Материал для подготовки к экзамену по электротехнике (1092854), страница 14
Текст из файла (страница 14)
Полученный график показывает, что зависимость намагниченности ферромагнитного материала (магнитная индукция) зависит не только от величины напряженности внешнего магнитного поля, но и от предшествующего магнитного состояния материала, которое определяется гистерезисными свойствами ферромагнетика.
Замкнутая кривая намагничивания ферромагнетика abecdfa , графически представляющая в координатах В(Н) один цикл перемагничивания, называется петля гистерезиса.
При циклическом перемагничивании ФММ вследствие периодического разрушения структуры при переориентации магнитных доменов, т.е. вследствие явления гистерезиса, происходит поглощение части энергии внешнего магнитного поля и преобразование её тепло – тепловые потери мощности на гистерезис.
Явление вихревых токов (токи фуко)
Вихревыми или индукционными токами называют контурные (замкнутые) электрические токи, возникающие вследствие вихревых ЭДС самоиндукции в проводящем теле (среде) при изменении магнитного потока
По закону электромагнитной индукции при всяком изменении магнитного потока в окружающем объеме наводятся вихревые ЭДС, величина которых будет пропорциональна скорости изменения магнитного потока: 
Если образец из электропроводящего материала (Al, Cu, ФММ) поместить в переменное магнитное поле, то под действием индуцированных вихревых ЭДС в его объеме возникают вихревые токи, величина которых будет пропорциональна электропроводности материала.
Вихревые токи в соответствии с принципом Ленца обладают размагничивающим действием на основной поток, а также вызывают объёмный нагрев материала (джоулевы потери i2R), на что будет расходоваться часть энергии внешнего магнитного поля - тепловые потери мощности на вихревые токи.
Направление индукционной ЭДС и вихревых токов зависит от направления магнитного потока и характера его изменения, т.е. увеличения магнитного потока магнитного потока или его уменьшения .
Потери мощности на вихревые токи определяются по упрощённой эмпирической формуле:
, 
- опытный коэффициент; G – масса магнитопровода; f – частота перемагничивания; В – магнитная индукция, откуда следует, что потери мощности на вихревые токи пропорциональны квадрату магнитной индукции: ΔP вт ~ B2 .
Таким образом, при работе в переменных магнитных полях в ФММ вследствие явлений гистерезиса и вихревых токов происходит преобразование части энергии внешнего магнитного поля в тепловую - возникают тепловые потери мощности – тепловые потери в стали (сердечнике, магнитопроводе) ΔPс .
1. Для снижения потерь на гистерезис при изготовлении магнитопровода (сердечника) используют специальные магнитно- мягкие материалы (с узкой петлёй гистерезиса);
2. Для снижения потерь на вихревые токи:
2.1. - магнитопровод (сердечник) изготовляется не сплошным, а шихтованным, т.е. набирается из тонких изолированных пластин электротехнической стали толщиной 0,35 - 0,5 мм;
2.2. - в качестве материала магнитопровода используются электротехнические стали с повышенным удельным сопротивлением - кремнистые стали с содержанием кремния около 4% .
Применение ферромагнитных материалов в качестве сердечников (магнитопроводов) в различных электротехнических устройствах обеспечивает получение сильного магнитного поля и концентрацию магнитного потока, что при прочих равных условиях позволяет повысить мощность и экономичность электрических машин, аппаратов и другого электротехнического оборудования.
Кроме того, для повышения экономичности электротехнических устройств, работающих в цепях переменного тока, необходимо принять все меры к снижению потерь мощности в магнитопроводе, возникающих вследствие явлений гистерезиса и вихревые токи.
23. Применение ферромагнитных материалов в электротехнике. Магнитно-мягкие и магнитно-твердые материалы. Потери энергии при перемагничивании ферромагнетиков и способы их снижения.
В зависимости от величины потерь на гистерезис и области промышленного применения все ФММ условно разделяются на два класса:
Магнитно-мягкие ФММ
1) Высокая магнитная проницаемость.2) Узкая петля гистерезиса и малые потери на гистерезис.
3) Легко перемагничиваются, поэтому
применяются для работы в переменных магнитных полях в качестве сердечников (магнитопроводов) для концентрации и усиления магнитного потока.
Пример: электротехническая сталь, пермаллой, пермендюр.
Магнитно-твердые ФММ
1) Широкая петля гистерезиса;
2) Большие потери на гистерезис, поэтому для работы в переменных магнитных полях не используются.
3) Трудно перемагничиваются.
Применяются для изготовления постоянных магнитов.
Пример: кунико, альнико, сплавы ЮНДК.
24. Передача электрической энергии и потери мощности в ЛЭП. Цель трансформации напряжения. Устройство и принцип работы трансформатора.
-
Зачем нужно изменять напряжение при передаче электроэнергии?
Большое количество электрической энергии, которая вырабатывается на мощных электростанциях, нужно передавать потребителям, которые находятся обычно на большом расстоянии от места её производства. Передачу электрической энергии можно осуществлять лишь за счёт некоторого количества самой электрической энергии. При передаче возникают тепловые потери электрической энергии – «джоулевы потери» » ∆Р=I2R, поэтому при передаче эл.энергии на далёкие расстояния и её распределении большое значение имеет сила тока, с которой передаётся эл.энергия, ведь от этого зависит толщина сечений проводов, соответственно расход материалов и экономичность ЛЭП.
По формуле Джоуля –Ленца тепловые потери трёхфазной ЛЭП можно рассчитать по следующей формуле: ∆Р=3Iл2R, где Iл –сила тока в линии, R-сопротивление провода линии ЛЭП.
Pп=3UлIлcosφп -формула активной мощности трёхфазного потребителя. Отсюда имеем Iл=Pп3Uлcosφп. Подставим Iл в формулу Джоуля-Ленца, получим ∆Рл=Pп2Uл2 cosφп2Rл. Из формулы следует, что тепловые потери в ЛЭП обратно пропорциональны квадрату линейного напряжения и обратно пропорциональны квадрату коэффициента мощности потребителя. Поэтому при передаче электроэнергии для снижения потерь в ЛЭП необходимо повышать коэффициент мощности потребителей, а также необходимо осуществлять передачу электроэнергии при насколько это возможно более высоком напряжении.
При повышении напряжения сила тока уменьшается, уменьшаются потери электроэнергии, и повышается коэффициент полезного действия.
Как трансформатор может изменять напряжение?
Простейший однофазный трансформатор состоит из замкнутого магнитопровода - ферромагнитного сердечника, на котором расположены две независимые электрически разделённые обмотки из изолированного медного провода: W1-первичная обмотка с числом витков W1, на которую подают напряжение U1, W2-вторичная обмотка с числом витков W2, к ней подключается потребитель и с неё снимается выходное напряжение U2.
При подключении трансформатора к сети в первичной обмотке возникает переменный ток I1, который создаёт переменный магнитный поток Ф, замыкающийся по магнитопроводу. Поток Ф индуцирует в обеих обмотках переменные ЭДС – е1 и е2 пропорциональные по закону Максвелла числам витков W1 и W2 соответствующей обмотки и скорости изменения потока dФ/dt.
e1=-W1∙dФdt; e2=-W2dФdt
Отношение мгновенных и действующих ЭДС в обмотках трансформатора определяется выражением: E1E2=e1e2=W1W2
Падения напряжения в обмотках трансформатора не превышают обычно 3-5% от номинальных значений U1 и U2, ими можно пренебречь, тогда можно считать Е1≈U1 и E2≈U2.
Получим, что U1U2≈W1W2
Следовательно, подбирая соответствующим образом числа витков обмоток, при заданном напряжении U1 можно получить желаемое напряжение U2. Если необходимо повысить вторичное напряжение, то число витков W2 берут больше числа W1, такой трансформатор называют повышающим. Если требуется уменьшить напряжение U2, то число витков W2 берут меньшим W1, такой трансформатор называют понижающим.
25. Режимы работы и КПД трансформатора. Опыты холостого хода и короткого замыкания. Внешняя характеристика трансформатора.
Режимы работы трансформатора
Для характеристики степени загруженности трансформатора по отношению к его номинальной (расчетной, паспортной) мощности, вводится коэффициент загрузки β.
, где P2 – рабочая (нагрузочная) мощность трансформатора.
В зависимости от величины коэффициента загрузки различают:
1) β = 1 => P2 = P2 ном – номинальный режим.
Это основной (расчетный) режим работы трансформатора с номинальными параметрами (U ном , I ном , P ном), при котором трансформатор или другое электротехническое устройство может работать с высокими технико-экономическими показателями (КПД, cos φ) в допустимом тепловом режиме (без перегрева) в течение длительного времени, что обеспечивает длительный срок службы электрооборудования порядка 10 -15 и более лет.
2) β = 0 => Р2 = 0.
Режим холостого хода (или подключение к нагрузке с очень большим сопротивлением). I 20 = 0, обмотка разомкнута, Z н = ∞.
Передачи ЭЭ в этом случае не происходит. Режим совершенно бесполезный, т.к. ТР потребляет реактивную мощность и коэффициент мощности cos φ потребителя снижается.
3) β < 1. Р2 < Р 2 ном – режим недогрузки. Не рекомендуется, т.к. снижаются технико-экономические показатели, КПД и cos φ.
4) β > 1. Р2 > Р 2 ном – режим перегрузки. Категорически не допускается, т.к. приводит к резкому перегреву электротехнического устройства и резкому сокращению срока службы. Снижаются технико-экономические показатели.
5) Аварийный режим - режим короткого замыкания.
U1 = U1 ном; Z н = 0 - т.е. обмотка W2 замкнута «сама на себя». При этом токи в обмотке сильно возрастают, примерно в 10-15 раз, отсюда резкий перегрев обмотки и даже механические разрушения трансформатора.
КПД трансформатора.
Потери мощности и КПД трансформатора
При работе трансформатора происходит передача ЭЭ из обмотки W1 в W2 , при этом часть подведенной к трансформатору энергии теряется в виде тепловых потерь в стали (сердечнике) и в меди, т.е. в обмотках.
W1 ФМС W2
P1 ~> ~ Ф 0 ~> P2
ΔP1м + ΔPс + ΔP2м = ΔPтр
Потери в трансформаторе в номинальном режиме очень малы, ΔPтр ~ 1-3%, т.е. ηном = (97-99)%. Обычно трансформатор работает большую часть времени в режиме недогрузки, т.е. β = P2 / P2ном ≈ 0,5-0,7. Такой режим эксплуатации выбирается для того, чтобы при неожиданном подключении мощного потребителя трансформатор не оказался в режиме сильной перегрузки, что может привести к отключению трансформатора и возникновению аварийного режима в питающей сети. Поэтому проектирование и расчет трансформаторов выполняют таким образом, чтобы η макс приходилось на режим β = 0,5-0,7.
а) Прямой метод определения КПД
- по показаниям измерительных приборов.
P2 – мощность нагрузки, подключённой к трансформатору;
P1 – мощность, подведенная к трансформатору;
б) Косвенный метод определения КПД
Данный метод позволяет определить КПД трансформатора по данным опытов холостого хода и короткого замыкания с учетом коэффициента загрузки β.
Из паспорта трансформатора находят полную мощность Sном ~> P2 = βP2ном = β Sном cos φнагр.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
