Лекции по "Физике"

При прохождении синусоидального тока   через электрическую цепь, состоящую из последовательно соединенных элементов R, L, C, создается синусоидальное напряжение, равное по II закону Кирхгофа алгебраической сумме синусоидальных напряжений на отдельных элементах. В электронных устройствах резонанс возникает на определённой частоте, когда индуктивная и ёмкостная составляющие реакции системы уравновешены, что позволяет энергии циркулировать между магнитным полем индуктивного элемента и электрическим полем  конденсатора.

3           Трехпроводные и четырехпроводные  трехфазные цепи. Трехфазные цепи. Способы соединения трехфазных  источников электрической энергии.  Линейное и фазное напряжение. Нагрузка в трехфазной цепи. Соединение  нагрузки звездой. Трех и четырехпроводное  подключение нагрузки. Соединение  нагрузки треугольником. Фазные  и линейные токи. Мощность в  трехфазной цепи.

Трехфазные цепи являются частным  случаем многофазных систем, под которыми понимают совокупность нескольких нагрузок и источников питания, имеющих одинаковую частоту и смещенных по фазе на некоторый угол друг относительно друга. Существуют два основных способа соединения источников: последовательное и параллельное. Фазное напряжение – возникает между началом и концом какой-либо фазы. По другому его еще определяют, как напряжение между одним из фазных проводов и нулевым проводом. Линейное - которое определяют еще как межфазное или между фазное – возникающее между двумя проводами или одинаковыми выводами разных фаз. Если концы всех фаз генератора соединить в общий узел, а начала фаз соединить с нагрузкой, образующей трехлучевую звезду сопротивлений, получится трехфазная цепь, соединенная звездой. При этом три обратных провода сливаются в один, называемый нулевым или нейтральным.  Если конец каждой фазы обмотки генератора соединить с началом следующей фазы, образуется соединение в треугольник. К точкам соединений обмоток подключают три линейных провода, ведущие к нагрузке. Линейные токи при принятых направлениях токов определяются по первому закону Кирхгофа. Фазные токи – это токи, протекающие в фазах генератора или нагрузки. Следует отметить, что фазные и линейные напряжения в треугольнике равны, так же как фазные и линейные токи в звезде.

4     Переходные процессы. Законы коммутации. Анализ переходного процесса в цепи RL и RC.  Анализ переходного процесса в цепи RLC. Критический режим.

Под переходным (динамическим, нестационарным) процессом  или режимом в электрических  цепях понимается процесс перехода цепи из одного установившегося состояния (режима) в другое. Закон коммутации на индуктивности можно сформулировать так: при коммутации ток индуктивного элемента не может изменяться скачком. Напряжение на емкости при корректной коммутации не может изменяться скачком. Переходной процесс в RL-цепи при нулевых начальных условиях. Установим ключ К в положение 1 При этом в цепи возникает ток i, который создает падения напряжений на R и L.

      а)        б)        в)

. RL-цепь (а) и переходные  процессы в ней при подключении  входного воздействия (б) и  при отключеии входного воздействия(в).

Переходные процессы в  цепи рис. 4.2 будут возникать при  установке ключа К в положение 1 (нулевые начальные условия) или 2 (ненулевые начальные условия).

Рис. 4.2. RC-цепь а) и переходные процессы в ней б) и в).

5           Линейные и нелинейные цепи. Классификация цепей: линейные и нелинейные, неразветвленные и разветвленные, с одним или несколькими источниками энергии, с сосредоточенными и распределенными параметрами.

Линейной электрической  цепью называют такую цепь, все  компоненты которой линейны. К линейным компонентам относятся зависимые  и независимые идеализированные источники токов и напряжений, резисторы (подчиняющиеся закону Ома), и любые другие компоненты, описываемые  линейными дифференциальными уравнениями, наиболее известны электрические конденсаторы и индуктивности. Если цепь содержит отличные от перечисленных компоненты, то она называется нелинейной. По степени сложности – цепи бывают простые (неразветвлённые) и сложные (разветвлённые). Разветвлённые цепи в свою очередь делятся на разветвлённые – с одним источником электрической энергии и разветвлённые – с несколькими источниками.

6      Магнитные цепи  и трансформаторы. Магнитное поле. Классификация материалов по  магнитным свойствам. Ферромагнитные  материалы. Петля гистерезиса.  Анализ неразветвленной магнитной  цепи.  Трансформаторы. Классификация.  Принцип работы в режимах холостого  хода, рабочем и короткого замыкания.

Простейший трансформатор  имеет стальной сердечник и две  обмотки, изолированные как от сердечника, так и друг от друга. Обмотка трансформатора, которая подключается к источнику  напряжения, называется первичной обмоткой, а та обмотка, к которой подключаются потребители или линии передач, ведущие к потребителям, называется вторичной обмоткой. Переменный ток, проходя по первичной обмотке, создает  переменный магнитный поток, который  сцепляется с витками вторичной  обмотки и наводит в них  ЭДС. Так как магнитный поток  переменный, то индуктированная ЭДС  во вторичной обмотке трансформатора также переменная и частота ее равна частоте тока в первичной  обмотке. Переменный магнитный поток, проходящий по сердечнику трансформатора, пересекает не только вторичную обмотку, но и первичную обмотку трансформатора. Поэтому в первичной обмотке  также будут индуктироваться  ЭДС. Величины ЭДС, индуктирующихся в обмотках трансформатора, зависят от частоты переменного тока, числа витков каждой обмотки и величины магнитного потока в сердечнике. Магнитная цепь — последовательность взаимосвязанных магнетиков, по которым проходит магнитный поток. Магни́тное по́ле — силовое поле, действующее на движущиеся электрические заряды и на тела, обладающие магнитным моментом, независимо от состояния их движения, магнитная составляющая электромагнитного поля. По реакции на внешнее магнитное поле и характеру внутреннего магнитного упорядочения все вещества в природе можно подразделить на пять групп: диамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики, антиферромагнетики и ферримагнетики. Перечисленным видам магнетиков соответствуют пять различных видов магнитного состояния вещества: диамагнетизм, парамагнетизм, ферромагнетизм, антиферромагнетизм и ферримагнетизм. К ферромагнетикам относят вещества с большой положительной магнитной восприимчивостью (до 106), которая сильно зависит от напряженности магнитного поля и температуры. По месту установки трансформаторов тока их можно классифицировать следующим образом: наружные, внутренние, встроенные, переносные, специальные. По способу установки трансформаторов тока их можно классифицировать следующим образом: проходные, опорные. Трансформаторы тока бывают: с одним постоянным коэффициентом трансформации (одноступенчатые), с несколькими коэффициентами трансформации (многоступенчатые). По конструкции первичной обмотки, трансформаторы тока можно разделить следующим образом: с одним витком (одновитковые), с несколькими витками (многовитковые). Режимом холостого хода называется режим работы трансформатора при разомкнутой вторичной обмотке. Рабочий режим — это работа трансформатора при подключенных потребителях или под нагрузкой (под нагрузкой понимается ток вторичной цепи — чем он больше, тем больше на­грузка). К трансформатору подключаются различного рода потребители: электрические двигатели, освещение и т. п. 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.

7              Машины постоянного тока.  Назначение  и устройство. Принцип работы  в генераторном режиме. Уравнение  и эквивалентная схема замещения  якорной цепи. Способы возбуждения.  Принцип работы в двигательном  режиме. Механическая характеристика. Пуск двигателя постоянного тока. Регулирование скорости вращения  двигателя постоянного тока.

Машина постоянного тока — электрическая  машина, предназначенная для преобразования механической энергии в электрическую постоянного тока (генератор) или для обратного преобразования (двигатель). Машина постоянного тока может работать в двух режимах: двигательном и генераторном, в зависимости от того, какую энергию к ней подвести — если электрическую, то электрическая машина будет работать в режиме электродвигателя, а если механическую — то будет работать в режиме генератора. Однако электрические машины, как правило, предназначены заводом изготовителем для одного определенного режима работы — или в режиме генератора, или электродвигателя. Электродвигатели постоянного тока стоят почти на каждом автомобиле — это стартер, электропривод стеклоочистителя, вентилятор отопителя салона и др. В роли индуктора выступает статор, на котором расположена обмотка. На неё подаётся постоянный ток, в результате чего вокруг неё создаётся постоянное магнитное поле. Обмотка ротора состоит из проводников, запитанных через коллектор. В результате на них действуют пары сил Ампера, которые вызывают вращающий момент. Направление сил определяется по правилу «буравчика». Однако этот вращающий момент способен повернуть ротор только на 180 градусов, после чего он остановится. Чтобы это предотвратить, используется щёточно-коллекторный узел, выполняющий роль переключателя полюсов и датчика положения ротора (ДПР). В генераторе индуктором также является статор, создающий постоянное магнитное поле между соответствующими полюсами. При вращении ротора, в проводниках обмотки якоря, перемещающихся в магнитном поле, по закону электромагнитной индукции наводится ЭДС, направление которой определяется по правилу правой руки. Переменная ЭДС обмотки якоря выпрямляется с помощью коллектора, через неподвижные щетки, посредством которых обмотка соединяется с внешней сетью. Простейшая машина постоянного тока. Она представляет собой рамку, содержащую один или w витков, и вращающуюся с частотой ω в постоянном магнитном поле, создаваемом постоянным магнитом или электромагнитом. Возбуждением генератора называется создание гл» иного магнитного потока, благодаря которому во вращающемся якоре создастся ОДС. Важнейшим отличительым признаком машин постоянного тока является способ возбуждения главного магнитного поля. Практически но всех современных машинах главное магнитное ноле возбуждается электромаг­нитным путем, для чего по обмотке возбуждения, размещенной на сердечниках полюсов машины, про­пускается ток. Все рабочие характеристики маши­ны постоянного тока при работе как в режиме гене­ратора, так и в режиме двигателя зависят от способа включения цепи возбуждения по отношению к цепи якоря. Соединение этих цепей может быть парал­лельным, последовательным, смешанным и, наконец, цепи эти могут быть независимы друг от друга. При любом способе включения мощность, потребляемая цепью возбуждения, невелика и составляет несколько процентов от номинальной мощности машины. Для пуска двигателя могут быть применены три способа: прямой пуск; реостатный пуск; пуск путем изменения питающего напряжения. Прямой пуск. При прямом пуске обмотка якоря подключается непосредственно к сети. Реостатный пуск. Наибольшее применение получил реостатный пуск, при котором для ограничения тока в цепь якоря включают пусковой реостат Rп (рис. 130, а); он обычно имеет несколько ступеней (секций) R1, R2, R3, которые в процессе пуска замыкают накоротко специальными выключателями (контакторами) 1, 2 и 3. При этом сопротивление реостата постепенно уменьшается, что обеспечивает высокое значение пускового момента в течение всего времени разгона двигателя. Пуск путем изменения питающего напряжения. При реостатном пуске возникают довольно большие потери энергии в пусковом реостате. Этот недостаток можно устранить, если пускать двигатель путем плавного повышения напряжения, подаваемого на обмотку якоря. Такой пуск называют безреостатным. Для этого необходимо иметь отдельный источник постоянного тока с регулируемым напряжением (генератор или управляемый выпрямитель). Безреостатный пуск применяют на э. п. с. переменного тока и тепловозах. Из уравнения скоростной характеристики электродвигателей постоянного тока следует, что их скорость можно регулировать: а) изменением сопротивления якорной цепи R при помощи реостата в цепи якоря; б) изменением магнитного потока возбуждения Ф (при помощи реостата в цепи возбуждения); в) изменением величины напряжения U, подводимого к двигателю (за счет применения специальных схем включения).

8      Конструкция и принцип действия  асинхронных машин. Основные уравнения,  векторная диаграмма и схема  замещения. Электромагнитный момент  и механическая характеристика  асинхронной машины. Потери, КПД  и рабочие характеристики асинхронного  двигателя. Пуск в ход асинхр. двигателей с короткозамкнутым ротором и контактными кольцами. Способ регулирования частоты вращения асинхронного двигателя. Торможение и однофазные асинхронные двигатели.

Принцип действия асинхронного двигателя  основан на использовании вращающегося магнитного поля. Асинхро́нная маши́на — электрическая машина переменного тока, частота вращения ротора которой не равна (в двигательном режиме меньше) частоте вращения магнитного поля, создаваемого током обмотки статора. Асинхронная машина имеет статор и ротор, разделённые воздушным зазором. Её активными частями являются обмотки и магнитопровод (сердечник); все остальные части — конструктивные, обеспечивающие необходимую прочность, жёсткость, охлаждение, возможность вращения и т. п. Обмотка статора представляет собой трёхфазную (в общем случае — многофазную) обмотку, проводники которой равномерно распределены по окружности статора и пофазно уложены в пазах с угловым расстоянием 120 °. Фазы обмотки статора соединяют по стандартным схемам «треугольник» или «звезда» и подключают к сети трёхфазного тока. Магнитопровод статора перемагничивается в процессе изменения тока в обмотке статора, поэтому его набирают из пластин электротехнической стали для обеспечения минимальных магнитных потерь. Основным методом сборки магнитопровода в пакет является шихтовка. По конструкции ротора асинхронные машины подразделяют на два основных типа: с короткозамкнутым ротором и с фазным ротором. Оба типа имеют одинаковую конструкцию статора и отличаются лишь исполнением обмотки ротора. Магнитопровод ротора выполняется аналогично магнитопроводу статора — из пластин электротехнической стали. Существуют следующие способы управления асинхронным двигателем: реостатный — изменение частоты вращения асинхронного двигателя с фазным ротором путём изменения сопротивления реостата в цепи ротора, кроме того это увеличивает пусковой момент и повышает критическое скольжение;, частотный — изменение частоты вращения асинхронного двигателя путём изменения частоты тока в питающей сети, что влечёт за собой изменение частоты вращения поля статора. Применяется включение двигателя через частотный преобразователь;

переключением обмоток со схемы  «звезда» на схему «треугольник»  в процессе пуска двигателя, что  даёт снижение пусковых токов в обмотках примерно в три раза, но в то же время снижается и момент;, импульсный — подачей напряжения питания специального вида (например, пилообразного);, введение добавочной ЭДС согласно или противонаправлено с частотой скольжения во вторичную цепь; ,изменением числа пар полюсов, если такое переключение предусмотрено конструктивно (только для короткозамкнутых роторов); изменением амплитуды питающего напряжения, когда изменяется только амплитуда (или действующее значение) управляющего напряжения. Тогда вектора напряжений управления и возбуждения остаются перпендикулярны (автотрансформаторный пуск); фазовое управление характерно тем, что изменение частоты вращения ротора достигается путём изменения сдвига фаз между векторами напряжений возбуждения и управления; амплитудно-фазовый способ включает в себя два описаных способа; включение в цепь питания статора реакторов; индуктивное сопротивление для двигателя с фазным ротором.  Рабочими характеристиками называют графические зависи­мости частоты вращения п2 (или скольжения s),момента на валу М2 , тока статора I1 , коэффициента полезного действия η и cos φ1 от полезной мощности Р2 при U1 = const и f1 = const. Их определяют экспериментально или путем расчета по схеме замещения или круговой диаграмме.  Пуск при пониженном напряжении применяется для пуска асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором большой мощности, а также для двигателей средней мощности при недостаточно мощных электрических сетях. Понижение напряжения осуществляется следующими способами: переключением обмотки статора при пуске с рабочей схемы «треугольник» на пусковую схему «звезда». В этом случае фазное напряжение, подаваемое на обмотку статора, уменьшается в ?З раз, что обусловливает уменьшение фазных токов в ?З раз и линейных токов в 3 раза. По окончании процесса пуска и разгона двигателя до номинальной частоты вращения обмотку статора переключают обратно на схему «треугольник»; включением в цепь обмотки статора на период пуска добавочных резисторов или реакторов. При этом на указанных аппаратах создаются некоторые падения напряжения ?U, пропорциональные пусковому току, вследствие чего к обмотке статора будет приложено пониженное напряжение U1 — ?U. По мере увеличения частоты вращения ротора двигателя уменьшается э. д. с, индуцированная в обмотке ротора, а следовательно, и пусковой ток. В результате этого уменьшается падение напряжения ?U и автоматически возрастает приложенное к двигателю напряжение; подключением двигателя к сети через понижающий автотрансформатор. Последний может иметь несколько ступеней, которые в процессе пуска двигателя переключаются соответствующей аппаратурой. Недостатком всех указанных способов является значительное уменьшение пускового и наибольшего моментов двигателя, которые пропорциональны квадрату приложенного напряжения. Поэтому они могут применяться только при пуске двигателя без нагрузки. Регулирование путем изменения частоты питающего напряжения. Этот способ требует наличия преобразователя частоты, к которому должен быть подключен асинхронный двигатель. На основе управляемых полупроводниковых вентилей (тиристоров) созданы статические преобразователи частоты и построен ряд опытных электровозов и тепловозов с асинхронными двигателями, частота вращения которых регулируется путем изменения частоты питающего напряжения. Такой способ регулирования частоты вращения ротора асинхронного двигателя является весьма перспективным. Однофазные асинхронные двигатели имеют на статоре рабочую обмотку, подключаемую к однофазной сети переменного тока, и вспомогательную, которая чаще всего соединяется с однофазной сетью переменного тока кратковременно только в период пуска двигателя. Роторная обмотка, как правило, выполняется короткозамкнутой в виде беличьей клетки.

9              Конструкция и принцип действия  синхронной машины. Характеристика  холостого хода синхронного генератора. Характеристики синхронных генераторов.  Электромагнитный момент и угловая  характеристика синхронной машины. Параллельная работа синхронного  генератора с сетью. Регулирование  активной и реактивной мощности.

Синхронная машина — это электрическая  машина переменного тока, частота  вращения ротора которой равна частоте  вращения магнитного поля в воздушном  зазоре. Принцип действия синхронного двигателя основан на взаимодействии вращающегося магнитного поля якоря и магнитного поля полюсов индуктора. Обычно якорь расположен на статоре, а индуктор — на роторе. В мощных двигателях в качестве полюсов используются электромагниты (ток на ротор подаётся через скользящий контакт щетка - кольцо), в маломощных — постоянные магниты. Существует обращённая конструкция двигателей, в которой якорь расположен на роторе, а индуктор — на статоре (в устаревших двигателях, а также в современных криогенных синхронных машинах, в которых в обмотках возбуждения используются сверхпроводники.) Запуск двигателя. Двигатель требует разгона до частоты, близкой к частоте вращения магнитного поля в зазоре, прежде чем сможет работать в синхронном режиме. При такой скорости вращающееся магнитное поле якоря сцепляется с магнитными полями полюсов индуктора (если индуктор расположен на статоре, то получается, что вращающееся магнитное поле вращающегося якоря (ротора) неподвижно относительно постоянного поля индуктора (статора), если индуктор на роторе, то магнитное поле вращающихся полюсов индуктора (ротора) неподвижно относительно вращающегося магнитного поля якоря (статора)) — это явление называется «вход в синхронизм». Для разгона обычно используется асинхронный режим, при котором обмотки индуктора замыкаются через реостат или накоротко, как в асинхронной машине, для такого режима запуска в машинах на роторе делается короткозамкнутая обмотка, которая также выполняет роль успокоительной обмотки, устраняющей "раскачивание" ротора при синхронизации. После выхода на скорость близкую к номинальной (>95%) ( подсинхронная скорость ) индуктор запитывают постоянным током. В двигателях с постоянными магнитами применяется внешний разгонный двигатель. Часто на валу ставят небольшой генератор ( постоянного тока или переменного тока с выпрямлением ), т.н. "возбудитель" который питает электромагниты. Также используется частотный пуск, когда частоту тока якоря постепенно увеличивают от 0 до номинальной величины. Или наоборот, когда частоту индуктора понижают от номинальной до 0, т.е. до постоянного тока. Обычно синхронные генераторы выполняют с якорем, расположенным на статоре, для удобства отвода электрической энергии. Поскольку мощность возбуждения невелика по сравнению с мощностью, снимаемой с якоря (0,3...2%), подвод постоянного тока к обмотке возбуждения с помощью двух контактных колец не вызывает особых затруднений. Принцип действия синхронного генератора основан на явлении электромагнитной индукции; при вращении ротора магнитный поток, создаваемый обмоткой возбуждения, сцепляется поочередно с каждой из фаз обмотки статора, индуцируя в них ЭДС. В наиболее распространенном случае применения трехфазной распределенной обмотки якоря в каждой из фаз, смещенных друг относительно друга на 120 градусов, индуцируется синусоидальная ЭДС. Соединяя фазы по стандартным схемам «треугольник» или «звезда», на выходе генератора получают трехфазное напряжение, являющееся общепринятым стандартом для магистральных электросетей. Включение генератора на параллельную работу с сетью. В рассматриваемом режиме необходимо обеспечить возможно меньший бросок тока в момент присоединения генератора к сети. В противном случае возможны срабатывание защиты поломка генератора или первичного двигателя. Ток в момент подключения генератора к сети будет равен нулю, если удастся обеспечить равенство мгновенных значений напряжений сети uс и генератора иг : Ucm sin (ωct - αс ) = Uгm sin (ωг - αг ). На практике выполнение условия (6.27) сводится к выполнению трех равенств: значений напряжений сети и генератора Ucm = Uгm или Uc = Uг ; частот ωc = ωг или fс = fг ; их начальных фаз αс = αг (совпадение по фазе векторов Úc и Úг). Кроме того, для трехфазных генераторов нужно согласовать порядок чередования фаз. Совокупность операций, проводимых при подключении генератора к сети, называют синхронизацией. Практически при синхронизации генератора сначала устанавливают номинальную частоту вращения ротора, что обеспечивает приближенное равенство частот fс ≈ fг а затем, регулируя ток возбуждения, добиваются равенства напряжения Uc = Uг . Совпадение по фазе векторов напряжений сети и генератора (αс = αг) контролируется специальными приборами — ламповым и стрелочными синхроноскопами. Для увеличения нагрузки генератора необходимо увеличивать приложенный к его валу внешний момент (т. е. вращающий момент первичного двигателя), а для уменьшения нагрузки — уменьшать этот момент. При изменении направления внешнего момента (если вал ротора не вращать, а тормозить) машина автоматически переходит из генераторного в двигательный режим. При изменении тока возбуждения изменяется лишь реактивная составляющая тока Iа , т. е. реактивная мощность машины Q.