Магнитные цепи электромагнитные устройства и электрические машины

1. С.Н. Охулков ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА

Федеральное агентство по образованию
Нижегородский государственный технический университет
им. Р.Е. АЛЕКСЕЕВА
С.Н. Охулков
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
И ЭЛЕКТРОНИКА
Кафедра “Теоретическая и общая
электротехника”
Для студентов электротехнических
специальностей всех форм обучения

2.

Автозаводская высшая школа управления и технологий
Очная и заочная форма обучения
- Автомобили и автомобильное хозяйство
- Автомобиле- и тракторостроение
- Технология машиностроения
г. Нижний Новгород, ул. Лескова, 68, т. (831) 256-02-10

3. Тема 6.1

МАГНИТНЫЕ ЦЕПИ
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ
УСТРОЙСТВА И
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ

4.

Магнитная индукция и напряженность связаны соотношениями
B/H = a ;
где
= a / 0 ,
0 - абсолютная магнитная проницаемость,
- относительная магнитная проницаемость,
a - магнитная постоянная.
По магнитным свойствам среда бывает
ферромагнитной ( >>1),
парамагнитной ( 1),
диамагнитной ( <1).
Магнитный поток определяется соотношением
dS

5.

Электрический ток возбуждает магнитное поле.
Эта способность тока характеризуется
магнитодвижущей силой (МДС)
Закон Ома для магнитной цепи
wI
n
,
lk
k 1 ak S k
где
wI
lk
- МДС;
- длина участка;
ak - абсолютная магнитная проницаемость на участке цепи;
Sk
n
- сечение участка;
lk
R М - магнитное сопротивление магнитной цепи.
k 1 ak S k

6.

По закону электромагнитной индукции в проводнике,
который движется в магнитном поле, индуцируется ЭДС
ЭДС равна скорости изменения магнитного потока,
сцепленного с контуром,
в котором она индуцируется, т.е.
d
E
dt

7.

Первый закон Кирхгофа
для магнитной цепи
Алгебраическая сумма магнитных потоков
любого узла магнитной цепи
равна нулю
n
k 1
k
0

8.

Второй закон Кирхгофа
для магнитной цепи
Второй закон Кирхгофа для магнитной цепи –
это закон полного тока:
n
k 1
m
l w k Ik
k k
k 1
Произведение k l k называется магнитным напряжением
n
w
k 1
U Mk , т.е.
n
I UMk
k k
k 1
Алгебраическая сумма МДС, действующих в замкнутом
контуре, равна алгебраической сумме магнитных
напряжений на магнитных сопротивлениях этого контура

9.

Расчет однородных магнитных цепей
Решение прямой задачи
Заданы материал, геометрия и магнитный поток.
Необходимо определить МДС.
Для этого вычисляют:
1) по заданному потоку Ф – магнитную индукцию В
B
S
Однородная
магнитная цепь
2) по кривой намагничивания – напряженность
магнитного поля (см. рисунок)
3) по закону полного тока – магнитную силу
wI l ср
Кривая
намагничивания

10.

Расчет однородных магнитных цепей
Решение обратной задачи
Заданы материал, геометрия и МДС.
Необходимо определить магнитный поток.
Для этого вычисляют:
1) по закону полного тока определяют
напряженность магнитного поля
Однородная
магнитная цепь
wI
l ср
2) по кривой намагничивания находят
магнитную индукцию (см. рисунок)
3) магнитный поток вычисляют по соотношению
S
Кривая
намагничивания

11.

Использование магнитных цепей в качестве
электромагнита
Электромагнит
Подъемную силу электромагнита можно определить:
W
2S
F
x
2 a

12.

Трансформатор –
это электромагнитный аппарат, который
преобразует электрическую энергию
переменного тока, имеющую одни величины, в
электрическую энергию с другими величинами.
В трансформаторе преобразуются напряжение,
ток и начальная фаза.
Неизменной остается частота тока.

13.

Простейший трансформатор имеет магнитопровод
(сердечник) и обмотки.
По количеству обмоток различают трансформаторы
двухобмоточные и многообмоточные.
Обмотка
с количеством витков w1, к
зажимам которой подводится
напряжение, называется
первичной.
Устройство
двухобмоточного
трансформатора
На зажимы вторичной
обмотки включается
потребитель Zн.

14. Принцип действия трансформатора

Ф
I1
I2
~U2
Фрас
~ U1
~U1→
~I1=U1/Z1→
~Ф→
~Е2=-dФ/dt = 4,44 Ф f W2→
Коэффициент
трансформации:
~Е1=-dФ/dt = 4,44 Ф f W1→
~I2=E2/(Zн+Z2)
E1 4,44 Ф f W1 W1
kт
E 2 4,44 Ф f W2 W2

15.

Важной характеристикой трансформатора является
коэффициент трансформации,
который в обычном случае определяется как отношение
высшего напряжения к низшему в режиме холостого
(нерабочего) хода.
E 1 U1 w 1 I 2
Kт
E 2 U 2 w 2 I1
Коэффициент трансформации для понижающего
трансформатора:
Из этого следует, что трансформатор снижает
напряжение и во столько же раз повышает ток
(и наоборот)

16.

Нерабочий (холостой) ход
Нерабочим ходом (режимом холостого хода)
называется режим, при котором вторичная цепь трансформатора
разомкнута (нагрузка отключена), т.е.
Zн ,
I2 0
Уравнение трансформатора в режиме
холостого хода:
E I R j I X
U
1
1
0 1
0 p1
Полное внутреннее сопротивление
первичной обмотки:
Z1 R 1 jX p1
Уравнение первичной цепи в
окончательном виде:
E I Z
U
1
1
0 1
Векторная диаграмма
трансформатора в режиме
холостого хода

17.

Режим нагрузки
Режим нагрузки осуществляется,
когда на вторичную обмотку включена нагрузка Zн.
Уравнение первичной цепи:
E I Z
U
1
1
1 1
Уравнение вторичной цепи:
E I Z
U
2
2
2 2
В режиме нагрузки вторичное
напряжение U2 незначительно
зависит от тока нагрузки. Эта
зависимость (U2=f(I2)) называется
внешней характеристикой
Внешняя характеристика
нагруженного
трансформатора

18.

Режим нагрузки
Векторная диаграмма
нагруженного трансформатора

19.

Режим короткого замыкания
Режим короткого замыкания –
это аварийный режим работы трансформатора. В
режиме короткого замыкания напряжение
первичной обмотки равно номинальному, а
сопротивление нагрузки равно нулю.
В аварийном режиме короткого замыкания
устанавливаются большие токи короткого
замыкания в обмотках. Эти значения так велики,
что приводят к выходу из строя обмотки
трансформатора.

20.

Реальный, идеализированный и приведенный
трансформаторы
Реальный трансформатор имеет обмотки, расположенные на
сердечнике. Обмотки имеет как активное сопротивление, так и
сопротивление рассеяния, те., кроме основного магнитного потока,
пронизывающего обе обмотки, существуют потоки рассеяния первичной и
вторичной обмоток
Идеализированный трансформатор – это трансформатор, в
котором отсутствуют магнитные потоки рассеяния, а активные
сопротивления обмоток равны нулю. Эти понятия используют для
упрощенных исследований процессов
Приведенный трансформатор – эквивалентный реальному
трансформатору, у которого коэффициент трансформации равен единице
(количество витков вторичной обмотки равно количеству витков
первичной обмотки). Для замещения реального трансформатора
приведенным нужно выдержать принципы эквивалентности
энергетического состояния. Приведенные электрические величины
обозначаются штрихами.

21.

Уравнения приведенного трансформатора –
это уравнения электрической цепи с двумя смежными
контурами, составленными по законам Кирхгофа.
Уравнение, составленное по первому закону Кирхгофа
(для узла электрической цепи):
I I I
1
0
2
Уравнения, составленные по второму закону Кирхгофа,
для замкнутого контура с идеальными элементами:
E I R j I X
U
1
1
0 1
0 p1
E I R j I X
U
2
2
2
2
2
2
Внутренне сопротивление общего для смежных
контуров элемента, индуцирующего ЭДС (обеспечивает
протекание в нем тока холостого хода):
Z 0 R 0 jX 0

22.

Схема замещения трансформатора,
отвечающая уравнениям приведенного трансформатора

23.

Изображение трансформаторов на электрических
схемах
Стандартом предусмотрены три способа условных графических
обозначений трансформаторов: упрощенный однолинейный;
упрощенный многолинейный;
развернутый.
Упрощенное многолинейное
изображение трехфазного
трансформатора и развернутое
обозначение однофазного
трансформатора
с сердечником
Обозначения
трансформаторов с
различным
соединением обмоток

24. Рекомендуемая литература

1. Алтунин Б.Ю., Панкова Н.Г. Теоретические основы электротехники:
Комплекс учебно - методических материалов: Часть 1 / Б.Ю. Алтунин,
Н.Г. Панкова; НГТУ им. Р.Е. Алексеева. Н.Новгород, 2007.-130 с.
2. Алтунин Б.Ю., Кралин А.А. Электротехника и электроника: комплекс
учебно-методических материалов: Ч.1/ Б.Ю. Алтунин, А.А. Кралин;
НГТУ
им. Р.Е. Алексеева. Н.Новгород, 2007.-98 с.
3. Алтунин Б.Ю., Кралин А.А. Электротехника и электроника: комплекс
учебно-методических материалов: Ч.2/ Б.Ю. Алтунин, А.А. Кралин;
НГТУ
им. Р.Е. Алексеева. Н.Новгород, 2008.-98 с
4. Касаткин, А.С. Электротехника /А.С. Касаткин, М.В. Немцов.-М.:
Энергоатомиздат, 2000.
5. Справочное пособие по основам электротехники и электроники
/под. ред. А.В. Нетушила.-М.: Энергоатомиздат, 1995.
6. Манаев Е.И. Основы радиоэлектроники.-3-е изд., перераб. И доп.-М.:
Радио и связь, 1990.-512 с.: ил.
7. Новожилов, О. П. Электротехника и электроника: учебник / О. П.
Новожилов. – М.: Гардарики, 2008. – 653 с.
Электротехника и электроника

25. Тема 6.2 Закончена

Благодарю за внимание