первичной обмотке подведено переменное номинальное напряжение U1ном, а вторичная обмотка разомкнута, т.е. нагрузка к вторичной обмотке трансформатора не подключена, и ток в ней равен нулю I20 = 0. Поскольку передачи электрической энергии в этом случае не происходит, то ток в первичной обмотке - ток холостого хода трансформатора I 10 оказывается небольшим, он составляет где-то 3-5-10% от номинального: I10 = (3 - 5 - 10 %) I1ном. Трансформатор в режиме холостого хода можно рассматривать как катушку с ферромагнитным сердечником, включенную в цепь переменного тока.
Ток холостого хода является важной характеристикой трансформатора, по его величине можно судить о потреблении трансформатором реактивной энергии на намагничивание.
Также в режиме холостого хода определяют коэффициент трансформации: K=E1E2=W1W2. Во вторичной обмотке Е20 = U20, а в первичной обмотке падение напряжения мало и можно принять Е1 = U1ном.
Тогда коэффициент трансформации можно определять как отношение напряжений в опыте холостого хода : K=U1номU20 .
Мощность Р1о, потребляемая трансформатором в опыте холостого хода, расходуется на нагрев первичной обмотки - потери в меди первичной обмотки ∆Р1м и на нагрев сердечника - потери в стали ∆Р с.
Джоулевы потери в меди вторичной обмотки отсутствуют, т.к. I20≈ 0 , а в первичной обмотке ∆Р1м = I102∙R1о они очень малы по сравнению с номинальными, т. к I 10 = (3 - 5 - 10 %) I 1 ном. Поэтому мощность Р1о , потребляемая трансформатором в опыте холостого хода, расходуется лишь на нагрев сердечника - на потери в стали .
Потери в ферромагнитном сердечнике ∆Р с
Φ². ИЗ формулы E1 = 4,44 f W1 Ф мax следует, что рабочий магнитный поток трансформатора Φ прямо пропорционально связан с величиной первичной ЭДС : Φ
Е1 . Т.к. падение напряжения в первичной обмотке трансформатора очень мало - не более 3 - 5 % , поэтому можно принять, что ЭДС первичной обмотки практически равна приложенному напряжению Е1 = U1 . Значит, можно считать, что для всех режимов рабочий магнитный поток трансформатора пропорционален приложенному напряжению Φ
U1.
Т.к. ∆Р с
Φ², значит ∆Рс
U1².
Т.к. в опыте холостого хода приложенное к первичной обмотке напряжение является номинальным U1 = U1ном, то потери мощности в сердечнике трансформатора в опыте холостого равны номинальным потерям мощности в сердечнике - следовательно, потребляемая трансформатором мощность в опыте холостого хода равна номинальным потерям в сердечнике трансформатора Р1о = ∆Рсном.
Как проводится опыт короткого замыкания и что определяется из этого опыта?
Режимом короткого замыкания называется режим, возникающий при соединении между собой без какого-либо сопротивления зажимов источника или иных элементов электрической цепи, между которыми имеется напряжение.
Режим короткого замыкания трансформатора - это нерегламентированный режим, который возникает в аварийных ситуациях, когда при работе трансформатора под номинальным напряжением U1 = U1 ном сопротивление нагрузки становится равным нулю Z н = 0 - т.е. вторичная обмотка W2 замкнута накоротко - «сама на себя».
В опыте короткого замыкания при помощи ручки автотрансформатора плавно повышают входное напряжение, пока ток в первичной обмотке не достигнет номинального значения. Напряжение, при котором в опыте короткого замыкания устанавливаются номинальные токи, называется напряжением короткого замыкания трансформатора U кз и обычно составляет несколько процентов от номинального: Uкз=(5-7 %)U1ном.
По данным опыта короткого замыкания можно определить напряжение короткого замыкания трансформатора U кз, его всегда указывают на щитке трансформатора, и оно является одним из паспортных параметров. Напряжение КЗ определяет нормальную работу трансформаторов при их параллельном включении на общую нагрузку, т.к. определяет величину падения напряжения в трансформаторе при нагрузке в номинальном режиме ΔU ном = Uкз. В опыте короткого замыкания напряжение на выходе трансформатора равно нулю U2=0, поэтому приложенное в этом опыте к первичной обмотке напряжение Uкз уравновешивается падением напряжения в трансформаторе U кз = ΔU . Поскольку в опыте короткого замыкания в обмотках трансформатора протекают номинальные токи I1ном и I2ном, то и падение напряжения в трансформаторе в этом опыте также соответствует номинальному U кз = ΔU ном. Падение напряжения в трансформаторе при нагрузке в номинальном режиме, определяемое из опыта короткого замыкания, сравнительно невелико и составляет 5 - 7 % .
Также из опыта КЗ можно определить номинальные потери в меди - ∆Р м ном. Потери в стали трансформатора ∆Рс пропорциональны квадрату приложенного к первичной обмотке напряжения ∆Рс
U1² , ими в опыте короткого замыкания можно пренебречь, т.к. в этом опыте напряжение на первичной обмотке очень мало по сравнению с номинальным Uкз = ( 5 - 7 % ) U1ном . Следовательно, мощность, потребляемая трансформатором в опыте короткого замыкания, расходуется лишь на тепловые потери в обмотках - потери в меди Р кз = ∆Р м. Т.к. токи в обмотках трансформатора в опыте короткого замыкания являются номинальными, то потери в меди в этом опыте так же являются номинальными Р кз = ∆Р м ном
Внешняя характеристика трансформатора
Внешняя характеристика трансформатора – это зависимость выходного напряжения U2 от тока нагрузки I2 или от коэффициента загрузки β: U2(I2); U2(β).
С увеличением нагрузки трансформатора от хх до номинальной увеличивается ток нагрузки I2 и увеличивается падение напряжения в обмотках, поэтому результирующее напряжение U2 = U20 – ΔU снижается на (3..5%), т.е. внешняя характеристика трансформатора U2 (I2) имеет слабо падающий вид и является достаточно жесткой.
Абсолютная потеря напряжения в трансформаторе при номинальном режиме (при Iтр = Iном) Δ U = U20 - U2 = Uкз (В).
Относительная потеря напряжения в трансформаторе Δ U % = (U20 - U2 ) 100 / U20 в номинальном режиме невелика и для мощных силовых трансформаторов составляет Δ U % = 3 - 5 % .
26. Электрический привод. Структура и преимущества электропривода. Нагрев и тепловой режим работы электродвигателя. Номинальная мощность. Характеристика нагрузочных режимов работы электродвигателя.
Для приведения в действие различных технологических машин, механизмов, аппаратов и др. используется механическая энергия, в большинстве случаев получаемая от электрического привода, в котором в качестве источника механической энергии применяются различные типы электрических двигателей.
Электрический привод (ЭП) – это электромеханическая система, предназначенная для преобразования ЭЭ в механическую, управление потоком этой энергии и содержащая:
- преобразователь ЭЭ (ПЭЭ) - служит для изменения параметров ЭЭ (трансформаторы, выпрямители, частотные преобразователи);
- электромеханический преобразователь (ЭМП) - преобразует электрическую энергию в механическую (электромагнитные и электромашинные преобразователи - различные типы двигателей);
- преобразователь механической энергии (ПМЭ) - служит для изменения параметров механической энергии (редукторы, кулачковые механизмы, кулисные механизмы и др.);
- система управления ЭП (СУЭП) - управляет режимом работы ЭП (включение, выключение, реверсирование, торможение, изменение частоты вращения ЭП);
- рабочая машина (РМ) или исполнительный механизм (ИМ) - преобразует механическую энергию в требуемую работу.
|
Скачать 2.39 Mb.