elektrotekhnika

26. Закон полного тока.

В основе расчета магнитных цепей лежит закон полного тока

,

где: Н – напряженность магнитного поля в данной точке пространства; dL – элемент длины замкнутого контура L; α – угол между направлениями векторов и ;   I – алгебраическая сумма токов, пронизывающих контур L.

Ток I_к, пронизывающий контур L считается положительным, если принятое направление обхода контура и направление этого тока связаны правилом правоходового винта (буравчика).

27. Основные характеристики ферромагнитных материалов.

Свойства ферромагнитных материалов оценивают обычно по кривым намагничивания, представляющим собой зависимость магнитной индукции от напряженности магнитного поля В(Н). Кривые намагничивания получают опытным путем. Напряженность изменяют за счет изменения тока намагничивающей обмотки, расположенной на испытуемом образце. Определение напряженности производят с помощью закона полного тока. Для определения магнитной индукции используют индукционное действие магнитного поля.

Различают магнитно-мягкие и магнитно-твердые, ферромагнитные материалы. К магнитно-мягким материалам относятся чистое железо, углеродистые электротехнические стали, сплавы железа и никеля, некоторые химические соединения железа.

Магнитно-мягкие материалы применяются для изготовления магнитных цепей электрических машин, трансформаторов, электроизмерительных приборов и разнообразных электротехнических аппаратов. К магнитно-твердым материалам относятся сплавы железа с алюминием, хромом и вольфрамом, содержащие различные присадки.

29. Идеализированная катушка с ферромагнитным сердечником в цепи синусоидального тока.

Для увеличения индуктивности катушек их наматывают на замкнутые сердечники из ферромагнитного материала. В устройствах работающих на низких частотах для сердечников используют электротехническую сталь. При высоких частотах используются сердечники из спрессованного ферромагнитного порошка. Но независимо от конструкции и материала все катушки с ферромагнитным сердечником обладают рядом свойств и особенностей, которые мы рассмотрим. В основном катушки имеют конструкцию, показанную на рис. 1. На замкнутый сердечник из ферромагнитного материала различной формы и размеров наматываются проводники, по которым протекает переменный ток.

Протекающий ток создает вокруг катушки переменный магнитный поток, большая часть которого вследствие высокой магнитной проницаемости ферромагнетика замыкается по материалу Ф₀. Существенно меньшая часть магнитного потока охватывает витки катушки, замыкаясь по воздуху, и образует т.н. поток рассеяния Ф_s. Основной поток и поток рассеяния отличаются друг от друга не только количественно, но и принципиально. Поток рассеяния замыкается по среде, магнитная проницаемость которой не зависит от напряженности магнитного поля. Поэтому его величина линейно связана с величиной тока катушки. Основной поток замыкается по ферромагнетику, обладающему сильно выраженной нелинейной зависимостью магнитной проницаемости от напряженности поля и неоднозначной связью между ними. Все это делает невозможным общий точный анализ процессов в катушке и требует принятия допущений, позволяющих рассматривать катушку как объект с линейными характеристиками.

Переменный магнитный поток, пронизывающий материал сердечника, вызывает появление в массе материала ЭДС индукции. Так как все ферромагнетики относятся к проводникам, то под действием этой ЭДС в сердечнике возникают электрические токи ( i_F рис. 2), протекающие по замкнутым контурам, расположенным в плоскостях перпендикулярных направлению магнитного потока, и называемые вихревыми токами или токами Фуко.Вихревые токи создают свой магнитный поток, стремящийся, в соответствии с правилом Ленца, ослабить изменение основного потока. Поэтому они действуют размагничивающим образом, уменьшая основной поток. Размагничивающее действие вихревых токов неодинаково в различных частях сердечника. Наиболее сильно оно выражено в центре сечения (рис. 2), т.к. центральные части охватываются максимальным числом контуров тока, МДС которых и создают размагничивающий поток. Поэтому в центре сечения плотность основного магнитного потока будет меньше, чем на краях, т.е. происходит вытеснение основного магнитного потока в наружные слои магнитопровода. Это явление выражено тем резче, чем выше частота магнитного потока и больше сечение, магнитная проницаемость и удельная проводимость материала сердечника.Протекающий по материалу сердечника электрический ток вызывает его нагрев. Если это тепло не используется, то говорят о потерях на вихревые токи. В соответствии с законом Джоуля-Ленца, мощность расходуемая на нагрев равна I_F²r, где I_F - действующее значение вихревых токов, а r - сопротивление контура, по которому они замыкаются. Очевиднно, что эффективно снизить эти потери можно уменьшив ток. Это достигается увеличением удельного сопротивления материала и разделением его на отдельные изолированные друг от друга слои вдоль линий магнитного потока (рис. 2). Такое разделение на слои называется шихтованием магнитопровода.

30. Реальные катушки индуктивности. Расчет магнитных цепей.

В расчетах магнитных цепей различают прямую и обратную задачи.

Прямая задача. Задано: 1) геометрические размеры магнитной цепи; 2) характеристика B = f(H) (кривая намагничивания) ферромагнитных материалов, из которых выполнена магнитная цепь; 3) магнитный поток Ф, который надо создать в магнитной цепи. Требуется найти намагничивающую силу обмотки F = IW.

1. Магнитная цепь разбивается на ряд участков с одинаковым поперечным сечением S, выполненном из однородного материала.

2. Намечается путь прохождения средней магнитной линии (на рис. 4.7 показано пунктиром).

3. Т.к. магнитный поток на всех участках цепи остается постоянным, то магнитная индукция B = Ф / S на каждом из участков и напряженность магнитного поля Н неизменны. Это позволяет сравнительно просто определить значение для контура, образованного средней магнитной линией, а следовательно, найти искомую величину намагничивающей силы, поскольку .

Запишем интеграл в виде суммы интегралов с границами интегрирования, совпадающими с началом и концом каждого участка цепи. Тогда

.

где: L₁ и L₂ – длины ферромагнитных участков цепи [м]. δ – ширина воздушного зазора, [м].

4. Значения Н₁ и Н₂ определяют по известным величинам магнитной индукции В с помощью кривых намагничивания, соответствующих ферромагнитных материалов.

А для воздушного зазора

А/м.

Обратная задача. Задано:

1. Геометрические размеры магнитной цепи;

2. Характеристики ферромагнитных материалов;

3. Намагничивающая сила обмотки F.

Требуется определить магнитный поток Ф.

Непосредственное использование формулы для определния магнитного потока Ф оказывается невозможным, поскольку магнитное сопротивление цепи переменное и само зависит от величины магнитного потока. Такие задачи решаются методом последовательного приближения в следующем порядке. Задаются рядом произвольных значений магнитного потока в цепи и для каждого из этих значений определяют необходимую намагничивающую силу обмотки так, как это делается при решении прямой задачи.

По полученным данным строят кривую Ф(F) – вебер-амперную характеристику. Имея эту зависимость, нетрудно для заданного значения намагничивающей силы найти величину магнитного потока.

Для оценки необходимого значения Ф можно пренебречь сопротивлением ферромагнитного участка и посчитать поток, который получится под действием намагничивающей силы F при сопротивлении воздушного участка. Это значение Ф заведомо больше расчетного.

Остальные значения можно давать меньше.

.

31. Устройство и принцип действия машин постоянного тока. Классификация. Обратимость.

Машины постоянного тока используют в качестве генераторов и двигателей. Электрическая энергия постоянного тока, вырабатываемая генераторами, служит для питания двигателей постоянного тока, электролитических ванн, электромагнитов различного назначения, аппаратуры управления и контроля и т. д. В настоящее время генераторы постоянного тока во многих установках заменяют полупроводниковыми преобразователями переменного тока в постоянный. Двигатели постоянного тока применяют на транспорте для привода некоторых металлорежущих станков, прокатных станов, подъемно-транспортных машин, экскаваторов и т. д. Одной из главнейших причин применения двигателей постоянного тока вместо наиболее широко распространенных асинхронных двигателей является возможность плавного регулирования частоты вращения в широком диапазоне и получения желаемых механических характеристик n(М). Электрическая машина — это электромеханический преобразователь энергии^[1], основанный на явлениях электромагнитной индукции и силы Ампера, действующей на проводник с током, движущийся в магнитном поле. Если электрическая энергия преобразуется в механическую работу и тепло, тогда электрическая машина является электрическим двигателем; когда механическая работа преобразуется в электрическую энергию и тепло, тогда электрическая машина является электрическим генератором; когда электрическая энергия одного вида преобразуется в электрическую энергию другого вида, тогда электрическая машина является электромеханическим преобразователем или трансформатором и когда механическая и электрическая энергии преобразуются в тепло, тогда электрическая машина является электромагнитным тормозом.

Для большинства машин выполняется принцип обратимости, когда одна и та же машина может выступать как в роли двигателя, так и в роли генератора или электромагнитного тормоза.В большинстве электрических машин выделяют ротор — вращающуюся часть, и статор — неподвижную часть, а также воздушный зазор, их разделяющий.По принципу действия выделяют нижеперечисленные виды машин:

Асинхронная машина — электрическая машина переменного тока, в которой частота вращения ротора отличается от частоты вращения магнитного поля в воздушном зазоре на частоту скольжения.

Синхронная машина — электрическая машина переменного тока, в которой частоты вращение ротора и магнитного поля в зазоре равны.

Машина двойного питания (и как вариант - асинхронизированная синхронная машина) — электрическая машина переменного тока, в которой ротор и статор в общем случае имеют разные частоты питающего тока. В результате ротор вращается с частотой, равной сумме (разности) питающих частот.

Машина постоянного тока — электрическая машина, питаемая постоянным током и имеющая коллектор.

Трансформатор — электрический аппарат ^[2] переменного тока (электрический преобразователь), преобразующий электрический ток напряжения одного номинала в электрический ток напряжения другого номинала. Существуют статические и поворотные трансформаторы .

Инвертор на базе электрической машины (см. также Умформер) — как правило, пара электрических машин, соединённых валами, выполняющих преобразование рода тока (постоянный в переменный или наоборот), частоты тока, числа фаз, напряжений.

Вентильный двигатель — электрическая машина постоянного тока, в которой механический коллектор заменён полупроводниковым коммутатором (ПК), возбуждение осуществляется от постоянных магнитов, размещенных на роторе; а статорная обмотка, как в синхронной машине. ПК по сигналам логического устройства поочерёдно, в определённой последовательности, попарно подключает фазы электродвигателя к источнику постоянного тока, создавая вращающееся поле статора, которое, взаимодействуя с полем постоянного магнита ротора, создаёт вращающий момент электродвигателю.

Сельсин — электрическая машина для дистанционной передачи информации об угле поворота.

32. Генераторы независимого, параллельного, последовательного и смешанного возбуждения.

Свойства генераторов постоянного тока зависят от числа и способа подключения обмоток возбуждения или, как говорят, от способа возбуждения генераторов. В зависимости от способа возбуждения различают:

1) генераторы независимого возбуждения;

2) генераторы параллельного возбуждения (ранее шунтовые);

3) генераторы смешанного возбуждения (ранее компаундные).

Обмотки независимого и параллельного возбуждения существенно отличаются от обмотки последовательного возбуждения в конструктивном отношении. Обмотки независимого и параллельного возбуждения изготовляются из провода относительно малого диаметра, имеют сравнительно большие числа витков и сопротивления. В отличие от этого обмотка последовательного возбуждения изготовляется из провода относительно большого диаметра, имеет небольшое число витков и сопротивление. Например, у машин мощностью от 5 до 100 кВт на напряжение 220 В обмотки параллельного возбуждения имеют соответственно сопротивления порядка 300 — 50 Ом, тогда как обмотки последовательного возбуждения — порядка 0,01 — 0,001 Ом. Площадь поперечного сечения провода для изготовления последовательной обмотки выбирают такого диаметра, чтобы обмотка не перегревалась под действием тока приемника.

Генераторы с последовательным возбуждением

Генераторы постоянного тока с последовательным возбуждением имеют обмотку возбуждения, включенную последовательно с якорной обмоткой.

Ток в обмотке возбуждения равен току (нагрузке) генератора : .

Так как нагрузка при холостом ходе равна нулю, то и ток возбуждения равен нулю, следовательно, характеристику холостого хода, то есть зависимость напряжения на зажимах генератора от тока возбуждения при постоянном числе оборотов в данном генераторе снять невозможно.

Электрическое напряжение на зажимах генератора с последовательным возбуждением при холостом ходе составляет всего несколько процентов от номинального, оно обусловлено действием магнитного поля остаточного магнетизма стали генератора.

Чтобы возбудить генератор, необходимо присоединить к нему внешнюю цепь (потребителя электроэнергии), тем самым создав условие для возникновения тока в обмотке возбуждения.

Внешняя характеристика генератора постоянного тока с последовательным возбуждением

Внешняя характеристика: напряжение на зажимах генератора вначале растёт вместе с нагрузкой (участок кривой), а затем начинает уменьшатся. Это объясняется так: вначале с ростом нагрузки растёт и ток возбуждения , так как . Следовательно, растут электродвижущая сила и напряжение на зажимах генератора. Однако по мере увеличения нагрузки напряжение на его зажимах начинает спадать, потому что падение напряжения внутри якорной обмотки становится всё более ощутимым. Кроме того, электродвижущая сила генератора по мере магнитного насыщения стали генератора увеличивается очень мало, поэтому, невзирая на её некоторый рост, напряжение на зажимах генератора после некоторой предельной нагрузки начинает уменьшаться.

Недостаток генератора с последовательным возбуждением — резко выраженная зависимость напряжения от нагрузки . Из-за этого генераторы с последовательным возбуждением редко применяются на практике, так как большинство потребителей электроэнергии требует для своей нормальной работы строго определённое напряжение.

Генераторы с последовательным возбуждением могут применяться только в условиях строгого постоянства нагрузки, например, для питания электровентиляторов, электронасосов, электропривода станков.

33. Характеристика холостого хода. Уравнение электрического состояния цепи якоря генератора

Характеристика холостого хода U₁ = _f(I_f) при I₁ =0 и n = const определяет со­стояние магнитной цепи генератора. Для получения характеристики холостого хода ротор генератора вращают с номинальной частотой. Ток возбуждения генератора I_f изменяют от нуля до некоторого максимального значения, соответствующего U₁ = l.3U_H, а затем обратно от максимума до нуля.

34. Сравнительная оценка свойств и областей применения генераторов постоянного тока различных способов возбуждения.

Основными характеристиками генераторов постоянного тока являются характеристика холостого хода, внешняя и регулировочная характеристики. Характеристика холостого хода. Характеристика холостого хода E(Iв) генератора независимого возбуждения (рис. 9.12) представляет собой зависимость ЭДС якоря от тока обмотки возбуждения при работе генератора вхолостую (приемник отключен, I = 0) и n = const. Она дает представление о том, как необходимо изменять ток возбуждения, чтобы получать те или иные значения ЭДС генератора. Если магнитная цепь машины была полностью размагничена, то при увеличении тока возбуждения зависимость Ф(Iв) представляется кривой 1 (рис. 9.13), подобной кривой намагничивания. Поскольку при n = const ЭДС прямо пропорциональна магнитному потоку, график Ф(Iв) представляет собой в другом масштабе по оси ординат характеристику холостого хода E(Iв).

Внешняя характеристика. Внешняя характеристика U(I) генератора постоянного тока независимого возбуждения представляет собой зависимость напряжения на выводах генератора от тока нагрузки при Iв = const и n = const. Вследствие реакции якоря магнитный поток и ЭДС несколько уменьшаются при увеличении нагрузки, что приводит к дополнительному снижению напряжения. Внешняя характеристика при этом получается непрямолинейной (характеристика 2 на рис. 9.14). Для получения в этом случае номинального напряжения при токе Iном необходимо устанавливать при холостом ходе несколько большуюЭДС, Ux1 = E1 > Ux = E.

Относительное изменение напряжения генератора

сравнительно невелико и равно примерно 5—10%.

Регулировочная характеристика. Регулировочная характеристика Iв(I) представляет собой зависимость тока возбуждения от тока нагрузки при n = const и U = const. Она показывает, как необходимо изменять ток возбуждения при изменении   тока   нагрузки,   чтобы  поддерживать   напряжение. Недостатком генератора независимого возбуждения является то, что он требует постороннего источника электрической энергии для питания обмотки возбуждения. От указанного недостатка свободны генераторы параллельного и смешанного возбуждения.

СВОЙСТВА И  ХАРАКТЕРИСТИКИ  ГЕНЕРАТОРОВ ПАРАЛЛЕЛЬНОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ

Особенностью генератора параллельного возбуждения является то, что он работает по принципу самовозбуждения. Для того чтобы генератор возбудился, должны быть выполнены два условия:

1) генератор должен иметь магнитный поток остаточного намагничивания Ф0;

2) обмотка возбуждения должна быть подключена к якорю так, чтобы ею создавался магнитный поток, совпадающий по направлению с потоком остаточного намагничивания.

Регулировочная характеристика. Регулировочная характеристика генератора параллельного возбуждения не отличается по виду от характеристик генератора независимого возбуждения (см. рис. 9.15). Однако поскольку у генератора параллельного возбуждения напряжение U меняется в больших пределах, необходимо в больших пределах изменять и ток возбуждения с помощью реостата rр.

СВОЙСТВА И  ХАРАКТЕРИСТИКИ  ГЕНЕРАТОРОВ СМЕШАННОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ

Характеристика холостого хода. Так как при холостом ходе (I = 0) обмотка последовательного возбуждения не принимает участия в образовании магнитного потока, то характеристика холостого хода генератора смешанного возбуждения не отличается от характеристики генератора параллельного возбуждения (см. рис. 9.17). Процесс самовозбуждения генератора смешанного возбуждения при холостом ходе протекает в том же порядке, что и генератора параллельного возбуждения.

Внешняя характеристика. На основании второго закона Кирхгофа U = Е - Iяrя - Irс,

где rс — сопротивление последовательной обмотки. Так как Iя = I + Iв, то вместо (9.15) получимU = E - I (rя + rс) - Iвrя .

Если пренебречь, как и ранее, падением напряжения Iвrя , то U = E - I (rя + rс).

Регулировочная характеристика. Если необходимо поддержать напряжение генератора, следует с помощью реостата rр изменять ток Iв в соответствии с регулировочной характеристикой, изображенной на рис. 9.21.

СРАВНИТЕЛЬНАЯ ОЦЕНКА  И ТЕХНИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ ГЕНЕРАТОРОВ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Одной из особенностей и главнейших достоинств генератора независимого возбуждения является возможность с помощью обмотки возбуждения изменять в широких пределах значение напряжения генератора, а также его полярность. Указанная возможность используется, например, в применяемой в различных областях техники системе генератор — двигатель, которая позволяет с помощью генератора осуществлять изменение частоты вращения двигателя в широком диапазоне, а также направление его вращения.К особенностям генератора независимого возбуждения следует отнести также относительно небольшое изменение напряжения при изменении нагрузки генератора. Очевидным недостатком генераторов независимого возбуждения является необходимость в дополнительном источнике постоянного тока для питания обмотки возбуждения.

35. Работа машины постоянного тока в режиме двигателя.

При включении двигателя постоянного тока в сеть под действие ем приложенного напряжения протекает ток как в обмотке якоря, так и в обмотке возбуждения. Ток возбуждения возбуждает магнитный поток полюсов. В результате взаимодействия тока в провод­никах обмотки якоря с магнитным полем по­люсов создается вращающий момент и якорь машины приходит во вращение. Таким обра­зом, электрическая энергия, полученная ма­шиной из сети источника энергии, преобразу­ется в энергию механическую. Ток нагрузки генератора оп­ределяется следующим выражением:

где I — ток в обмотке якоря,

      r_н — сопротивление цепи этой обмотки,

      E —э. д. с, индуктируемая в этой же обмотке,

      U — напряжение сети.

Противо-э. д. с. играет роль регулятора потребляемой мощности, т. е. изменение потребляемого тока происходит вследствие из­менения противо-э. д. с. Противо-э. д. с. равна:

Вращающий момент, развиваемый двигателем,

Приложенное напряжение уравновешено противо-э. д. с. и па­дением напряжения в сопротивлении обмотки якоря и щеточных Контактов. Поэтому для двигателя уравнение равновесия э. д. с. примет следующий вид:

где Е — составляющая приложенного напряжения, которая уравн0ч вешивает противо-э. д. с, т. е. величина, обратная противо. э. д. с. Ток в обмотке якоря

определяется следующим выражением

Число оборотов якоря двигателя

Условием установившегося режима работы двигателя является равенство моментов вращающего и тормозного. Если вращающий момент, развиваемый двигателем Мэ, уравновешен тормозным моментом на валу Мт, то скорость вращения якоря остается постоян­ной. При нарушении равновесия моментов появляется дополнитель­ный момент, создающий положительное или отрицательное уско­рение вращения якоря. Если равновесие моментов не восстанавливается и тормозной момент остается всегда больше момента врашающего (Мт>Мэ), скорость вращения уменьшается непрерывно до остановки двига­теля. Такие случаи могут возникать при больших тормозных мо­ментах на валу и значительных понижениях напряжения сети. Направление вращения якоря двигателя зависит от полярности полюсов и от направления  тока  в проводниках  обмотки  якоря.

Таким образом, для реверсирования двигателя, т. е. для изменения подавления  вращения  якоря,  нужно либо  изменить  полярность ролюсов, переключив обмотку возбуждения, либо изменить направ­ление тока в обмотке якоря.

Обмотка возбуждения обладает значительной индуктивностью, переключение ее нежелательно. Поэтому реверсирование двигателей постоянного тока обычно заключается в переключении об­мотки якоря.