Электрические машины

Основные понятия и законы магнитных цепей

Магнитной цепью называют совокупность различных ферромагнитных и неферромагнитных частей электротехнических устройств, которые служат для создания магнитных полей нужной конфигурации.

Магнитная цепь состоит из источников, возбуждающих магнитное поле цепи (электромагниты, постоянные магниты) и ряда тел, сред, образующих практически замкнутые пути, по которым замыкается основная часть магнитных силовых линий.

Магнитные цепи разнообразны по форме, геометрическим размерам, материалам. Как и электрические цепи могут быть разветвленными и неразветвленными, с одной или несколькими намагничивающими силами.

Неразветвленная магнитная цепь – это цепь, в которой магнитный поток в любом сечении одинаков, например тороид ( рисунок 4.1) или магнитная цепь, показанная на рисунке 4.2.

Рисунок 4.1 Рисунок 4.2

В большинстве случаев магнитную цепь следует считать нелинейной, и только при определенных допущениях – линейной.

Рассмотрим величины, характеризующие магнитные цепи.

Магнитная индукция В - характеризует интенсивность магнитного поля, то есть способность его производить работу, величина векторная, измеряется в теслах (Тл).

Напряженность магнитного поля Н - учитывает влияние силы тока и формы проводников на интенсивность магнитного поля в данной точке пространства, не зависит от своей среды, измеряется в А/м.

Магнитный поток Ф, пронизывающий какую либо поверхность, определяется общим числом магнитных силовых линий:

Магнитный поток измеряется веберах (Вб).

Напряженность магнитного поля и магнитная индукция связаны соотношением:

^,

где - абсолютная магнитная проницаемость.

Напряженность магнитного поля связана с токами возбуждающими поле, законом полного тока:

Величину называют полным током.

В общем виде закон полного тока для любого замкнутого контура магнитной цепи:

Со знаком (+) включают напряженность, положительное направление которой совпадают с направлением обхода контура и тока ( правило правоходного винта).

Величину называют магнитным напряжением:

При расчетах магнитных цепей используют первый и второй законы Кирхгофа.

Первый закон Кирхгофа следует из принципа непрерывности магнитного потока- - алгебраическая сумма магнитных потоков цепи равна нулю:

Второй закон Кирхгофа: алгебраическая сумма падений магнитного напряжения вдоль любого замкнутого контура равна алгебраической сумме МДС, вдоль того же контура:

Если направление магнитного потока на некотором участке совпадает с направлением обхода контура, то падение магнитного напряжения этого участка входит в сумму со знаком (+), если направление магнитного потока на некотором участке не совпадает с направлением обхода контура, то падение магнитного напряжения этого участка , входит в сумму то со знаком (-).

Если напряжение МДС совпадает с направлением обхода контура, она входит в со знаком (+), если встречно ему, то со знаком (-).

Трансформаторы

Трансформатором называется статическое электромагнитное устройство, преобразующее переменный ток (i₁) одного напряжения (u₁) в переменный ток (i₂) другого напряжения (u₂) той же частоты (рисунок 4.3). Трансформатор состоит из замкнутого сердечника, который набран из листовой электротехнической стали и двух индуктивно связанных обмоток, расположенных на сердечнике.

Рисунок 4.3

Обмотки трансформатора не имеют электрической связи друг с другом, и мощность из одной обмотки в другую передается электромагнитным путем. Сердечник является магнитопроводом и служит для усиления индуктивной связи между обмотками.

Первичная обмотка трансформатора подключается к источнику питания, а к вторичной обмотке подключаются приёмники электрической энергии.

Принцип действия трансформатора основан на явлении взаимной индукции. При подключении первичной обмотки к источнику переменного тока в витках этой обмотки протекает переменный ток i₁, который создает в магнитопроводе переменный магнитный поток Ф, замыкаясь по магнитопроводу, этот поток сцепляется с обеими обмотками (первичной и вторичной) и индуктирует в них ЭДС:

- в первичной обмотке ЭДС самоиндукции: е₁ = - w₁

- во второй обмотке ЭДС взаимоиндукции: е₂ = - w₂ ,

гдe w₁ , w₂ – число витков в первичной и вторичной обмотках трансформатора.

При подключении нагрузки к выводам вторичной обмотки трансформатора под действием ЭДС е₂ в цепи этой обмотки создается ток i₂, а на выводах вторичной обмотки устанавливается напряжение u_2. B повышающих трансформаторах U₂ > U₁,( w₁< w₂) , а в понижающих – U₂ < U₁ ,(w ₁ > w₂).

Если первичная обмотка трансформатора подключена к сети с напряжением U₁, а вторичная разомкнута (R_н = ), то режим работы трансформатора называется режимом холостого хода. Под действием напряжения по первичной обмотке течет ток , называемый током холостого хода.

Коэффициент трансформации (К_ТР) трансформатора определяется из опыта холостого хода:

Перемагничивание магнитопровода трансформатора при воздействии переменного напряжения u₁ связано с затратами энергии, которые вызывают нагрев магнитопровода. Мощность, расходуемая на перемагничивание, пропорциональна площади петли гистерезиса и зависит от материала магнитопровода, частоты перемагничивания.

Под воздействием ЭДС е₁ в обмотке трансформатора протекает ток I₁₀. Токи возникают и в других телах из проводящих материалов, расположенных в изменяющемся магнитном поле (магнитопровод, стенки бака трансформатора). Эти токи замыкаются в контурах, плоскости которых перпендикулярны направлению магнитного потока и называются вихревыми токами.

Вихревые токи нагревают магнитопровод и снижают КПД (коэффициент полезного действия) трансформатора.

Мощность, расходуемая на перемагничивание и вихревые токи, называется потерями в стали и численно равна активной мощности. Потери в стали определяются из опыта холостого хода трансформатора и не зависят от тока вторичной обмотки, то есть являются постоянными для данного трансформатора.

При коротком замыкании вторичной обмотки трансформатора его напряжение и сопротивление нагрузки равно нулю.

При опыте короткого замыкания вторичную обмотку трансформатора замыкают накоротко, а к первичной обмотке подводят такое пониженное напряжение, при котором в обмотке трансформатора протекают номинальные токи.

Это напряжение называется напряжением короткого замыкания и измеряется в процентах от номинального:

При опыте короткого замыкания полезная мощность трансформатора равна нулю, а потери в стали ничтожно малы, так как мал намагничивающий ток в сердечнике. Поэтому можно считать, что мощность P_K, потребляемая трансформатором при опыте короткого замыкания, расходуется только на нагревание проводов обмоток и называется потерями в меди.

Коэффициент полезного действия трансформатора представляет собой отношение полезной мощности ( Р₂) , отдаваемой трансформатором в нагрузку, к мощности (Р₁), потребляемой из сети:

,

где Р₀ - мощность, потребляемая трансформатором при опыте холостого хода,; Р_К - мощность, потребляемая трансформатором при опыте короткого замыка-

ния.

Электрические машины

Электрической машиной называется устройство, предназначенное для преобразования механической энергии в электрическую или наоборот:

- электромашинные генераторы, преобразующие механическую энергию в электрическую;

- электрические двигатели, преобразующие электрическую энергию в механическую;

Электрические машины по роду тока делят на машины переменного и постоянного тока.

Электрические машины по мощности условно подразделяют на микромашины; машины малой, средней и большой мощности.

Электрические машины по частоте вращения условно подразделяют:

- на тихоходные – с частотами вращения до 300 об/мин

- на средней быстроходности – 300 1500 об/мин

- на быстроходные – 1500 6000 об/мин

- на сверхбыстроходные – свыше 600 об/мин