Электротехника Расчеты электрических цепей

Электротехника
  • Элементы электрических цепей
  • Схемы замещения источников
    электрической энергии
  • Анализ цепи переменного тока
     и входящих в нее элементов
  • Параллельное соединение резистивного
    и индуктивного элементов
  • Машины постоянного и переменного тока
  • Принцип действия асинхронного
    и синхронного двигателей
  • Принцип действия машин постоянного тока
  • Трансформаторы и электромагнитные устройства
  • Трансформатор
  • ПРИВЕДЕННЫЙ ТРАНСФОРМАТОР
  • ВЕКТОРНАЯ ДИАГРАММА ТРАНСФОРМАТОРОВ
  • ТРЕХФАЗНЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ
  • СТАБИЛИЗАТОР НАПРЯЖЕНИЯ
  • Машины переменного тока
  •  Электрические машины разделяются
    на генераторы и электродвигатели
  • Коллекторные двигатели переменного тока
  • Разборка и сборка электродвигателя
    постоянного тока
  • Выполнению ремонтных работ
  • Электроника
  • Электрические и электронные аппараты
    и устройства
  • Некоторые лампы СВЧ диапазона
  • Полупроводниковые диоды
  • Тиристоры.
  • Выпрямители и инверторы промышленной частоты
  • Электронные усилители
  • Обратная связь в усилителях
  • Катодный и эмиттерный повторители
  • Усилители мощности
  • Повторитель напряжения
  • Шумы в усилителях
  • Генераторы электрических колебаний
  • RC-генераторы
  • Ждущий мультивибратор
  • Мультивибратор на ОУ
  • Цифровые электронные устройства
  • Реализация сложных логических функций
    на интегральных микросхемах
  • Последовательные цифровые устройства
  • Счётчик
  • Регистр
  • Комбинационное цифровое устройство
  •  Сумматоры
  • Импульсные генераторы
    на цифровых микросхемах
  • Охлаждение полупроводниковых приборов
  • Способы охлаждения полупроводниковых
    приборов
  • Воздушное, естественное
    и принудительное охлаждение
  • Системы охлаждения силовых модулей
  • Основные методы охлаждения
  • Расчет параметров охладителей
  • Выбор охладителя
  • Дискретные приборы
  •  

    Трансформаторы и электромагнитные устройства

    Общие сведения

    Oпределение: Трансформатором называется статический электромагнитный аппарат, предназначенный для преобразования системы переменного тока одних параметров в систему переменного тока с другими параметрами.

    Трансформаторы и электромагнитные устройства

    Известно, что передача электроэнергии на дальние расстояния осуществляется на высоком напряжении (220, 400, 500 кВ и более), благодаря чему значительно уменьшаются потери энергии в линии (рис.1). Получить такое высокое напряжение непосредственно в генераторе невозможно, поэтому в начале линии электропередачи устанавливают повышающие трансформаторы, а в конце линии устанавливают понижающие трансформаторы.
    Таким образом, переменный ток по пути от электростанции до потребителя подвергается трех-, а иногда и четырехкратному трансформированию. В зависимости от назначения трансформаторы разделяются на силовые и специальные. Силовые трансформаторы используются в линиях электропередачи и распределения электроэнергии. К специальным трансформаторам относятся: печные, выпрямительные, сварочные, автотрансформаторы, измерительные, трансформаторы для преобразования частоты и т.д. Трансформаторы разделяются на однофазные и многофазные, из которых наибольшее применение имеют трехфазные. Кроме того, трансформаторы могут быть двухобмоточными (если они имеют по две обмотки) или многообмоточными (если они имеют более двух обмоток). В зависимости от способа охлаждения трансформаторы разделяются на масляные и сухие.

    ПРИНЦИП РАБОТЫ И УСТРОЙСТВО ТРАНСФОРМАТОРОВ

    Простейший трансформатор состоит из магнитопровода и двух расположенных на нем обмоток. Обмотки электрически не связаны друг с другом. Одна из обмоток - первичная, подключена к источнику переменного тока. К другой обмотке - вторичной подключают потребитель.

    ПРИНЦИП РАБОТЫ И УСТРОЙСТВО ТРАНСФОРМАТОРОВ

    Действие трансформатора основано на явлении электромагнитной индукции. При подключении первичной обмотки к источнику переменного тока в витках этой обмотки протекает переменный ток I1, который создает в магнитопроводе переменный магнитопоток Ф. Замыкаясь в магнитопроводе, этот поток пронизывает обе обмотки, индуктируя в них ЭДС:

    Из этих формул следует, что вычисленные ЭДС е1 и е2 могут отличаться друг от друга числами витков в обмотках. Применяя обмотки с различным соотношением витков, можно изготовить трансформатор на любое отношение напряжений. При подключении ко вторичной обмотке нагрузки zн в цепи потечет ток I2 и на выводах вторичной обмотки установится напряжение U2.Обмотка трансформатора, подключенная к сети c более высоким напряжением, называется обмоткой высшего напряжения (ВН); обмотка, присоединенная к сети меньшего напряжения, называется обмоткой низшего напряжения (НН). Трансформаторы - обратимые аппараты, т.е. могут работать как повышающими, так и понижающими. Основными частями трансформатора являются его магнитопровод и обмотки. Магнитопровод выполняется из тонких листов электротехнической стали. Перед cборкой листы изолируются друг от друга лаком или окалиной. Это дает возможность в значительной мере ослабить в нем вихревые токи и уменьшить потери на перемагничивание.
    Трансформаторы бывают стержневыми и броневыми. Наиболее широкое распространение получили стержневые трансформаторы. Трансформаторы броневого типа имеют разветвленный магнитопровод с одним стержнем и ярмами, частично прикрывающими (бронирующими) обмотки. В трехфазном трансформаторе применяют трехстержневой магнитопровод, который похож на броневой, но обмотки на нем расположены на всех трех стержнях.

    Трансформаторы бывают стержневыми и броневыми

    По способу сочленения стержней с ярмами различают шихтованные магнитопроводы и стыковые. В работе удобнее шихтованные магнитопроводы, т.к. воздушный зазор в местах сочленения у них меньше и они прочнее. Форма поперечного сечения стержней зависит от мощности трансформатора: в небольших - это прямоугольник, а в средних и крупных - ступенчатое сечение.

    Обмотки трансформаторов выполняют из медных проводов круглого и прямоугольного сечения, изолированных хлопчатобумажной пряжей или кабельной бумагой. По взаимному расположению обмоток ВН и НН и по способу их размещения на стержнях различают обмотки концентрические и дисковые.

    В масляных трансформаторах магнитопровод с обмотками помещается в бак, заполненный маслом, которое отбирает от них тепло, передавая его стенкам бака. Кроме того, электрическая прочность масла выше, чем у воздуха, что обеспечивает более надежную работу высоковольтных трансформаторов. Для увеличения охлаждающей поверхности применяются трубчатые баки. При нагревании масло расширяется. Излишек его попадает из общего бака в бак-расширитель, установленный на крышке трансформатора. Для предотвращения аварии у трансформаторов напряжением 1000 кВ и выше на расширителе устраивают выхлопную трубу, закрытую мембраной - стеклянной пластиной. При образовании в баке большого количества газов мембрана выдавливается, и газы выходят наружу.

    ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ТРАНСФОРМАТОРЕ. УРАВНЕНИЕ ЭДС.

    Как видно из рис. 4, основной магнитный поток Ф, действующий в магнитопроводе трансформатора, сцепляется с витками обмоток и наводит в них ЭДС:

    Предположим, что магнитный поток Ф является синусоидальной функцией, т.е.

    Подставим это значение в выражения для ЭДС и, произведя дифференцирование, получим:

    где

    Из последних формул видно, что ЭДС е1 и е2 отстают по фазе от потока Ф на угол  /2.

    Максимальное значение ЭДС:

    Переходя к действующим значениям, имеем

    Если Фmах выражено в максвеллах, а Е в вольтах, то

    Отношение ЭДС обмотки высшего напряжения к ЭДС обмотки низшего напряжения называется коэффициентом трансформации.

    Подставив вместо ЭДС Е1 и Е2 их значения, получим:

    Токи I1 и I2, протекающие по обмоткам трансформатора, помимо основного потока Ф создают магнитные потоки рассеяния ФР1 и ФР2 (рис. 4.2.1). Каждый из этих потоков сцепляется только с витками собственной обмотки и индуктирует в них реактивные ЭДС рассеяния ЕР1 и ЕР2. Величины этих ЭДС прямо пропорциональны возбуждающим их токам:

    где x1 и x2 - индуктивные сопротивления рассеяния обмоток. Кроме этого, в каждой обмотке трансформатора имеет место активное падение напряжения, которое компенсируется своей ЭДС:

    Рассмотрим действие изученных выше ЭДС в обмотках трансформатора. В первичной обмотке Е1 представляет собой ЭДС самоиндукции, а поэтому она направлена против первичного напряжения u1. В связи с этим уравнение ЭДС для первичной обмотки имеет вид:

    Величины j I1 x1 и I1 r1 представляют собой падение напряжений в первичной обмотке трансформатора. Обычно j I1 x1 и I1 r1 невелики, а поэтому, с некоторым приближением, можно считать, что подведенное к трансформатору напряжение u1 уравновешивается ЭДС Е1:

    Во вторичной обмотке Е2 выполняет роль источника тока, поэтому уравнение ЭДС для вторичной обмотки имеет вид:

    где j I2 x2 и I2 r2 - падение напряжения во вторичной обмотке. При холостом ходе трансформатора первичная обмотка включена на напряжение u1, а вторичная разомкнута (I2 = 0). При этих условиях в трансформаторе действует только одна намагничивающая сила первичной обмотки I10 w1, созданная током I10, которая наводит в магнитопроводе трансформатора основной магнитный поток:

    где Rм - магнитное сопротивление магнитопровода потоку. При подключении к вторичной обмотке нагрузки ZН в ней возникает ток I2. При этом ток в первичной обмотке увеличивается до значения I1. Теперь поток Ф создается действием двух намагничивающих сил I1 w1 и I2 w2.

    Из выражения

    видно, что основной поток Ф0 не зависит от нагрузки трансформатора, при неизменом напряжении u1. Этот вывод дает право приравнять:

    Разделим обе части уравнения на w1, получим:

    где - вторичный ток, приведенный к числу витков первичной обмотки.
    Перепишем уравнение

    из которого следует, что ток I1 имеет две составляющие: одна из них (I10) затрачивается на создание основного потока в магнитопроводе, а другая (- I2') компенсирует размагничивающее действие вторичного тока. Любое изменение тока во вторичной цепи трансформатора всегда сопровождается соответствующим изменением первичного тока. В итоге величина потока Ф (а, следовательно, и ЭДС Е1) остаются практически неизменными.
    Вследствие перемагничивания стали в магнитопроводе трансформатора возникают потери энергии от гистерезиса и вихревых токов. Мощность этих потерь эквивалентна активной составляющей тока I10. Следовательно, ток I10 наряду с реактивной составляющей Iоp, идущей на создание основного потока Ф, имеет еще и активную составляющую Iоа. В итоге:

    На рис. 4.4.1 приведена векторная диаграмма трансформатора в режиме холостого хода.
    Обычно ток Iоа не превышает 10% от тока Io, поэтому незначительно влияет на величину I10. Обычно он равен (0,02 0,1) I1, поэтому при нагрузке I10 принимаем равным нулю, и тогда:

    т. е. отношение токов обратно пропорционально числам витков обмоток.

    Заключая разделы 3 и 4, перепишем вместе уравнения ЭДС и токов трансформатора:

    Эти уравнения получили название основных уравнений, на которых базируется теория трансформатора и общая теория электрических машин переменного тока.

    Реализация сложных логических функций на интегральных микросхемах