![](/user_photo/_userpic.png)
книги из ГПНТБ / Геллер Б. Импульсные процессы в электрических машинах
.pdfОтношение 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-
2гг
Рис. 3-И. Схема расположения |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
двух витков |
в |
воздухе. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. |
3-12. |
Зависимость |
|||||
имную |
|
|
индуктивность |
М1 2 /М1 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 /М0 |
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 г2/гь 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/г{ |
для |
двух |
витков |
|
раз |
|
|
|
|
||
личного |
диаметра, |
располо |
|
Vf |
|
'л |
||||||
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(и1~и2)}л_ѵ |
<?3я, |
|
|
||
|
|
дх |
|
Ь |
і |
Ж |
|
~С12 |
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