Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

книги из ГПНТБ / Геллер Б. Импульсные процессы в электрических машинах

.pdf
Скачиваний:
5
Добавлен:
25.10.2023
Размер:
14.87 Mб
Скачать

Отношение амплитуд является функцией осевой ко­ ординаты x, величин X и Y и в общем случае не равно

отношению чисел

витков p

NJN2.

 

 

 

 

Экспериментальная проверка этих результатов была

проведена путем

осциллографирования импульсных на­

"пта—

 

 

 

пряжений

в

обмотках,

располо­

 

 

 

женных в воздухе и имеющих сле­

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

дующие

данные:

 

 

 

 

 

 

 

 

обмотка

/: число витков А^ =

 

 

 

 

 

= 350,

осевая

длина

обмотки

/ =

 

 

 

 

 

= 470

мм,

средний

диаметр

об­

 

 

 

 

 

мотки

350

мм;

 

 

 

 

 

 

 

 

обмотка

2: число витков N2 =

 

 

 

 

 

= 350,

осевая

длина

обмотки

1 =

 

 

 

 

 

= 470

мм;

средний

диаметр

об­

 

 

 

 

 

мотки

380

мм.

 

 

 

Рис.

3-7.

Схема

экспе

Стальной

сердечник

был

за­

менен заземленным

стальным

ци­

риментального

исследо

линдром,

расположенным

внутри

вания

волновых

процес

обмотки

1.

Для увеличения емко­

сов в

двух

обмотках.

 

 

 

 

 

 

сти относительно земли

обмотки

2 она была окружена другим заземленным стальным ци­ линдром.

 

На обмотку /

подавался импульс

напряжения

1/50

мкс с амплитудой 400 В. Схема расположения обмо­

ток

представлена

на рис. 3-7.

 

Рис. 3-8.

Изменение

Рис. 3-9. Изменение

 

напряжения

на

от­

напряжения

на

от­

 

пайке

50%

обмотки /

пайке

50%

обмот­

 

при

падении на

нее

ки 2 при падении им­

 

импульса

напряже­

пульса

нэ обмотку /.

 

ния.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Напряжение осциллографировалось на отпайке 50%

каждой обмотки. На рис. 3-8

представлена

осциллограм­

ма напряжения

на отпайке

50%

обмотки

1, а

на

рис.

3-9 — осциллограмма

напряжения

на

отпайке

50%

об­

мотки 2.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Л10

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Как видно из осциллограмм, колебания в середине обмотки 2 значительно больше колебаний в середине обмотки 1, причем коэффициент трансформации был ра­ вен единице.

Затем был рассмотрен случай сильной индуктивной

связи

обмоток, когда

M2=LiL2.

В

этом

случае согласно уравнениям (3-47) и (3-49)

Ri = V\UCi

+ UC2)

и

# 2 = 0.

Тогда из (3-48)

и

(3-73) соответственно у = 0 и ц = 0.

Отсюда уравнение для определения собственной часто­

ты (3-79) будет иметь вид­

 

 

 

tg (*/?*/ = 0

 

 

ео значениями корней

со= (nn/Ril)

( я = 1 , 2,

3 ... ) .

Из уравнений (3-80)

и (3-84)

следует, что

колебания

во вторичной обмотке синхронны колебаниям в первич­ ной обмотке, причем отношение амплитуд соответствую­

щих колебаний можно определить

согласно (3-85) :

Fi/F'i=l/X=M/L2

=

Ni/N2.

Следовательно, в случае сильной индуктивной связи отношение амплитуд равно отношению чисел витков обе­ их обмоток. Если ранее выведенные соотношения при­ менять к процессам в трансформаторах, то следует учи­ тывать, что между заземленной обмоткой высшего на­ пряжения, к которой прикладывается импульс, и разо­ мкнутой вторичной обмоткой существует сильная индук­ тивная связь, при которой коэффициент рассеяния

 

 

 

LjL2

 

 

(3-86)

 

 

 

 

 

 

Кроме

того, поскольку

p = NiIN2>\1

то

L i / L 2 » l .

Обмотку низшего

напряжения

2

размещают обычно

ближе к

сердечнику,

так

что ее

емкость

относительно

земли С2 будет намного больше, чем емкость относитель­ но земли СІ обмотки высшего напряжения (Сі/С2 <СІ).

На основании (3-86) выражения для Ri и R2

согласно

(3-47) и (3-49) упрощаются:

 

 

 

Ri~V(LiCi

+

L2C2);

(3-87)

LiCt + L,C,

f / r

/•L1Ç1+L2Çi

 

 

 

 

(3-88)

 

 

 

m

Далее получаем выражения для К и К:

 

 

У = -1мсГ~^-ШѴ-

(3-90)

Согласно

(3-73)

 

 

 

і_І =

R±.

tf-L*c*

, /

/_C}CILlLjL_\

l

1 1 1

/?,

tfg-L.C,

~ У

^ і С , + i 2 c 2

; v " ( i , c , + L 2 c 2 ) x

Х з г ^ Й ^ " ï " , c a

+ і 2 с 2 г г ^ ( c i C 2 L t L » 3 ) < 1

(3-91)

Тогда уравнение для собственной частоты (3-79) пре­ образуется следующим образом:

 

 

 

 

 

(3 92)

Функция

tg" u)

( L j d - | - L 2 C 2 ) / разна бесконечности при

^ =

Жѵ{Цс^¥Ос7)п

( « = 1 . 3,

5...),

 

в то время как функция

 

 

 

обращается

в бесконечность при

 

 

Отсюда

следует:

 

 

 

^

= /

>

|/-_=L >

1.

(3-93)

Значение іо'и , которое определяет асимптоту

функции

t g w ^ / , будет, следовательно,

значительно

больше, чем

соответствующее

значение con

для функции tgaRJ.

112

 

Кроме

того, согласно

(3-91) п < 1 ; функция

ri tgоі/?2 /

имеет в области первой асимптоты функции tgaRd

очень

плавный подъем.

 

 

 

 

 

 

 

 

Графический способ определения собственной часто­

ты

обмоток

представлен

на рис.

tgtûRj I

 

 

 

3-10. Как видно

из рисунка, из-за

 

 

 

 

 

 

 

 

малого

наклона

кривой

л tg (uRzl

 

 

 

 

 

ее

первые

 

точки пересечения с

 

 

 

 

 

кривой igiùRd

практически совпа­

 

 

 

 

 

дают со значениями л, 2я, Зя. Это

 

 

 

 

 

означает,

что первая простран­

 

 

 

 

 

ственная собственная

частота сво­

 

 

 

 

 

бодных

колебаний

трансформа­

 

 

 

 

 

тора при

заземленной

нейтрали

Рис. 3-10. Графическое

первичной

обмотки и с заземлен­

определение

 

собствен­

ной

незакороченной

вторичной

ной

частоты

 

в

случае

сильной

индуктивной

обмоткой не изменяется по срав­

связи

между

 

обмотками

нению со случаем отсутствия вто­

/ и 2.

 

 

 

ричной

обмотки.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Основная

временная

частота

равна:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(3-94)

Взаключение исследуем переходные процессы при заземленной нейтрали первичной обмотки 1 и при за­ мкнутой накоротко вторичной обмотке 2.

Вэтом случае действительны такие же выражения,

как и полученные ранее (3-63) — (3-65), но вместо гра­ ничного условия (3-66) имеем х = 0 , (/2=0, откуда

XAi+YA3=0.

(3-95)

Из этой системы уравнений получим постоянные

А:

А — — П

 

Y

(3-96)

X

Y'

"•i

 

0

 

A -U

 

Y

 

сЬЩ-

(3-97)

и °

 

X — У sh ß/ '

 

л

и

х

.

(3-98)

 

 

 

 

 

и

о x

 

Y'

 

:U

 

X

 

ch -jl

(3-99)

0

X Ysh y/'

8—8

 

 

 

 

113

Напряжение (72 во вторичной обмотке в операторной форме равно:

=

[ ch ß x s h ß / s h Т / +

-І-shßxchß/shY/ - shYJtshß/chy/]. (3-100)

Для нахождения оригинала U2 надо приравнять ну­ лю знаменатель в уравнении (3-100):

s h ß / s h v / ^ 0 .

(3-101)

При неучете активных сопротивлений в обмотках бу­ дут иметь место только незатухающие колебания, по­

этому, подставляя значения

ß

и у из (3-46) и

(3-48)

в (3-101)

и полагая р = /со,

получаем

 

 

sina)/?i/sinG)'#2/ = 0.

(3-102)

Корни

(3-102)

 

 

 

 

 

<ùRil=nn

( r t = l ,

2, 3 . . . ) ;

 

 

iùRzl = nn

(n=l,

2, 3 . . . ) .

 

Отсюда для основной гармоники свободных

колеба­

ний напряжения в обмотке 2:

 

 

 

и2 (х, t) = ^ у Л ^

Y

sin у - х cos щ t.

(3-103)

Как видно, при заземленной первичной обмотке / и короткозамкнутой вторичной обмотке 2 в обеих обмот­ ках имеют место пространственные колебания, образую­ щие вдоль обмотки пространственные полуволны.

Круговая частота соі основного колебания равна:

ш= J L —

^ /?,/

/ V " { i i C , + i 1 C , + / [ ( L i C 1 + i 1 C 1 ) » + 4 C 1 C , L I t , o ] } *

 

(3-104)

Если сравнить временную основную частоту при ра­ зомкнутой и короткозамкнутой вторичной обмотке, то со­ гласно (3-81) и (3-104) получим:

шіо/©і* = Я і < 1 ,

(3-105)

так что (ùik будет всегда больше, чем сою; это подтверж­ дается и экспериментами.

114

3-4. Свободные колебания

в двух

электрически

и магнитно-связанных обмотках

1. Взаимная индуктивность

двух

контуров при их раз­

личных

расположениях

 

 

В двух связанных между собой обмотках необходимо принимать во внимание не только взаимную индуктив­ ность между витками каждой обмотки, но также и вза-

г

Рис. 3-И. Схема расположения

 

 

 

 

 

 

 

 

двух витков

в

воздухе.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.

3-12.

Зависимость

имную

 

 

индуктивность

М1 2 1 2 о от а/У(г,г2) для двух

 

 

витков в воздухе, принадлежа­

между

витками

 

различ­

щих

различным

обмоткам

(/),

ных обмоток.

 

 

 

 

и зависимости MifMit>

и

 

 

Взаимная

 

индуктив­

для двух витков одной обмот­

 

ки

(2).

 

 

 

.М2АМ20

ность

M а

 

двух

концен­

 

 

 

 

 

 

 

 

трических

витков,

нахо­

 

 

 

 

 

 

 

 

дящихся в воздухе

(рис. 3-11), с хорошим

приближением

может

быть

принята

равной:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

M

 

 

2

п * ѵ

^

Ю - 1

 

 

(3-106)

 

 

 

" V [ ' 4 - w ) T

 

 

 

 

где Гі — радиус внешнего

витка; г 2 радиус

внутреннего

витка;

а — расстояние между

витками.

 

 

 

 

Обозначив

через

Мт

= 2л2

Ѵ ( г і г 2 ) * 1 0 - 7

взаимную

индуктивность

двух

концентрических

витков

при

а = 0,

получим:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

М ,

г

-

 

 

 

1

 

 

 

 

 

(3 107)

Зависимость

 

отношения

Мц1Мт

от

а/Ѵ(гіГ2)

 

пред­

ставлена на

рис. 3-12

(кривая

/ ) . Там

же приведена кри­

вая зависимости

отношения М/М0 для двух витков

одной

8*

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

115

и той же обмотки,

расположенных

согласно рис.

3-12

(кривая

2). Мі взаимная индуктивность

между

двумя

витками

и Мі0 — собственная индуктивность одного

вит­

ка внешней катушки, М2—взаимная

индуктивность

меж­

ду двумя

витками

и М20— собственная

индуктивность

витка внутренней

обмотки. Обе кривые

можно

аппро­

ксимировать соответствующими экспоненциальными функциями. В дальнейшем заменим обе кривые одной

кривой, которая

может быть выражена уравнением

 

 

 

 

М/М0^е~'міѴ{ГіГі)

 

 

 

(3-108)

и изображена

на рис. 3-12 пунктирной линией. Из ри­

сунка видно,

что она достаточно

хорошо

приближается

к обеим

кривым.

 

 

 

 

Обозначим

через vi и ѵ2 коэффициенты

рассеяния

двух витков,

лежащих в одной

плоскости

и

имеющих

различные диаметры:

 

 

 

 

 

 

 

 

4тсГ] (in ^у- — 2^

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(3-109)

 

 

 

 

4nrs (In — — 2^

 

(3-110)

 

 

 

 

 

 

 

 

где

p — радиус

провода.

 

 

 

 

 

Кривые зависимости этих коэффициентов от отноше­

ния

г2/гі

даны

на рис. 3-13, там же

сплошной линией

изображена

зависимость средней

геометрической ве­

личины

 

 

ѵ = V (ѵіѵ2)

 

 

 

 

ОТ

Г2/Гі.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

При расположении витков на магнитно-экранирован­ ном стальном сердечнике взаимная индуктивность двух витков различных обмоток равна:

м 1 2 = 4 . ѵ ы ш у [

: ; + ; ; ; + g :

] ю - 7 .

( з - ш )

где Ьі и Ъ2 — расстояния

витков от сердечника

или от

экранирующей обмотки; а —расстояние

между

витками

(рис. 3-14).

 

 

 

116

При

 

 

 

 

 

М в =

4тгУ(гІг,) Jn

 

 

(3-112)

получим:

 

 

 

 

 

 

Г ( а

V i ( b i + b* У

l n

I х

( a

Y+l

b*~b*

У

л*.

 

 

 

 

(3-113)

 

In

 

 

 

 

 

 

 

 

Зависимость

отношения

МІ2ІМ0

от переменного

a[V(bib2) по уравнению

(3-113)

представлена на рис.

 

 

 

 

Рис. 3-14. Распо­

 

0.9

¥

Of

ложение

двух вит­

 

ков на

магнитном

Рис.

3-13.

Зависимость

экранированном

стальном

сердеч­

коэффициентов

рассеяния

нике.

 

Ѵ| и ѵ2 от отношения

г2 /гі

 

 

 

для

двух витков различно­

 

 

го диаметра в

воздухе.

 

 

 

3-15 (кривая 1) для средних соотношений, характерных, например, для силовых трансформаторов 100 кВ, с тре­ тичной обмоткой, соединенной в треугольник (&і/Ь2 = = 2 - 3 ) .

Рис. 3-15. Зависимость Л?1 2 0

со­

\ ч ^ и- ч

гласно

(3-113)

от

а/У(&,'62)

для

Ч\ ч.

двух

витков,

расположенных

на

одном

магнитном

экранирован­

 

ном стальном сердечнике и при­

 

надлежащих

различным

обмот­

 

кам (/) , и зависимость МпІЩ

со­

 

гласно

(2-79)

для

двух

витков

 

одной

и той же обмотки

(2).

 

 

m

Соответствующая экспоненциальная функция, кото­ рая может быть выбрана в качестве аппроксимирующей:

MJM0^e-°-"a,v(bA). (3-114)

При магнитно-экранированном сердечнике отношение Мі2ІМ0 уменьшается очень медленно с ростом расстояния между витками. Для сравнительно коротких обмоток взаимная индуктивность между витками по оси обмоток может быть заменена в первом приближении некоторым постоянным средним значением.

Обозначая через / аксиальную длину обмотки, полу­ чаем согласно (3-114):

 

Л 0 = !д 1 2 = -j- \ е

da

 

 

_

М0У(Ь,Ьг)

п

-0.51 ІѴ(Ш.

(3-115)

 

~

0,5/

\ у е

)•

 

 

Для

малых значений

\]Ѵ [ЬФг) <С2

 

 

 

^ - ^ o ( i - 4 - T 7 ( W ) -

( З І 1 6 )

Как

уже упоминалось, это

приближение

допустимо

только для коротких обмоток. Для длинных обмоток та­ кое приближение привело бы к значительным ошибкам, так как введение постоянного среднего значения Mo при­ водит к преувеличению взаимного влияния удаленных друг от друга витков и в то же время к преуменьшению

взаимного влияния близко

расположенных

витков

обе­

их

обмоток.

 

 

 

 

 

 

 

 

Зависимость взаимной индуктивности МІГ

двух

вит­

ков, принадлежащих

одной и той же обмотке,

по

(2-79)

показана на рис. 3-15

(кривая 2).

Заметим,

что

(3-113)

будет идентичным

(2-79), если г\=г% bi = b2.

 

 

 

рас­

Обе кривые /

и 2 на рис. 3-15

для дальнейших

четов заменим одной (пунктирная линия),

которая

мо­

жет

быть охарактеризована

уравнением

 

 

 

 

 

М/Ма

= е-°*51а,Ѵ(Ш]

.

 

(3-117)

Из рис. 3-15 видно, что (3-117) представляет собой хорошее приближение, особенно для длинных обмоток. Коэффициенты рассеяния v i и ѵг зависят не только от

118

отношений г2ь но и от отношения греАь где /Ъе ра* диус цилиндра, описанного вокруг стального сердечника,

или радиус третичной

 

обмотки. На рис. 3-16 представле­

ны коэффициенты

рассеяния vi и ѵ2

для значений

г-ее/Гі=

= 0,8 и гие/гі

= 0,6

в зависимости от изменения

г2/г\.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f i

 

1 /

Рис. 3-16. Зависимость коэф­

 

 

.H

 

"ft

 

 

фициентов

рассеяния

V! и ѵ2

 

kW

«

у

от

г2{

для

двух

витков

 

раз­

 

 

 

 

личного

диаметра,

располо­

 

Vf

 

женных на одном магнитно-

 

 

 

 

 

 

экранированном

стальном

 

сер­

 

 

 

 

дечнике.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

гг ~

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0,9

0,8

0.7

2.

Собственные

колебания

в двух

электрически-

 

и

магнитносвязанных

 

обмотках

 

 

 

 

Для схемы замещения двух обмоток согласно рис. 3-17

справедливы

следующие

уравнения:

 

 

 

 

дн

 

r

ди,

п

д(и12)}л_ѵ

<?3я,

 

 

 

 

дх

 

Ь

і

Ж

 

12

dt

•к* dx2dt

'

(3-118)

 

 

ді2

 

r

ди2

г

д (и2 —'«О

д3и2

 

(3-119)

 

 

дх

 

 

2 dt

 

' 1 2С12

dt

1 ' 2-к.àx2àt

 

где Ui — напряжение в точке х на оси первичной обмотки; «2—-напряжение в точке х на оси вторичной обмотки;

Рис. 3-17. Схема расчета переходных процессов в двух электрически- и магнитно-связанных обмот­ ках.

119

Соседние файлы в папке книги из ГПНТБ