2.3 Магнитные цепи, электромагнитные и электромеханические преобразователи энергии
Магнитные цепи
В разделе необходимо изучить следующие вопросы: понятие магнитной цепи и ее назначение; основные законы и магнитные величины; классификация магнитных цепей; основные характеристики магнитных материалов; основной закон магнитной цепи и ее аналоговая схема замещения; методы анализа магнитных цепей постоянного тока; электромагнитное состояние дросселя и его схема замещения; характеристик ферромагнитных материалов в переменных магнитных потоках; уравнение электромагнитного состояния и векторная диаграмма идеализированного и реального дросселя; ток намагничивания и потери энергии в дросселе.
Магнитная цепь неотъемлемая часть большинства электротехнических устройств (трансформаторы, машины, реле и т.п.). Ее назначение создать магнитный поток в рабочем объеме устройства с требуемой интенсивностью, конфигурацией и направлением. Чем выше магнитная проницаемость ферромагнитного материала магнитопровода, том меньший ток требуется для создания заданной интенсивности магнитного поля. Основными характеристиками магнитного материала являются его магнитная проницаемость и петля магнитного гистерезиса. В зависимости от площади петли осуществляю классификацию магнитных материалов, применяемых в электроаппаратостроении. Вместе с тем площадь петли определяет потери энергии на совершение одного цикла перемагничивания магнитопровода, поэтому в цепях переменного тока применяют материалы с узкой петлей магнитного гистерезиса. Для описания характеристик магнитных материалов вводят понятие напряженности магнитного поля. Обратите внимание, что напряженность Н [А/м] является функцией тока в обмотке и не зависит от свойств материала магнитопровода. Понятие напряженности вводится с помощью закона полного тока.
В основе анализа магнитных цепей постоянного тока лежит основной закон магнитной цепи, который устанавливает аналогии магнитной и электрической цепи. По сути расчет магнитной цепи выполнят по уравнениям аналогам законам Ома, законов Кирхгофа и др. для электрических цепей.
Если в магнитных цепях постоянного тока интенсивность магнитного потока определяется намагничивающей силой и магнитной проницаемостью материала магнитопровода, то в магнитных цепях переменного тока суть процессов намагничивания меняется существенно. Обратите внимание, что в дросселе, хотя ток намагничивания и создает магнитный поток, однако значение магнитного потока от тока не зависит, оно определяется приложенным к обмотке напряжением. Не влияют на магнитный поток и свойства материала магнитопровода. В магнитных цепях переменного тока перемагничивание магнитопровода сопровождается его интенсивным нагревом, поэтому в практике применяют определенные меры для уменьшения потерь от гистерезиса и вихревых токов.
Ток намагничивания дросселя имеет явно несинусоидальный характер изменения, и зависит от параметров магнитной цепи. После замены несинусоидального тока на эквивалентный синусоидальный ток вводится понятие идеализированного дросселя, к которому можно применять известные методы отображения энергетического состояния (метод векторных диаграмм, схем замещения). На векторной диаграмме ток намагничивания дросселя может быть представлен двумя составляющими. Активная составляющая отображает потери энергии в магнитопроводе на перемагничивание (гистерезис) и вихревые токи, реактивная отображает затраты реактивной энергии на создание основного магнитного потока. С увеличением воздушного зазора в магнитопроводе дросселя увеличивается реактивная составляющая тока намагничивания, следовательно коэффициент мощности дросселя понижается. В реальном дросселе дополнительно учитывают потери энергии на нагрев обмоток и потребление реактивной энергии на создание полей рассеяния.
Трансформаторы
В разделе необходимо изучить следующие вопросы: назначение и области применения трансформаторов; устройство и принцип действия однофазного трансформатора; опыт холостого хода и короткого замыкания трансформатора; режим нагрузки, уравнения электрического состояния, векторная диаграмма и схемы замещения трансформатора; определение основных эксплуатационных характеристик трансформатора по его паспортным данным; понятие группы соединения обмоток трехфазных трансформаторов.
Трансформаторы предназначены для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения той же частоты.
Однофазный трансформатор состоит из магнитопровода, выполненного из электротехнической стали, и двух обмоток высшего и низшего напряжения. При изучении принципа действия трансформатора важно уяснить, как происходит передача энергии из первичной обмотки во вторичную.
При подключении первичной обмотки трансформатора к сети в его магнитопроводе возникает магнитный поток Ф, пронизывающий обе обмотки. Значение магнитного потока при холостом ходе и при нагрузке почти не изменяется. Не изменяется и создающая магнитный поток намагничивающая сила F, равная при любой нагрузке геометрической сумме намагничивающих сил обеих обмоток
.
Из этого уравнения, называемого уравнением намагничивающих сил трансформатора, следует, что всякое изменение вторичного тока I2 вызывает мгновенное изменение тока I1 в такой степени, чтобы намагничивающая сила осталась неизменной.
Действующее значение индуктированной ЭДС в обмотках пропорционально частоте, числу витков и амплитуде магнитного потока
,
следовательно, ЭДС с изменением нагрузки трансформатора не изменяется. Коэффициент трансформации трансформатора равен
.
Силовые трансформаторы имеют высокий КПД – 96 - 99%. Потери энергии в них разделяют на постоянные и переменные. Постоянные потери - потери в магнитопроводе на перемагничивание сердечника и от вихревых токов. Они пропорциональны напряжению в квадрате и не зависят от нагрузки. Переменные потери - потери в обмотках, они пропорциональны полному току в квадрате. Мощность трансформатора ограничивается допустимым нагревом и измеряется в кВА.
Основными паспортными параметрами трансформатора являются ток холостого хода, напряжение короткого замыкания, потери холостого хода и потери короткого замыкания, которые определятся в опыте холостого хода и опыте короткого замыкания трансформатора. По этим данным можно определить множество его эксплуатационных параметров.
При изучении измерительных трансформаторов обратите внимание, почему нельзя разрывать вторичную обмотку трансформатора тока под нагрузкой.
У трехфазных трансформаторов при включении их на параллельную работу большое значение имеет группа соединения обмоток.
Литература: [1, 3].
Вопросы для самопроверки
1. Назовите основные величины, характеризующие магнитное поле, какова связь между ними?
2. Введите понятие магнитной цепи. Основные законы магнитной цепи, понятие напряженности магнитного поля?
3. Понятие магнитной проницаемости материала?
4. Что такое петля магнитного гистерезиса, ее основные характеристики?
5. Классификация ферромагнитных материалов.
6. Основной закон магнитной цепи, его связь с законом Ома.
7. Методы расчета магнитных цепей постоянного тока.
8. Электромагнитное состояние дросселя, зависимость амплитуды магнитного потока от его параметров.
9. Намагничивающий ток дросселя, влияющие на него параметры.
10. Как получают идеализированный дроссель? Его схема замещения и векторная диаграмма.
11. Какие параметры реального дросселя дополнительно учитывают на его схеме замещения?
12. Объясните устройство и назначение силовых трансформаторов.
13. Что называют коэффициентом трансформации трансформатора?
14. Объясните принцип работы трансформатора.
15. Опыт холостого хода, для чего его проводят, условия проведения?
16. Для чего проводят опыт короткого замыкания, условия проведения?
17. Энергетическое состояние трансформатора в режиме нагрузки.
18. Изобразите схему замещения трансформатора и поясните физический смысл элементов.
19. Какие эксплуатационные параметры трансформатора можно определить по его паспортным данным?
20. Что такое группа соединения обмоток трехфазного трансформатора, для чего ее нужно знать?
21. Как устроено охлаждение трансформаторов и для чего оно нужно?
Электромеханические преобразователи энергии
В разделе необходимо изучить следующие вопросы: электрические машины постоянного тока, способы регулирования скорости их якоря; асинхронные машины; устройство и принцип действия трехфазного асинхронного двигателя; уравнение электрического состояния цепей обмоток статора и ротора; свойство саморегулирования вращающего момента; магнитное поле машины; электромагнитный момент; механические и рабочие характеристики; энергетические диаграммы; паспортные данные; устройство синхронной машины; работа в режиме генератора и двигателя; механическая и угловая характеристики; способы пуска.
Машины постоянного тока классифицируют в зависимости от способа возбуждения. Этим определяются их механические характеристики. Машины могут работать в режиме двигателя и генератора. В режиме генератора механическая энергия подводится от постороннего двигателя и преобразуется в электрическую в обмотке якоря. Основными характеристиками генератора являются характеристика холостого хода, отражающая свойства его магнитной цепи, нагрузочная и регулировочная характеристики. Обратите внимание на условия самовозбуждения генераторов с параллельным возбуждением.
В режиме двигателя электрическая энергия подводится к обмотке якоря и преобразуется в механическую на его валу. Основной характеристикой, раскрывающей свойства двигателя является механическая характеристика, устанавливающая зависимость частоты вращения якоря от момента на валу. Обратите внимание на способы пуска и регулирования скорости двигателей.
Асинхронные двигатели являются наиболее простыми по устройству и обслуживанию, они надежны и дешевы. Благодаря этим преимуществам трехфазные асинхронные двигатели получили широкое распространение.
Принцип действия асинхронного двигателя основан на использовании вращающегося магнитного поля, создаваемого токами, протекающими в обмотках статора. Взаимодействие вращающего магнитного поля с токами, индуктируемыми в короткозамкнутой обмотке ротора этим же полем, создает вращающий момент, направленный в сторону вращения поля. Создание токов в обмотке ротора и, следовательно, передача энергии со статора на ротор возможны только при отставании скорости ротора от скорости магнитного поля, то есть при наличии скольжения, когда происходит пересечение проводников обмотки ротора полем.
Асинхронные двигатели изготавливают с короткозамкнутым или с фазным ротором (с контактными кольцами). Следует хорошо уяснить, почему двигатели с контактными кольцами имеют повышенный пусковой момент и уменьшенный пусковой ток по сравнению с короткозамкнутыми. Необходимо также разобраться, почему у двигателей с короткозамкнутым ротором регулировать скорость вращения можно только ступенями путем переключения числа полюсов в обмотке статора или плавно путем изменения частоты питающего напряжения.
Пусковые токи асинхронных короткозамкнутых двигателей в 4 - 7 раз больше номинального. Обычно короткозамкнутые двигатели пускаются в ход путем прямого включения в сеть.
Синхронные машины широко используют в качестве генераторов на электростанциях. По частоте вращения различают турбогенераторы и гидрогенераторы. Как электрические двигатели синхронные машины применялись сравнительно редко в силу повышенной стоимости и невозможности регулирования скорости. Однако в настоящее время в связи с реализацией частотного регулирования скорости и в силу высокого КПД область их применения расширилась.
У синхронных машин скорость вращения синхронна частоте изменения тока в сети. Однако при изменении нагрузки наблюдаются мгновенные колебания скорости, которые поясняются угловой характеристикой.
Литература: [1, 3].
Вопросы для самопроверки
1. Приведите классификацию электрических машин.
2. Поясните устройство и принцип работы машины постоянного тока в режиме двигателя и генератора.
3. Каковы способы возбуждения машин постоянрого тока?
4. Назовите основные харатеристики генератора постоянного тока. Поясните характер протекания этих зависимостей.
5. Посните способы пуска и регулирования скорости электродвигателей постоянного тока.
6. Объясните устройство и принцип работы асинхронного двигателя.
7. Kaк устроены обмотки статора и ротора асинхронных двигателей с короткозамкнутым и фазным ротором?
8. Что называют скольжением в асинхронном двигателя?
9. Как осуществить изменение направления вращения ротора двигателя?
10. Изобразите механическую характеристику асинхронного двигателя и покажите на ней пусковой момент, максимальный и номинальный.
11. Как пускают в ход асинхронный двигатель с фазными кольцами?
12. Какие потери энергии происходят в асинхронном двигателе при нагрузке?
13. Объясните устройство синхронной машины.
14. Какое соотношение существует между числом пар полюсов, частотой тока и скоростью вращения ротора синхронной машины?
15. Изложите принцип работы синхронного двигателя и генератора.
16. Объясните, как осуществляется пуск синхронного двигателя, имеющего асинхронную пусковую обмотку.
17. Поясните механическую и угловую характеристику синхронной машины.