Касаткин А.С., Немцов М.В. Курс электротехники (2005) (1021859), страница 7
Текст из файла (страница 7)
Вследствие громадных преимушеств трансформирования в соврел1енной электроэнергетике и применяется прежде всего синусоидапьный ток, Исключение составляют лишь линии передачи постоянного тока сверхвысокого напряжения и некоторые технические установки, но и они входят составной частью в систему цепей синусоидачьного тока. Большим стимулом для разработки и развития электротехнических устройств синусоидального тока является возможность полу. чения источников электрической энергии большой мощности.
У современных турбогенераторов тепловых электростанций мощность равна 100 — 1500 МВт на один агрегат. Большие мощности имеют и генераторы гидростанций. К наиболее простым и дешевым электрическим двигателям относятся асинхронные двигатели синусоидального тока, в которых отсутствуют движущиеся электрические контакты. Для электроэнергетических установок (в частности, для всех элект. рических станций) в России и в большинстве стран мира принята стандартная частота 50 Гц (в США — 60 Гц).
Причина такого выбора про. стью: понижение частоты неприемлемо, так как уже при частоте тока 40 Гц лампы накаливания заметно для глаза мигают; повышение частоты нежелательно, так как пропорционально частоте растет ЭДС само- индукции, отрицательно влияющая на передачу энергии по проводам и работу многих электротехнических устройств.
Эти соображения, однако, не ограничивают применение синуооидаль. ного тока других частот для решения различных технических и научных задач. Например, частота синусоидального тока электрических печей для 37 выплавки тугоплавких и особо чистых металлов составляет 500 Гц— 50 кГц, а в электроакустических установках частота сннусоидального тока может составлять несколько герц. Развитие радиотехники привело к созданию специфических высокочастотных (мегагерцы) устройств: антенн, генераторов, преобразователей и т. д, Многие из этих устройств основаны на свойстве переменного тока генерировать переменное электромагнитное поле, при помощи которого можно осуществи~ь направленную передачу энергии без проводов. В дальнейшем ограничимся изучением главным образом электротехнических устройств синусоидального тока промышленной частоты и методов анализа режимов их работы.
г,г. зпвмвнты зпвктпичвскои цепи синусоидапьного тока Электрическая цепь синусоидальпого тока содержит кроме электротехнических устройств, назначение которых совпадает с назначением функционально аналогичных устройств цепи постоянного тока (источники эНергии, измерительные приборы, коммутационные аппараты и т. д.), также устройства, присущие только цепям синусоидального тока: трансформаторы, конденсаторы, катушки индуктивности и др. Всю совокупность электротехнических устройств в цепи синусоидалыюго тока для наглядного и компактного отображения связей меж.
ду ними можно представить принципиальной схемой, аналогичной приведенной на рис. 1.2. Для расчета режима работы электротехнических устройств необходимо перейти от принципиальной схемы цепи к ее схеме заме. щения. Элементами схем замещения цепей синусоидального тока являются источники синусоидальных тока и ЭДС, резистивные, индуктивные и емкостные элементы. Г)снятия об источниках тока и ЭДС, а также резистивных элементах уже бьщи рассмотрены при анализе цепей постоянного тока. Индуктивные и емкостные элементы являются специфическими элементами цепей синусоидального тока. Если параметры элел1ентов не зависят от тока и приложенного к ним напряжения, то это линейные элементы.
В противном случае эле. менты следует считать нелинейными. Напряжения и токи в электрических цепях сннусоплавьного тока и в их схемах замещения, соответствующие различным моментам времени, а также в других электрических цепях, в которых токи и напряжения зависят от времени, называются мгновенными значениями н обозначаются строчными буквами ~' и и. за 2 3 ИНДУКТИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ где Ф вЂ” магнитный поток, сцепленный с А-м витком. а Так как в рассматриваемом случае потокосцеплсние с витками катушки зависит от тока в этой катушке, оно называется собственным логокосцеплеяием. Отношение собственного потокосцепления катушки к току 1 аЬ = 1 катушки называется собсгвеянои индукгивносгью, или,короче, !.
1Ь ~ ~е, иг 1 1 1 ), Р» 1 / а »» е Ь Ю) Рис. 2 1 39 Вокруг всякого провода с током ~ существует магнитное поле. В электротехнических устройствах синусоидального тока, например в трансформаторах, электрических двигателях, катушках измерительных приборов н т. д., необходимо создавать сильные магнитные поля. Свойства изменяющегося магнитного полн таких устройств рассмотрим на примере катушек индуктивности с различным направлением намотки и не будем учитывать сопротивление проводов обмотки. Если ток 1 Ь = 1 в ка~ушке постоянный, то в окружающем витки простран- аЬ стае постоянно и магнитное поле, которое можно характеризовать магнитным потоком Ф вЂ” совокупностью непрерывных магнитных ли.
ний, т. е. линий вектора индукции В через поверхность, ограниченную замкнутым контуром. Направление магнитных линий зависит от направления намотки витков и направления тока. Внутри катушки оно совпадает с направлением поступательного движения буравчика, если его рукоятку вращать в направлении тока (рис. 2.), в и б, где магнит. ные линии — только по цве в катушке — изображены штриховыми линиями).
В общем случае конфигурация магнитного поля вокруг витков имеет сложную форму. Но для характеристики катушки индуктивности как элемента электрической цепи часто не требуется знать распределение магнитного поля внутри катушки и в окружающем катушку пространстве. Достаточно вычислить погокосцеяление Ф магнитного потока со псами»а витками; ч Ф=Ф»ьФ,~-...+Ф +...+Ф = Е Ф, Ь "' »а 1»' Ь= 1 ицдуктивностью: А = зр/1 (2.1) Если собственное потокосцепление пропорционально току, то индуктивность Т. = сопят. В противном случае индуктивность зависит ат тока А(1 ). Зависимость индуктивности от тока проявляется, например, у катушек индуктивиости с магнитопроводом (сердечником) из ферромагнитного материала. Условные графические изображения катушек индуктивиости при.
ведены в табл. 2.1. Если значение тока в витках катушки изменяется (увеличивается или уменьпвется), то изменяется и собственное потакосцепление. При изменении потокосцепления в витках катушки согласно закону электромагнитной индукции индуктнруется ЭДС самоиндукции ег. Положительное направление ЭДС самоиндукции чаще выбирают совпадающим с направлением вращения рукоятки буравчика, ввинчивающегося по направлению магнитных линий, и с выбранным положительным направлением тока (рис. 2.1, а и б) .
Эта ЭДС по определению равна (2.2а) е = -с(зР/с(т, Таблица 2 Д Условные графические нзобрвження катушек нндукгнвносгн н конденсаторов Условное нзображенне Наименование Катушка нндукгнвностн 1реакторм без млгннтопровода смагннтапроводом саморегулирующаяся нелннейно, например в зависимости от перзметра П Конденсатор: постоянной емкости элекгролнтнческнй переменной емкости саморегулнруюшнйся нелинейно, например в зависимости от параметра П 40 или с учетом (2.1) е = -Ей' /г/г. (2.2б) Из (2.2) следует, что действительное направление ЭДС самоиндукции в данный момент времени может отличаться от выбранного положительного направления и определяется знаком производной тока по времени.
Нетрудно видеть, что ЭДС самоиндукции всегда препятствует изменению тока (правило Ленца). Для того чтобы в катушке индуктнвности без потерь бьш переменный ток, между ее вьаодами должно быть напряжение, равное по абсолютному значению и в каждый момент времени противоположное по направлению ЭДС самоиндукции (рис.
2.1, в): и = и = — е = /,д! /с/г =- 4/Ф/сй. аЬ Ь й Ь (2.3) г, 1ь' = / 1' и с/г, е или с уче~ом (2.3) Ьэ / ! с(! )г/! с Ф, К' = / ! с/р о 0 (2.4) Рнс. 2.2 41 Основная единица потокосцепления и магнитного потока в системе СИ вЂ” вебер (Вб), 1 Вб = 1 В с; индуктивности — генри (Гн), 1 Гн = = Вб/А =1 В с/А. Так как электрическому току всегда сопутствует магнитное поле, параметром каждой' части электротехнического устройства с током должна быть индуктивность. Пинейный индуктивный элемент является составляющей схемы замещения любой части электротехнического устройства, в которой собственное потокосцепление пропорционально току. Его параметром служит индуктивность / = соп51. Если зависимость собственного потокосцепления от тока нелинейна, то и схема замещения содержит нелинейный индуктивный элемент, который задается нелинейной веберамнерной характеристикой Р(! ).
На рис. 2.2 приведены вебер-амперные характеристики линейного (прямая а) и нелинейного (кривая б) индуктивных элементов, а также условньк обозначения таких элементов в схемах замещения. Если за время !, ток в индуктивном элементе изменится от нуля до !Ь, то в магнитном поле элемента (рис. 2,1, в) будет запасена эне)т гия Ю„= /./'/2 = Ф/ /2. (2.5) При увеличении (уменьшении) тока энергия магнитного поля индуктивных элементов увеличивается (уменьшается). Следовательно, индуктивные элементы можно рассматривать как аккумуляторы энергии. 2,4, ЕМКОСТНЫЙ ЭЛЕМЕНТ Между различными частями электротехнических устройств существует электрическое поле электрических зарядов, находящихся на этих частях устройств.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
