Электрическая энергия почти во всех случаях производится, распределяется и потребляется в виде энергии переменного тока.

Широкое применение переменного тока в различных областях техники объясняется легкостью его получения и преобразования, а также простотой устройства генераторов и двигателей переменного тока, надежностью их работы и удобством эксплуатации.

Переменный ток, меняет свое значение и направление, определенное число раз в секунду. При переменном токе электроны движутся вдоль провода сначала в одном направлении, затем на мгновение останавливаются, далее движутся в обратную сторону, опять останавливаются и снова повторяют движение вперед и назад. То есть электроны совершают в проводе колебательное движение. Вследствие своей малой скорости движения (V эл = 10 -4 м/с = 0,1 мм/с) электроныпри таких колебаниях успевают сделать лишь небольшие перемещения вдоль провода.

Наиболее часто встречается, так называемый синусоидальный переменный ток. Изменение электрических величин (силы тока, напряжения, ЭДС) со временем показывает плавная кривая линия, называемая синусоидой).

Электрические цепи, в которых значения и направления ЭДС, напряжения и тока периодически изменяются со временем по синусоидальному закону, называются цепями синусоидального тока. Иногда их называют просто цепями переменного тока.

Для переменного тока была выбрана синусоидальная форма, так как она обеспечивает более экономичные производство, передачу, распределение и использование электрической энергии.

Кроме того, именно синусоидальная форма электрических величин остается неизменной во всех участках сколь угодно сложной электрической цепи, то есть индуктивные и емкостные элементы, входящие в состав электрических цепей не изменяют синусоидальной формы тока и напряжения.

Электрические цепи переменного тока по сравнению с цепями постоянного тока имеют ряд особенностей. Эти особенности определяются:

во-первых, тем, что в состав цепей переменного тока входят новые элементы: трансформаторы, конденсаторы, катушки индуктивности;

во-вторых, тем, что переменные токи и напряжения в этих элементах порождают переменные электрические и магнитные поля, которые в свою очередь приводят к возникновению явления самоиндукции, взаимной индукции и токов смещения.

Кроме того, слепое изменение нагрузки вызывает значительно большие изменения напряжения в сети, поскольку внутреннее сопротивление генераторов и трансформаторов является преимущественно индуктивным. Электрическая мощность - это мощность, которая подается или поставляется в виде электрической энергии за раз.

Информация о потребностях электрической энергии на электрических машинах и изделиях, таких как нагреватели, двигатели или лампы, дается в ваттах. Необходимо определить тип мощности, указанный на паспортной табличке. Например, доступная механическая мощность указана для двигателей, но поглощенная электроэнергия для ламп, пылесосов или громкоговорителей. В случае генераторов, а также для велосипедных динамометров или автоматических автоматов указывается поставляемая электрическая мощность.

Все это оказывает существенное влияние на протекающие электрической цепи процессы. Анализ процессов в цепях усложняется.

Для цепи переменного синусоидального тока большое значение имеет частота f . От частоты зависит влияние емкостей и индуктивностей на процессы в цепи.

Особенности цепей синусоидального тока обуславливают ряд новых, специфических для этих цепей явлений: сдвиг фаз, явление резонанса, появление реактивных мощностей.

Коэффициент мощности.

На современных промышленных предприятиях большинство потребителей электрической энергии переменного тока представляют собой активно-индуктивную нагрузку в виде асинхронных электродвигателей, силовых трансформаторов, сварочных трансформаторов, преобразователей и так далее. В такой нагрузке в результате протекания переменного тока индуктируются ЭДСсамоиндукции, обуславливающие сдвиг по фазе между током и напряжением. Этот сдвиг по фазе обычно увеличивается, аcos  уменьшается при малой нагрузке. Например, еслиcos  двигателей переменного тока при полной нагрузке составляет 0,75 - 0,8, то при малой нагрузке он уменьшается до 0,2 - 0,4.

Если мощность, потребляемая всеми приемниками в данных цепях, является вполне определенной, то при неизменном напряжении на зажимах приемника их ток: I = P / (U  cos  )

С уменьшением cos  ток нагрузки электростанций и подстанций будет увеличиваться при одной и той же отдаваемой мощности.

Вместе с тем электрические генераторы, трансформаторы и линии электропередачи рассчитываются на определенное напряжение и ток. Увеличение тока потребителя при снижении cos  не должно превышать определенных пределов, так как питающие их генераторы рассчитываются на определенную номинальную мощностьS ном = U ном  I ном , вследствие чего они не должны оказаться перегруженными. Для того чтобы ток генератора не превышал номинального значения при сниженииcos  потребителя, необходимо снижать его активную мощность. Таким образом, понижениеcos  потребителей вызывает неполное использование мощности синхронных генераторов, трансформаторов и линий электропередачи. Они бесполезно загружаются за счет индуктивного реактивного тока.

cos  , характеризующий использование установленной мощности, часто называют коэффициентом мощности.

Коэффициентом мощности определяют как отношение активной мощности к полной:

cos  = P/S.

Коэффициент мощности (2.25)показывает, какая часть электрической энергии необратимо преобразуется в другие виды энергии и, в частности, используется на выполнение полезной работы. Нормальным считаетсяcos  0,85 - 0,9. При низком коэффициенте мощности на предприятия, потребляющие электроэнергию, накладывается штраф, при высоком - предприятия премируются.

Для улучшения коэффициента мощности проводится ряд мероприятий:

2.заменяются двигатели переменного тока, нагруженные относительно мало, двигателями меньшей мощности;

2.включаются параллельно приемникам конденсаторы.

Основные определения

Переменным называется электрический ток, величина и направление которого изменяются во времени.
Область применения переменного тока намного шире, чем постоянного. Это объясняется тем, что напряжение переменного тока можно легко понижать или повышать с помощью трансформатора, практически в любых пределах. Переменный ток легче транспортировать на большие расстояния. Но физические процессы, происходящие в цепях переменного тока, сложнее, чем в цепях постоянного тока из-за наличия переменных магнитных и электрических полей.
Значение переменного тока в рассматриваемый момент времени называют мгновенным значением и обозначают строчной буквой i .
Мгновенный ток называется периодическим, если значения его повторяются через одинаковые промежутки времени

Наименьший промежуток времени, через который значения переменного тока повторяются, называется периодом.
Период синусоидальными .
Мгновенное значение синусоидального тока определяется по формуле

Аргумент синусоидальной функции называют фазой; величину φ, равную фазе в момент времени t = 0, называют начальной фазой. Фаза измеряется в радианах или градусах. Величину, обратную периоду, называют частотой. Частота f измеряется в герцах. где Im- максимальное, или, значение тока.

Если у синусоидальных токов начальные фазы при одинаковых частотах одинаковы, говорят, что эти токи совпадают по фазе. Если неодинаковы по фазе, говорят, что токи сдвинуты по фазе. Сдвиг фаз двух синусоидальных токов измеряется разностью начальных фаз

С помощью осциллографа можно измерить амплитудное значение синусоидального тока или напряжения.
Амперметры и вольтметры электромагнитной системы измеряют действующие значения переменного тока и напряжения.
Действующим значением переменного тока называется среднеквадратичное значение тока за период. Действующее значение тока (для синусоиды

Аналогично определяются действующие значения ЭДС и напряжений

.Действующие значения переменного тока, напряжения, ЭДС меньше максимальных в √2 раз.
Законы Ома и Кирхгофа справедливы для мгновенных значений токов и напряжений.
Закон Ома для мгновенных значений:

Законы Кирхгофа для мгновенных значений:

.

Участок цепи, содержащий активное сопротивление

Соотношение может быть записано для действующих значений

Соотношение показывает, что фазы напряжения и тока в резисторе совпадают. Графически это представлено на временной диаграмме и на комплексной плоскости.

11) Явление, возникающее в неразветвленной цепи с элементами L, R, C , когда полное напряжение и ток совпадают по фазе, называется резонансом напряжений .

Условие резонанса напряжений: Х L = Х C или

(Х L > Х C ) В этом режиме цепь характеризуется активной мощностью P и положительной реактивной мощностью Q > 0. Положительное значение реактивной мощности свидетельствует о том, что индуктивная мощность больше емкостной, т.е. индуктивный элемент преобладает над емкостным элементом.. В этом режиме характер цепи называют активно–индуктивным.

При Х L < Х C реактивное сопротивление всей цепи отрицательно/ В этом режиме цепь характеризуется активной мощностью P и отрицательной реактивной мощностью Q <0. Отрицательное значение реактивной мощности свидетельствует о том, что индуктивная мощность меньше емкостной, т.е. емкостный элемент преобладает над индуктивным элементом. В этом режиме характер цепи называют активно–емкостным.

Признаком резонанса напряжений в цепи является максимальное значение тока и активной мощности . Резонанс напряжений используется в радиотехнических цепях при построении схем резонансных фильтров. При этом свойства цепи оказываются различными для сигналов разных частот.

1)

12-13)

14)

Вопрос 15 . Мощности однофазных цепей синусоидального тока. Мощности при резонансе токов и резонансе напряжений.
Мгновенная мощность при последовательном соединении R, L, C – элементов.

Среднее значение мощности определяет активную мощность:
ед. измерения – Вт.
Активная мощность определяется мощностью резистора
Полная мощность равна произведению действующих значений тока и полного напряжения
Единица полной мощности – ВА, кВА, МВА
Соотношение активных и полных мощностей:

cosφ – коэффициент мощности
Графически соотношение активной и полной мощности отображается:

Из треугольника мощностей: P= S*cosφ

Q=Q L -Q C =X L * I 2 –X C * I 2
Для цепи с параллельным соединением проводников:

, где

G = G1+G2 – активная проводимость цепи равна активной проводимости ветвей
B=B L 1 -B C 2 - реактивная проводимость цепи равна разности индуктивной и емкостной
Мощность при резонансе токов (параллельное соединение приемников)
B L 1 = B C 2 , B=0, I L 1 =I C 2 , I p =0 , φ=0
Цепь имеет активный характер. Резонанс токов – явление возникающее в разветвленной цепи с элементами L,R,C , когда полный ток цепи и приложенное напряжение совпадают по фазе.
Реактивная мощность в режиме резонанса Q=Q L -Q C =0; S=p

Мощность при резонансе напряжений (последовательное соединение)
Резонанс токов – явление возникающее в неразветвленной цепи с элементами L,R,C , когда полный ток цепи и приложенное напряжение совпадают по фазе.
При X C =X L реактивное сопротивление Х = (X L – X C) = 0
В соответствии с законом Ома

Разность фаз равна нулю ( =0)
Треугольник мощностей и треугольник напряжений становятся отрезком, цепь характеризуется активной мощностью P, реактивная мощность Q равна нулю. P=S=U*I
cos

Вопрос 16 . Трехфазные токи. Общие понятия. Соединение фаз трехфазного источника питания звездой, треугольником.
Трехфазная цепь – это совокупность трех электрических цепей, в которых действуют синусоидальные ЭДС, одинаковые по амплитуде и частоте, сдвинутые по фазе одна от другой на угол 2π/3=120 о и создаваемые общим источником энергии.
каждую цепь, входящую в трехфазную цепь принято называть фазой. Каждая фаза имеет стандартное наименование первая фаза – фаза А, вторая – фаза В, третья – фаза С. Начала фаз соответственно А, В, С, а концы Х, Y, Z.
Основные элементы трехфазной цепи:
Трехфазный генератор, преобразующий механическую энергию в электрическую
Линии электропередач,
Приемники (потребители), которые могут быть трехфазными (напр. Асинхр. Двиг.), так и однофазными (лампа накаливания).
Соединение «Звезда»

Концы Х, Y, Z в общую точку генератора N (нейтраль), а x,y,z концы приемников в нейтральную точку приемника n. A-a, B-b, C-c – линейные провода, N-n –нейтральный провод.
Каждая фаза представляет собой электрическую цепь.
Соединение «треугольник»

конец X одной фазы соед. С началом В фазы, конец Y второй с началом С третьей, конец Z третьей с началом А первой.
Каждая фаза представляет собой электрическую цепь, в которой приемник подключен к соответствующей фазе посредством двух линейных. Используется еще меньше проводов. В «треугольнике» фазы именуют двумя символами, в соответствии с линейными проводами, к которым фаза подключена: фаза «ab», «bc», «ca». Параметры обозначают в соответствии с индексами.

Вопрос 17 . Схема четырехпроводной и трехпроводной трехфазной системы, соединенной звездой. Расчет, векторная диаграмм

Трехпроводная трехфазная система

Четырехпроводная трехфазная система

Расчет

Напряжение фазного и линейного тока.


Ток в фазных приемниках определяем по закону Ома

Ток в нейтральном проводе работает первым законом Кирхгофа

векторная диаграмма

Ток каждой фазы отстает на угол φ и имеет одинаковое значение.

Ток в нейтральном проводе
При соединении фаз симметричного приемника нейтральный провод не оказывает никакого влияния, его можно исключить.
Трехфазная цепь с симметричной нагрузкой без нейтрального провода обозначается , с нейтральным проводом называется четырехпроводной и обозначается

Вопрос 18 . Соединение трехфазных приемников энергии треугольником. Расчет, векторная диаграмма.


Нейтральная точка в такой цепи не используется и нейтрального провода в такой цепи нет.
Напряжение между концом и началом фазы – это напряжение между линейными проводами. U Л =U Ф
Пренебрегая линейным сопротивлением линейных проводов, линейные нарпяжение можно приравнять линейным нарпяжениям источника питания:



токи в фазах опред. По закону Ома.

При соединении треугольником фазные токи не равны линейным, их находим по первому закону Кирхгофа.

Симметричная нагрузка



Абсолютные значения их равны, а сдвиги по фазе равны 120 градусов.
Векторная диаграмма:

Соотношение между линейными и фазными токами:


При несимметричной нагрузке:


Векторная диагрмма:

При изменении сопротивления одной из фаз режим работы других фаз остается неизменным, т.к. режим работы генератора остается неизменным. Будет изменяться только ток данной фазы и линейные токи в проводах линии соединенных с этой фазой.

Вопрос19
Силовой трансформатор - это электрический аппарат, который предназначен для преобразования электрической энергии одного значения напряжения в электрическую энергию другого значения напряжения. Трансформаторы бывают:

· в зависимости от количества фаз: однофазные и трехфазные;

· по количеству обмоток: двухобмоточные и трехобмоточные;

· в зависимости от места их установки: наружной и внутренней установки;

· по назначению: понижающие и повышающие;

Принцип работы любого силового трансформатора основан на законе электромагнитной индукции. Если к обмотке данного устройства подключить источник переменного тока, то по виткам этой обмотки будет протекать переменный ток, который создаст в магнитопроводе трансформатора переменный магнитный поток. Замкнувшись в магнитопроводе, переменный магнитный поток будет индуктировать электродвижущую силу (ЭДС) в другой обмотке трансформатора. Это объясняется тем, что все обмотки трансформатора намотаны на один магнитопровод, то есть они связаны между собой магнитной связью. Значение индуктируемой ЭДС будет пропорционально количеству витков данной обмотки.

Вопрос 20
Трансформатор – статический электромагнитный аппарат для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения, той же частоты. Трансформаторы применяют в электрических цепях при передаче и распределении электрической энергии, а также в сварочных, нагревательных, выпрямительных электроустановках и многом другом.

Трансформаторы различают по числу фаз, числу обмоток, способу охлаждения. В основном используются силовые трансформаторы, предназначенные для повышения или понижения напряжения в электрических цепях.

Первичную обмотку включают в сеть с переменным напряжением, её намагничивающая сила i1n1 создает в магнитопроводе переменный магнитный поток Ф, который сцеплен с обеими обмотками и в них индуцирует ЭДС e 1 = -n 1 dФ/dt, e 2 = -n 2 dФ/dt. При синусоидальном изменении магнитного потока Ф = Фm sinωt , ЭДС равно e = Em sin (ωt-π/2). Для того чтобы посчитать действующее значение ЭДС нужно воспользоваться формулой E=4.44 f n Фm, где f- циклическая частота, n – количество витков, Фm – амплитуда магнитного потока. Причем если вы хотите посчитать величину ЭДС в какой либо из обмоток, нужно вместо n подставить число витков в данной обмотке.

Из приведенных выше формул можно сделать вывод о том, что ЭДС отстает от магнитного потока на четверть периода и отношение ЭДС в обмотках трансформатора равно отношению чисел витков E1/E2=n1/n2.

Если вторая обмотка не находится под нагрузкой, значит трансформатор находится в режиме холостого хода. В этом случае i 2 = 0, а u 2 =E 2 , ток i 1 мал и мало падение напряжения в первичной обмотке, поэтому u 1 ≈E 1 и отношение ЭДС можно заменить отношением напряжений u 1 /u 2 = n 1 /n 2 = E 1 /E 2 = k. Из этого можно сделать вывод, что вторичное напряжение может быть меньше или больше первичного, в зависимости от отношения чисел витков обмоток. Отношение первичного напряжения ко вторичному при холостом ходе трансформатора называется коэффициентом трансформации k.

Как только вторичная обмотка подключается к нагрузке, в цепи возникает ток i2, то есть совершается передача энергии от трансформатора, который получает ее из сети, к нагрузке. Передача энергии в самом трансформаторе происходит благодаря магнитному потоку Ф.

Под углом  2 , который находим по формуле Внешние характеристики трансформатора: 1 – нагрузка активно-емкостная; 2 –чисто активная; 3 – активно-индуктивная; 4 – внешняя характеристика сварочного трансформатора

Вопрос 23

Коэффициент полезного действия трансформатора определяется по формуле

где P 2 – мощность, отдаваемая (полезная) вторичной обмоткой; P 1 – мощность подведенная (затраченная) к первичной обмотке.

Разность между подведенной и отдаваемой мощностями является потерями мощности:

.

24) режим и опыт короткого замыкания трансформатора

Режимом короткого замыкания называется режим, при котором вторичная обмотка замкнута накоротко. Если при опыте холостого хода определяются потери в сердечнике трансформатора, то при опыте короткого замыкания определяются потери в обмотках трансформатора. На первичную обмотку трансформатора подается напряжение такой величины, при которой ток в первичной цепи равен номинальному. При этом измеряется мощность, потребляемая трансформатором из сети, напряжение, ток (рис.1.22):

Величина Uк составляет 5-10% номинального напряжения. Так как поток прямо пропорционален напряжению питания трансформатора, а потери в сердечнике пропорциональны квадрату потока, то в режиме короткого замыкания потерями в сердечнике можно пренебречь. Током холостого хода также пренебрегают, так как его величина незначительна по сравнению с Iном . Поэтому gn и bф в схеме замещения трансформатора в режиме короткого замыкания отсутствуют.

В опыте короткого замыкания однофазного трансформатора вторичная обмотка закорачивается накоротко, то есть Zн=0, а напряжение вторичной обмотки U2=0. При этом напряжение первичной обмотки подводится пониженным, для того чтобы, не повредить трансформатор.

Схема опыта короткого замыкания

В опыте короткого замыкания определяют следующие параметры:

1 – Номинальное напряжение короткого замыкания Uk . Это напряжение первичной обмотки, при котором значения токов короткого замыкания в обмотках равны номинальным. Выражается в процентном соотношении от номинального напряжения U1н.

2 – Параметры схемы замещения . Так как ветви намагничивания при опыте короткого замыкания нет, то ток в первичной обмотке, равен току во вторичной.

Следовательно, полное сопротивление короткого замыкания можно определить как

3 – Сопротивления вторичной обмотки

4 – Полное падение напряжения короткого замыкания Uk в обмотках и его активную и реактивную составляющую в %

27 В обмотке статора, включенной в сеть трехфазного тока, под действием напряжения возникает переменный ток, который создает вращающееся магнитное поле. Магнитное поле пересекает проводники обмотки ротора и наводит в них переменную эдс, направление которой определяется по правилу правой руки. Поскольку обмотка ротора замкнута, эдс вызывает в ней ток того же направления. В результате взаимодействия тока ротора с вращающимся магнитным полем(на основании закона Ампера) возникает сила, действующая на проводник ротора, направление которой определяется по правилу левой руки. Сила создает момент, действующий на туже сторону. Под действием момента ротор приходит в движение и после разбега вращается в том же направлении, что и магнитное поле, с несколько меньшей частотой вращения чем поле:

В настоящее время практически все электроприводы представляют собой нерегулируемые приводы с асинхронными двигателями. Они нашли широкое применение в теплоснабжении, водоснабжении, системах кондиционирования и вентиляции, компрессорных установках и других сферах. Благодаря плавному регулированию скорости вращения, в большинстве случаев можно отказаться от дросселей, вариаторов, редукторов и прочих регулирующих устройств, что существенно упрощает механическую систему, уменьшает расходы на ее эксплуатацию и повышает надежность.

26) Режимом холостого хода трансформатора называют режим работы при питании одной из обмоток трансформатора от источника с переменным напряжением и при разомкнутых цепях других обмоток. Такой режим работы может быть у реального трансформатоpa, когда он подключен к сети, а нагрузка, питаемая от его вторичной обмотки, еще не включена. По первичной обмотке трансформатора проходит ток I0, в то же время во вторичной обмотке тока нет, так как цепь ее разомкнута. Ток I0, проходя по первичной обмотке, создает в магнитопроводе синусоидально изменяющийся лоток Ф0, который из-за магнитных потерь отстает по фазе от тока на угол потерь δ.

Векторная диаграмма трансформатора.

Векторная диаграмма работающего в режиме холостого хода трансформатора (рис. 2.6) построена на основании уравнения (1.4). С нулевой начальной фазой выбран магнитный поток, т.е. . Ток Согласно второму закону Кирхгофа, напряжение u1, приложенное к первичной цепи уравновешивается противо ЭДС рабочего магнитного потока первичной обмотки- e1, ЭДС рассеяния - и падением напряжения в проводах.

(5.4)

Для вторичной цепи - напряжение на нагрузке u2 немного меньше ЭДС е2 вследствие влияния ЭДС рассеяния и падения напряжения в проводниках вторичной обмотки.

(5.5)

Следует отметить, что ЭДС рассеяния обмоток ер1, и ер2, а так же падение напряжения i1r1 и i2r2 в десятки раз меньше по величине чем соответствующее ЭДС рабочего магнитного потока е1 и е2. Поэтому часто можно считать U1≈ - E1 и U2≈ E2.

(5.6)

(5.7)

Как видно, э.д.с. e1 и e2 отстают по фазе от магнитного потока на . Разделив и на и учитывая, что получим

Одним из средств изучения работы трансформатора является эквивалентная схема замещения , в которой магнитная связь между обмотками трансформатора замещена электрической связью, а параметры вторичной обмотки приведены к числу витков первичной.

©2015-2017 сайт
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.