Внешние электрические цепи в электромеханических преобразователях энергии переменного тока

Тема: ВЗАИМОСВЯЗИ В ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯХ ЭНЕРГИИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Лекция 5

Предыдущие| рассуждения показали, что основными являются ЭМПЭ переменного тока — Т, АМ, СМ. Поэтому именно с ЭМПЭ переменного тока целесообразно начать последующие анализы их внешних и внутренних связей..

Внешние связи ЭМПЭ с соединенными с ним устройствами осуществляются через входную (первичную) и выходную(вторичную) стороны ЭМПЭ. Эти связи могут осуществляться через цепь электрической энергии ЭЭ либо механической энергии МЭ. В трансформаторе внешние связи как на входе, так и на выходе обеспечиваются через электрические цепи. В АД и СД входные связи с источником ЭЭ являются электрическими, а выходные с потребителем МЭ — механическими. В АГ и СГ входные связи с источником МЭ (например, турбиной) являеюся механическими, а выходные с потребителем ЭЭ — электрическими. Более распространенными и сложными являются электрические связи. Поэтому их и рассмотрим в первую очередь.

Наиболее полной моделью с электрическими внешними связями на входе и выходе является трансформатор (рис. 1). Удобнее изучать связи на модели однофазного трансформатора. В трехфазных системах происходят такие же процессы, однако анализировать их сложнее.

Рис. 1 Внешние связи трансформатора

Понижающий трансформатор Т с его первичной стороны может быть связанным с сетью М напряжением U, с помощью коммутатора (рубильника) К1. На вторичной стороне с помощью коммутатора К2 он может быть связанным с ПЭЭ. Полностью выключенным трансформатор следует считать при разомкнутых коммутаторах К1 и К2.Если К1 замкнутый, а К2 разомкнут, то такое состояние трансформатора является режимом холостого хода. Потребитель электрической энергии еще не получает ЭЭ. Относительно сети сам трансформатор выступает как определенный потребитель ЭЭ. Электрическая мощность, которая потребляется трансформатором в режиме холостого хода, составляет небольшую частицу от той мощности, которая может быть преобразована им (номинальная мощность). В этом режиме трансформатор потребляет из сети реактивный индуктивный ток для создания магнитного потока Ф. Также потребляется небольшой активный ток в связи с потерями активной мощности в самом трансформаторе, в его первичной электрическй и магнитной цепях.

Если замкнуть и коммутатор К2, то такое состояние трансформатора отвечает нагрузочному режиму. На вторичной стороне Т и во внешней электрической цепи возникает электрический ток, значение которого определяется внутренним электрическим сопротивлением ПЭЭ. При этом ток, который потребляет трансформатор из сети, соответственно увеличивается. Это становится понятным потому, что активная мощность, которую потребляет ПЭЭ, может поступить к нему лишь из сети.

Входные и выходные связи выполняют по существу одинаковую и к тому же единую электропередающую функцию, они являются только путями для прохождения ЭЭ, то есть действуют подобно ЛЭП в электроэнергетических системах. Первичная и вторичная электрические цепи могут выполнять эту энергопередающую функцию при обеспечении по крайней мере трех условий:

1) электрическая цепь должна быть замкнутой; это исходит из принципа непрерывности линий тока;

2) в электрической цепи должно действовать напряжение, которое вызывает, побуждает к появлению электрического тока;

3) в электрической цепи должен быть включен ПЭЭ.

Для передачи активной электрической энергии по электрической цепи к ней должен быть включен соответствующий потребитель активной электрической энергии. Такой ПЭЭ одновременно является преобразователем активной ЭЭ в ее другие виды. Потребитель элекгрической энергии превращает ЭЭ в МЭ если он представлен электрическим двигателем, нагруженным через вал потребителем МЭ, которая является активной (нагруженным работающим станком, механизмом, насосом, и т. д);. ПЭЭ превращает ЭЭ в ТЭ, если он представлен активным сопротивлением r(электрическое нагревательное устройство); при условиях высокой температуры часть ТЭ может превратиться в световую энергию (осветительные лампы накаливания). В конечном результате все виды активной энергии переходят в ТЭ.

Первичная электрическая цеппь замыкается через первичную обмотку трансформатора, сеть и внутренние электрические цепи питающих СГ.. Вторичная электрическая цепь замыкается через вторичную обмотку трансформатора и внутреннюю электрическую цепь ПЭЭ. В первичной цепи действует напряжение U = , во вторичном - U.

Для проведения последующих анализов возникает необходимость в безусловном знании свойств и особенностей переменных величин напряжения U и тока I, которые действуют в электрических цепях переменного тока. Опыт показывает, что небольшую частицу учебного времени целесообразно потратить на изучение или возобновление базовых знаний о переменных величинах в электрических цепях. Без необходимого минимума таких знаний последующее рассмотрение просто теряет смысл.

Относительно студентов второго курса обучения ситуация усложняется поскольку они еще не изучали соответствующий раздел дисциплины "Теоретические основы электротехники". Но определенные знания из физики и сжатые в дальнейшем объяснения в пределах данной темы позволяют им быстро усвоить необходимые понятия и величины относительно электрических цепей переменного тока.

В первую очередь следует выяснить свойства переменного напряжения U. Его мгновенные значения циклически изменяются со временем t, периодически изменяется знак напряжения (рис. 2). Длительность полного цикла (положительной и отрицательной полуволн) называют периодом Т, а обратную периоду величину — частотой, измеряемой в герцах (Гц):

Рис.2. Гармоническая форма изменения напряжения

Наибольшее и наименьшее мгновенные значения называют амплитудными; их абсолютные значения одинаковы, а знаки противоположны.

Графическое изображение изменения периодической величины во времени (или в пространстве) определяет ее форму: прямоугольную, треугольную, трапециидальную, гармоническую и т.п. В электромеханике чаще всего используют гармоническую форму изменения величин; она отвечает изменениям по закону синуса (или косинуса, который отличается от первого лишь фазовым смещением на периода). Поэтому величины, которые изменяются по гармоническому закону, часто называют синусоидальными (напряжение, ток и др.).

Мгновенное значение синусоидальной гармонической величины, например, напряжения, можно определить таким образом. Если в прямоугольной системе координат (рис. 3) вектор длиной (в определенном масштабе напряжения) вращать в положительном направлении, то есть против хода часовой стрелки, с постоянной скоростью вращения (=const.), то проекция этого вектора на вертикальную ось определяет мгновенное значение напряжения u.

Рис. 3. Определение мгновенных значений синусоидального напряжения

Скорость вращения (в данном случае — вектора, а в дальнейшем это может быть и скорость вращения вала ЭМПЭ) измеряется в радианах за секунду (рад/сек), а не в привычных на практике п оборотах за секунду (об/с) или даже в оборотах за минуту п (об/мин.). Тогда

За время t вектор повернется на угол

, поэтому его мгновенное значение (проекция на вертикальную ось)

Переменное напряжение обуславливает в замкнутых электрических цепях переменный ток той же частоты. Действие такого тока создает вокруг проводников сцепленное с ним переменное магнитное поле. Его величина так же периодически изменяется во времени в соответствии с изменением тока.

Будем считать, что изменения всех переменных величин (напряжения, тока, магнитного поля, и др.) в ЭМПЭ являются гармоническими. Для обозначения гармонических величин используют такие же буквы, как и для величин в цепях постоянного тока, но с определенным индексом; например, напряжение U (раньше было), ток I (раньше было і) и так далее. Существуют и другие формы выражения гармонических величин.

На рис. 4 показано гармоническое синусоидальное изменение тока в функции угла вращения вектора .

Рис. 4 Значение синусоидального тока

Кроме мгновенных (і) и амплитудных () значений, на практике чаще используют действующие (I) и средние () значения.

Под действующим значением переменного тока I понимают такое значение постоянного тока, который при прохождении через одинаковое активное сопротивление r за одинаковое время выделит одинаковое количество теплоты. Анализ показывает, что действующее значение гармонического тока

Под средним значением переменного тока понимают его среднее постоянное значение при двухполупериодном выпрямлении. Для гармонического тока

Отношение действующего значения к среднему называют коэффициентом формы

Соответственно взаимосвязанны между собой и значение других гармонических величин.

После таких сжатых объяснений можно продолжить анализ внешних связей ЭМПЭ по рис. 1. Целесообразно рассмотреть понятие об электрической нагрузке, ее характере и параметрах. В электроэнергетике и электромеханике под нагрузкой понимают величину тока; то есть понятия о величине тока и величине нагрузки являются равнозначными.

Конечно , поэтому уменьшение внутреннего сопротивления ПЭЭ предопределяет увеличение тока, то есть увеличение нагрузки. Это важно знать, поскольку в слаботочной технике часто употребляют термины "высокоомная" или "низкоомная" нагрузки, которые могут создать неправильные представления относительно электрической нагрузки ЭМПЭ.

Таким образом, именно качественные и количественные характеристики внутреннего сопротивления ПЭЭ определяют его свойства относительно нагрузки. Их определяют такими понятиями, как характер и величина сопротивления. По характеру определяют три разновидности сопротивлений нагрузки и соответственно три характера нагрузки:

1) активное, вызванное активным внутренним сопротивлением ПЭЭ (резистор);

2) реактивно индуктивное, вызванное реактивным индуктивным внутренним сопротивлением ПЭЭ (катушка индуктивности);

3) реактивно емкостное, вызванное реактивным емкостным внутренним сопротивлением ПЭЭ (конденсатор). На практике чаще всего встречается смешанная активно индуктивная нагрузка; значительно реже — активно емкостное или чистые характеры нагрузок.

Для более четких отличий в характере параметров нагрузки в их обозначения обычно кое-что изменяют. Оставляют лишь сведения о характере (r, x или С) и индекс "н", который указывает на принадлежность их к нагрузке, то есть ПЭЭ. Так, чаще oбозначают как ,а –.

Рассмотрим обобщенную модель характеров нагрузочных токов и соответствующих им параметров (рис. 5). К зажимам обмотки работающего ЭМПЭ (трансформатора или генератора) подключены паралельно| электрические цепи с тремя различными сопротивлениями:

1) активным ;

2) Индуктивным

3)Емкостным

Рис. 5. Активные и реактивные параметры и токи

В соответствующих цепях протекают три разные по характеру токи — активный , индуктивный , емкостный . Их величины определяются величинами сопротивлений ,и под действием приложенного напряжения. Суммарный ток

I=++

Последующие рассуждения удобнее проводить на векторном построении напряжения и токов, как это было показано на рис. 3. Амплитудные значения напряжения и токов изображают векторами в определенных масштабах. Они вращаются против хода часовой стрелки с угловой скоростью (при f=const.). их проекции на вертикальную ось определяют мгновенные значения соответствующих величин. Такое наглядное изображение (визуальная интерпретация) переменных величин называют временной векторной диаграммой. Векторной диаграммой на рис.6 изображено состояние векторов в определенное фиксированное мгновение.

Рис. 6. Фазовые сдвиги токов

На ней показано значение напряжения и токов, а также их соотношения во времени - фазовые сдвиги векторов токов , относительно вектора напряжения как базовой величины.

Физические измерения свидетельствуют, что изменения активного тока совпадают во времени с изменениями напряжения; соответственно фазовый сдвиг между вектором напряжения , вектором тока , равняется нулю, то есть по направлению эти векторы совпадают. Реактивный индуктивный ток отстает во времени от изменений напряжения на 1/4 периода, то есть фазовый сдвиг между этими векторами составляет – .Реактивный емкостный ток опережает изменения напряжения на 1/4 периода, то есть фазовый сдвиг составляет . Из векторной диаграммы видно, что реактивные токи и , имеют противоположные знаки (противоположные направления векторов), то есть в общей электрической цепи они взаимокомпенсируются. Это значит, что смешанного реактивного индуктивно емкостного тока не может быть; он или индуктивний, или емкостный.

Векторные диаграммы для практического использования обычно строят не для амплитудных значений переменных величин, а для действующих. Это позволяет использовать результаты построений для расчетов, которые осуществляются в действующих величинах без последующей их коррекции на

На рис. 7 показан вариант такой векторной диаграммы для практически наиболее распространенной смешанной активно индуктивной нагрузки. Сложение векторов токов и отвечает геометрическому построению прямоугольного треугольника. Поэтому и суммарный ток через действующие значения токов следует определять с помощью квадратичного модуля

Рис. 7.Векторная диаграмма при активно-индуктивной нагрузке

Соответствующее суммарное внутреннее сопротивление активно реактивного ПЭЭ также определяют через квадратичный модуль:

Алгебраическое выражение его комплексной величины, которую чаще всего используют на практике

Если на схеме рис. 1 ПЭЭ потребляет чисто активный ток (это является характерным для устройств резисторного нагревания и освещения), то потребляемая из сети активная мощность вызывает появление эквивалента активного тока и в первичной обмотке трансформатора. При потреблении смешанного тока, по большей части активно индуктивного, соответствующая реактивная составляющая должна поступить из сети или другого источника (емкостного).

Необходимо также учесть, что МЭ всегда активная. Поэтому при использовании электрических двигателей создание и передача потребителю МЭ отвечает на входной стороне ЭМПЭ потреблению двигателем активного тока из сети.

Дата добавления: 2014-01-07