2417

Искомая намагничивающая сила, которая равна произведению тока на число витков катушки, по которой он протекает, согласно закону полного тока будет равна

F=Iw=H1l1+ H2l2+ H0l0=0,125·502+0,338·4370+2·10–3·1280000≈4000 A.

Ток в катушке

Индуктивность катушки

где ψ – потокосцепление.

Контрольные вопросы

1. Магнитопровод выполняется из ферромагнитного материала:

1) для создания в электротехническом устройстве магнитного поля нужной конфигурации и интенсивности;

2) снижения стоимости электротехнического устройства;

3) повышения надежности электротехнического устройства;

4) увеличения жесткости конструкции электротехнического устройства.

2. Магнитодвижущую силу (МДС) вдоль магнитной цепи можно представить в виде:

3. Еcли увеличить амплитуду синусоидального напряжения Um на катушке со стальным сердечником (магнитопровод не насыщен), то амплитуда магнитной индукции в сердечнике Bm:

1) уменьшится; 2) увеличится; 3) не изменится; 4) для ответа недостаточно данных.

130

4.Ферромагнитный материал принято считать магнитотвердым, если он характеризуется:

1) низким значением остаточной индукции Br ;

2) высоким значением индукции насыщения BS ;

3) низким значением коэрцитивной силы Нс ;

4) высоким значением коэрцитивной силы Нс.

5.Законом Ома для магнитной цепи называют уравнение:

7. Величину магнитодвижущей силы F обмотки определяют как:

4)F=I/w.

8.Связь между электрическим током и напряженностью магнитного поля устанавливается законом полного тока и записывается в виде:

131

9. Если при том же значении тока I магнитопровод, выполненный из стали с кривой намагничивания А, заменить на магнитопровод с кривой намагничивания Б, магнитный поток Ф:

Н

1) увеличится; 2) уменьшится; 3) не изменится; 4) для ответа недостаточно данных.

10. Если заданы величина МДС F=200 А, длина средней линии ℓфер=0,5 м, площадь поперечного сечения S=10·10–4 м2 магнитопровода и основная кривая намагничивания материала сердечника, то магнитный поток Ф составит:

1) 0,002 Вб; 2) 0,0015 Вб; 3) 0,0024 Вб; 4) 0,005 Вб.

11.Величина относительной магнитной проницаемости ферромагнитных материалов:

1) µr=1; 2) µr>>1; 3) µr<1; 4) µr=0.

12.Индуктивность контура, по которому протекает ток I=3,5 А, L=3,5 мГн. Определить потокосцепление самоиндукции контура.

1) 0,01225 Вб; 2) 0,001 Вб; 3) 0,0035 Вб; 4) 7 Вб.

13.Энергия, запасенная в катушке, W=5,4 Дж. Определить ток в катушке, если ее индуктивность L=0,3 Гн.

1) 4,2 А; 2) 6 А; 3) 8,5 А; 4) 10А.

132

14. Если при неизменном магнитном потоке уменьшить площадь поперечного сечения S магнитопровода, магнитная индукция В:

S

точно данных.

15. Для катушки со стальным сердечником, включенной в сеть синусоидального напряжения, при учете потоков рассеяния на основании второго закона Кирхгофа относительно мгновенных значений можно записать:

1) u= –e –eрасс+Ri; 2) u=Ri; 3) u= –e; 4) u= –eрасс.

16.Величина магнитной индукции В используется при описании: 1) теплового поля; 2) поля механических напряжений; 3) магнитного поля;

4) электростатического поля.

17.Если при неизменных магнитодвижущей силе F и длине уча-

стка магнитопровода ℓ2 увеличить длину участка магнитопровода ℓ1, то магнитный поток Ф:

18. По катушке с индуктивностью L=0,5 Гн протекает ток I=3,6 А. Определить потокосцепление самоиндукции и энергию, запасенную в катушке.

1) 1,8 Вб; 3,24 Дж; 2) 3,6 Вб; 1,62 Дж; 3) 1,8 Вб; 1,62 Дж; 4) 3,6 Вб; 3,24 Дж.

133

6. ТРАНСФОРМАТОРЫ

Трансформатором называется статический электромагнитный аппарат, служащий для преобразования электрической энергии переменного тока с одними параметрами в электрическую энергию с другими параметрами.

Трансформаторы позволяют передавать мощность от источника к приемнику при разных напряжениях и токах. Без учета потерь мощности

где U1, I1 – соответственно напряжение и ток первичной обмотки; U2, I2 – соответственно напряжение и ток вторичной обмотки.

Трансформаторы используются для преобразования электрической энергии при передаче ее на расстояния. На электростанции электрическая энергия вырабатывается посредством синхронных генераторов напряжением от 6 до 35 кВ. При передаче такого напряжения на большие расстояния будут большие потери мощности в ЛЭП. Эти потери пропорциональны квадрату тока. Для уменьшения потерь уменьшают силу тока за счет увеличения напряжения. Поэтому на выходе электрической станции устанавливают трансформаторные подстанции, на которых напряжение повышается до величины 750– 1150 кВ. Перед населенными пунктами устанавливают понижающие трансформаторные подстанции.

Трансформаторы используются также во вторичных источниках электропитания, в различных электронных схемах.

6.1. Принцип действия трансформатора

Трансформатор выполнен на базе замкнутого магнитопровода, собранного из листов электротехнической стали.

Магнитопровод

Рис. 6.1. Трансформатор с одной вторичной обмоткой

(w1, w2 – число витков первичной и вторичной обмоток соответственно)

134

На магнитопроводе имеются обмотки. Трансформатор обычно имеет одну первичную и одну или несколько вторичных обмоток. Рассмотрим трансформатор с одной вторичной обмоткой (рис. 6.1).

Под действием напряжения, приложенного к первичной обмотке, в ней протекает ток I1, создающий основной магнитный поток Ф0, замыкающийся по магнитопроводу. Кроме основного, возникает еще магнитный поток рассеяния ФS1, замыкающийся по воздуху.

Произведение I1w1 является намагничивающей силой первичной обмотки, определяющей величину магнитного потока Ф1.

Таким образом,

Магнитный поток рассеяния ввиду большого сопротивления воздуха очень мал, и им можно пренебречь. В режиме холостого хода магнитный поток рассеяния составляет всего 0,25% от основного потока, поэтому им можно пренебречь и считать, что

Ф1=Ф0. (6.3)

Основной магнитный поток Ф0 наводит ЭДС самоиндукции в первичной обмотке Е1 и ЭДС взаимоиндукции Е2 во вторичной обмотке:

Трансформатор может работать либо в режиме холостого хода, когда вторичная обмотка разомкнута, либо в нагруженном режиме, когда ко вторичной обмотке подключена нагрузка.

6.2. Работа трансформатора в режиме холостого хода

Электрическая схема трансформатора в режиме холостого хода представлена на рис. 6.2.

В этом режиме

135

Напряжение на вторичной обмотке равно наводимой в этой об-

процент относится к более мощным трансформаторам. Поэтому потери напряжения I1Z1 в самой обмотке трансформатора малы, и можно считать, что

следовательно, в режиме холостого хода коэффициент трансформации можно определить как

Суммарный магнитный поток (без учета магнитных потоков рассеяния первичной и вторичной обмоток), замыкаемый по магнитопроводу,

Увеличение тока нагрузки I2 ведет к увеличению магнитного потока вторичной обмотки. Этот поток по закону Ленца направлен противоположно магнитному потоку первичной обмотки, что приводит к

136

уменьшению ЭДС Е1, но т.к. величина приложенного к первичной обмотке напряжения U1 = E1 + I1Z1 =const, то произойдет увеличение

тока I1 на столько, на сколько его стремится уменьшить ток I2. Таким образом, магнитный поток, замыкаемый на магнитопрово-

де, остается величиной неизменной, не зависящей от нагрузки во вторичной обмотке. Вторичная обмотка U

трансформатора работает в режиме генера- 2 тора

трансформатора (рис. 6.4).

С увеличением тока нагрузки I2 уменьшается напряжение U2 (см.

рис. 6.4).

6.4. Режим опыта короткого замыкания трансформатора

Для испытания обмоток трансформатора вместо трудноосуществимого в лаборатории опыта нагрузки создают специальный режим опытного короткого замыкания (КЗ) – при очень малом напряжении и номинальных токах обмоток.

Рис. 6.5. Схема опыта короткого замыкания трансформатора

В опыте КЗ вторичную обмотку замыкают накоротко (рис. 6.5), а к первичной обмотке подводят такое малое напряжение U1к, при котором токи в обмотках достигают номинальных значений. Относитель-

137

ное значение этого напряжения, называемого напряжением короткого замыкания, составляет 2 −8% от номинального:

Это напряжение записывается в паспорт трансформатора как его параметр и используется для определения ряда эксплуатационных характеристик.

Так как при КЗ вторичной обмотки трансформатор не передает энергию приемнику, то активная мощность Рк.н, измеренная ваттметром, представляет собой мощность электрических потерь энергии в трансформаторе. Величина Рк.н является паспортным параметром трансформатора.

6.5. Трехфазные трансформаторы

Трансформация трехфазного тока может осуществляться двумя способами:

1)при помощи трех однофазных трансформаторов;

2)при помощи трехфазного трансформатора.

Трехфазный трансформатор меньше по массе и габаритам группы из трех однофазных трансформаторов. Однако один однофазный трансформатор из трехфазной группы меньше по массе и габаритам и легче транспортируется, чем трехфазный трансформатор на полную мощность. Кроме того, при группе однофазных трансформаторов в качестве резерва достаточно иметь один запасной трансформатор (1/3 общей мощности), в то время как при одном трехфазном трансформаторе для резерва нужно иметь другой трансформатор на полную мощность.

Преимущества группы однофазных трансформаторов сказываются при больших мощностях. Наоборот, трансформаторы средней и малой мощности выполняются обычно как трехфазные (трехстержневые).

В процессе работы трансформаторы нагреваются, поэтому в трансформаторах применяется радиаторная система охлаждения: бак трансформатора заполняется минеральным маслом, которое служит для отвода тепла от нагревающихся обмоток и магнитопровода. Одновременно масло является дополнительной изоляцией между обмотками и заземленными частями трансформатора.

138

6.6. Коэффициент полезного действия трансформатора

Коэффициент полезного действия (КПД) трансформатора определяется по формуле

где Р2 – мощность на выходе вторичной обмотки; Р1 – подводимая мощность.

где Σ∆Р – суммарные потери мощности. Суммарные потери мощности складываются:

1) из электрических или тепловых потерь из-за наличия активного сопротивления первичной и вторичной обмоток трансформатора

( I12 R1 + I22 R2 );

2) из потерь в стали, обусловленных перемагничиванием магнитопровода.

КПД трансформатора в номинальном режиме обычно составляет от 80 до 95%.

Контрольные вопросы

1.На каком законе основан принцип действия трансформатора: 1) на законе Ома; 2) на законе электромагнитной индукции; 3) на законе Ленца?

2.С какой целью на электростанциях в начале линии электропередачи (ЛЭП) устанавливаются повышающие трансформаторы:

1) для уменьшения расхода провода на ЛЭП;

2) для повышения коэффициента мощности системы;

3) для уменьшения потерь мощности в проводах ЛЭП;

4) для уменьшения капитальных затрат на сооружение ЛЭП?

3.При каком напряжении целесообразно: а) передавать электроэнергию; б) потреблять электроэнергию:

1) а) высоком, б) низком;

2) а) низком, б) высоком;

3) это зависит от характера тока?

139