Катушка как элемент трансформатора

Министерство образования и науки РФ

ФГБОУ ВПО «КУБАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра электротехники и электрических машин

УТВЕРЖДАЮ:
И.о. зав. кафедрой ЭТиЭМ
доцент	______	Я.М. Кашин
	«____»_______2013г.

Лекция № 13,14

По дисциплине «Электротехника»

для студентов направления подготовки: 131000 - «Нефтегазовое дело»

Квалификация выпускника - Бакалавр

Тема 7. Трансформаторы

Разработал:

доц.каф.ЭТиЭМ Копелевич Л.Е.

Обсуждено на заседании каф. ЭТиЭМ

27 августа 2013 г. (протокол № 1)

Секретарь кафедры

доц. С.А. Попов

2013 г.

Цели: 1. Формирование следующих компетенций:

1. ПК-2: способностью демонстрировать базовые знания в области естественнонаучных дисциплин и готовностью использовать основные законы в профессиональной деятельности, применять методы математического анализа и моделирования, теоретического и экспериментального исследования.

2. Формирование уровня обученности:

1. Знать: основные законы электротехники.

2. Иметь представление: о перспективах и направлениях развития электротехники и электроники.

Материальное обеспечение:

Проектор, ПК, комплект слайдов «ЭиЭ, тема 1».

Учебные вопросы

Вводная часть.

Основная часть:

1 Законы электромеханики

2 Трансформаторы

3 Катушка как элемент трансформатора

4 Однофазный двухобмоточный трансформатор

5 Нагрузочный режим трансформатора

6 Характеристики трансформатора

7 Энергетические диаграммы трансформатора. Потери и КПД трансформатора

8 Параллельная работа трансформатора

Заключение.

Литература

1. Касаткин А.С. Курс электротехники: Учеб. для вузов/ А.С. Касаткин, М.В. Немцов. ­- 10-е изд., стер. - М.: Высш. школа, 2009. – 542 с. (с. 196 - 237).

2. Л 21: Касаткин А.С. Курс электротехники: Учеб. для вузов/ А.С. Касаткин, М.В. Немцов. ­- 10-е изд., стер. - М.: Высш. школа, 2009. – 542 с. (с. 193-232).

Законы электромеханики

Первый закон: электромеханическое преобразование энергии не может осуществиться с КПД 100%.

Преобразование электрической энергии Рэл в механическую Рмех и обратно происходит с обязательным выделением тепловой энергии Рт. Чтобы не было потерь, надо чтобы Rоб =0, тогда не происходит электромеханического преобразования.

Электрические машины со сверхпроводящими обмотками (Rоб =0), должны иметь внешние контуры с активным сопротивлением.

В общем электрические машины с внутренним сопротивлением Zвн можно представить как шестиполюсник с двумя электрическими выводами (U,f), двумя механическими выводами (M,n), двумя тепловыми выводами (Q-количество выделяемой энергии,t).

Второй закон: все электрические машины обратимы (генераторные и двигательные).

Обратимость электрических машин (ЭМ) – основное отличие электромеханических преобразователей (ЭП) от других преобразователей.

В режиме двигателя активная мощность поступает из сети и преобразуется в механическую, в режиме генератора активная мощность забирается с вала и преобразуется в электрическую. При этом реактивная мощность (идущая на создание МП) может “поступать” или “отдаваться” в сеть независимо от режима работы.

В обычных ЭМ поток тепловой энергии не изменяет направления и потери необратимы.

ЭМ и трансформаторы – концентраторы МП (0,5 ).

Третий закон: электромеханическое преобразование энергии осуществляется полями, неподвижными друг относительно друга, в установившемся режиме.

Электромеханические преобразователи:

1. Трансформаторы

2. Асинхронные машины

3. Синхронные машины

4. Машины постоянного тока

Трансформаторы

Трансформаторы относят к электрическим машинам т.к. в основе их конструкции – стальные магнитопроводы с обмотками.

Магнитные потери

В процессе работы трансформатора магнитный поток Ф непрерывно изменяется.

Переменным магнитным потоком Ф индуцируются в теле стального сердечника вихревые токи, замыкающиеся в плоскостях, перпендикулярных оси потока.

Потери энергии уменьшаются при шихтованном магнитопроводе.

Магнитную систему делают так, чтобы магнитный поток был направлен вдоль листов.

Кроме потерь энергии на вихревые токи в стальном магнитопроводе при переменном потоке Ф имеются потери, обусловленные гистерезисом при периодическом перемагничивании стали. Уменьшения этих потерь можно достичь применением специальных сортов стали.

Все это суммарные потери.

,

где f – частота;

- экспериментальный коэффициент (зависит от конструкции);

Bm – максимальная индукция;

G – вес магнитопровода;

- поступает от источника, питающего намагничивающую обмотку.

Магнитный поток и индуктируемая ЭДС.

Фвлияет на i – из-за насыщения и гистерезиса

L ,

.

При L = var, ЭДС самоиндукции определяют выражением:

.

Пусть Ф=Фmsin ,

= ,

т.е. ЭДС (Е) отстает по фазе на ¼ периода (90 градусов) от магнитного потока Ф.

Действующее значение ЭДС:

.

Катушка как элемент трансформатора

Рассмотрим катушку без стального сердечника при R

Приложенное на зажимах катушки напряжение уравновешивает ЭДС самоиндукции ( =- )

P=UIcos

Энергетический процесс обратимый: энергия, затрачиваемая на создание магнитного поля катушки при возрастании тока от нуля до максимального значения, целиком возвращается источнику при спадании тока от максимального значения до нуля.

Рассмотрим катушку со стальным сердечником

Магнитный поток тот же, Е – тоже.

Для создания того же потока нужен меньший ток (ток особенно снижается при замкнутом магнитопроводе).

Р даже при R=0, т.к. электрическая цепь должна доставлять энергию для покрытия потерь в стальном магнитопроводе:

,

- угол потерь.

Схемы замещения

При анализе рабочих процессов в ЭМ удобно пользоваться электрическими схемами, в которых отражены основные закономерности и энергетические соотношения рассматриваемых устройств – это схемы замещения.

- рассчитанные величины, которые в схеме замещения отражают потребление катушкой кажущейся ( ), активной ( ) и реактивной ( ) мощностей.

Если R , то приложенное напряжение должно уравновешиваться ЭДС самоиндукции Е и компенсировать падение напряжения на активном сопротивлении обмотки R.

= - + 0R

Активная мощность, потребляемая катушкой идет на покрытие электрических потерь в обмотке катушки ( ) и магнитных потерь в стальном сердечнике ( ).