Уравнение Теплового Баланса. Первый Закон Термодинамики

Если тела образуют замкнутую систему и между ними происходит только теплообмен, то алгебраическая сумма полученных Q_nи отданных Q₀энергий равна нулю:

Полученная Q_nи отданная Q₀теплоты численно равны, но Q_nберется со знаком плюс, a Q₀- со знаком минус.

Итак, изменить внутреннюю энергию системы можно двумя способами: путем совершения работы (дельта U₁= A) и путем сообщения системе количества теплоты (дельта U₂= Q).

Первый закон термодинамики

Первый закон термодинамики- закон сохранения энергии для систем, в которых существенную роль играют тепловые процессы:

Теплота Q, подведенная к системе, затрачивается на изменение дельтаU ее внутренней энергии и на совершение работы А` системой над внешними телами:

Работа и теплопередача- характеристики процесса изменения внутренней энергии системы; они определяют функции процесса, но не состояния системы. В каждом состоянии система обладает вполне определенной внутренней энергией.

Применение первого закона термодинамики к процессам в одноатомных идеальных газах

1. Изотермический процесс (Т = const):

При изотермическом процессе обмен энергией между идеальным газом и окружающими телами происходит и в форме теплопередачи, и в форме работы. Все подведенное к идеальному газу тепло затрачивается на совершение работы.

Если газ получает теплоту (Q > 0), то он совершает положительную работу (А` > 0), если газ отдает теплоту (Q < 0), то А` < 0. Работа внешних сил над газом в этом случае положительная (А > 0).

2. Изобарический процесс (р = const):

При изобарическом процессе обмен энергией между идеальным газом и окружающими телами происходит в форме работы и теплопередачи. Сообщенная идеальному газу теплота затрачивается и на изменение внутренней энергии, и на совершение газом работы:

3. Изохорический процесс:

При изохорическом процессе обмен между идеальным газом и окружающими телами происходит только в форме теплопередачи. Вся подведенная к идеальному газу теплота затрачивается на изменение его внутренней энергии:

4. Адиабатический процесс (Q = 0):

Адиабатический процесс - процесс, при котором физическая система не получает теплоты извне и не отдает ее. Этот процесс протекает без теплообмена с окружающими телами.

При адиабатическом процессе:

При адиабатическом процессе обмен энергией между идеальным газом и окружающими телами происходит только в форме работы. Работа при адиабатическом процессе совершается за счет изменения внутренней энергии газа.

Если А` > 0 (газ расширяется), то дельта U < 0 - температура газа понижается. Если же А` < 0 (газ сжимается), то дельта U > О - температура повышается.

3,Методы расчета магнитных проводимос­­­тей воздушных зазоров

Проводимость воздушного зазора - проводимость между параллельными дисками, обращенными друг к другу. Проводимость воздушного зазора Ge зависит от профиля якоря. Проводимость воздушного зазора среднего сердечника GI в рассматриваемой системе принимается равной сумме ( проводимостей двух крайних зазоров. Зная проводимость воздушного зазора, можно определить и индуктивность обмотки L, от которой в значительной степени зависит время срабатывания электромагнитного механизма ( см. гл. Определим проводимости воздушного зазора с учетом поля выпучивания для цилиндрических полюсов. Определяя проводимости воздушных зазоров при различных величинах зазоров, необходимо рассчитать соответствующие этим величинам значения магнитных потоков или магнитных индукций в зазоре, а затем по формуле Максвелла ( 118) рассчитать возникающие при этом тяговые усилия. Расчет проводимости воздушного зазора с учетом поля выпучивания при комбинированном расположении полюсов ( рис. 6 - 6 и 6 - 9) следует проводить для каждой грани в отдельности, учитывая вид расположения полюса. К определению магнитной проводимости поля с ребра, угла и боковой поверхности полюса. Расчет проводимостей воздушного зазора методом суммирования простых объемных фигур поля, предложенный Ротерсом [4.11], на практике получил достаточно широкое распространение. Однако существенным недостатком этого метода является заранее предписанная конфигурация магнитного поля. Вместе с тем для сугубо приближенных расчетов проводимостей, а также при использовании поправочных коэффициентов, полученных на основе экспериментов [4.12], этот метод представляет определенный интерес. Суть метода сводится к тому, что сложное объемное магнитное поле в воздушном зазоре и вблизи его заменяется суммой элементарных объемных полей, описываемых простыми уравнениями. Значение проводимостей воздушных зазоров и рассеяния определяются по методике, изложенной в гл. Чтобы определить проводимость воздушного зазора, не надо знать, является ли он рабочим или нерабочим, но зато важно знать, между какими поверхностями - эквипотенциальными или неэквипотенциальными - он заключен. В первом случае все точки каждой из этих поверхностей имеют одинаковый магнитный потенциал, во втором - потенциал меняется вдоль поверхностей. Ответ: Проводимость воздушного зазора уменьшится в 1 95 раза. Пример разбиения поля на простые формы.| Картина поля в рабочем зазоре прямоходово-го электромагнита. Метод определения проводимости воздушного зазора путем построения реальной картины поля основан уже на точном построении трубок индукции и эквипотенциальных поверхностей. На рис. 1 - 7 приведен пример картины поля в зазоре между якорем и стопом прямоходового электромагнита. Таким образом, проводимость воздушного зазора с учетом поля выпучивания рассчитывается довольно просто, если удельные-проводимости с боковых граней определять из кривых рис. К13, построенных по формулам, полученным при исследованиях. Фурье, представляющих проводимость воздушного зазора на статорной ( а) и роторной ( р) сторонах; ро, р - сдвиги по фазе этих гармоник относительно осей полей в точке а - О; шг - угловая скорость ротора. У неявнополюсной машины проводимость воздушного зазора по продольной и поперечной осям одинакова, поэтому Хах9 - хс. Таким образом, проводимость воздушного зазора с учетом поля выпучивания определяется довольно просто. Расчет значительно облегчается, если удельные проводимости с боковых граней определять из кривых рис. 4.23, построенных по формулам ряда авторов [ 4.12 J. Рассмотрим метод определения проводимости воздушного зазора с учетом поля выпучивания [ 8J, когда сложное плоскопараллельное поле заменяется однородным ( не имеющим поля выпучивания), при этом действительные полюсы заменяются-расчетными. По найденным значениям проводимости воздушных зазоров вычисляют коэффициент рассеяния как отношение суммарной проводимости ЕС. Поэтому использование справочных данных по коэффициентам рассеяния обычно приводит к большим ошибкам. Рассмотрим метод определения проводимости воздушного зазора с учетом поля выпучивания, когда сложное поле заменяется однородным ( не имеющим поля выпучивания); при этом действительные размеры полюса, заменяются расчетными. Некоторые формы воздушных зазоров. Точный аналитический расчет проводимостей воздушного зазора, который базируется на методах теории поля, весьма трудоемок, поэтому обычно применяют более простые графические методы. Полученные уравнения позволяют определить проводимости воздушного зазора с учетом поля выпучивания с боковых граней и ребер и с торцовых ребер, а также учесть в случае необходимости падение магнитного напряжения в полюсах. Для сравнительно простых форм полюсов проводимость воздушных зазоров может быть вычислена аналитически. Рабочие воздушные зазоры электрических аппаратов. При расчете электромагнитных приводов определение проводимости воздушных зазоров затруднено в основном из-за различных конфигураций применяемых элементов. При расчете магнитной цепи необходимо определить проводимость воздушного зазора, прямо пропорциональную сечению объема, по которому проходит магнитный поток, и обратно пропорциональную длине зазора. При расчете магнитной цепи необходимо определить проводимость воздушного зазора, пропорциональную сечению объема, по которому проходит магнитный поток, и обратно пропорциональную длине зазора. При отклонении якоря от нейтрального положения вследствие изменения проводимости воздушного зазора между якорем и сердечниками изменяется индуктивность датчика и на вторичных обмотках появляется напряжение переменного тока, амплитуда которого пропорциональна величине отклонения якоря от нейтрального положения, а фаза определяется направлением отклонения. Таким образом, движением фрезы определяется положение корпуса измерительного устройства, а движением копировального пальца-положение якоря. Напряжение с выхода измерительного устройства подается на управляющий усилитель. Первый каскад ( лампы Л1 и Л2, рис. 1.28) является демодулятором, преобразующим напряжение сигнала ошибки переменного тока в напряжение постоянного тока. Причем напряжение постоянного тока на выходе демодулятора пропорционально амплитуде напряжения переменного тока на входе демодулятора; полярность выходного напряжения постоянного тока должна изменяться на противоположную при. Интересно сравнить полученные результаты с боковой проводимостью и проводимостью воздушного зазора, когда влиянием d / S на боковое поле пренебрегают. Уравнение ( 6 - 24) есть выражение для проводимости воздушного зазора Я ] ( а) в системе координат с началом на оси паза. Расстояние / 2 нейтрали от торца обмотки зависит от соотношения проводимостей воздушных зазоров. В последнем разделе рассматриваются вопросы расчета магнитных цепей с учетом проводимостей воздушных зазоров и потоков рассеяния. Как следует из предыдущего ( 6 - 30), для проводимости воздушного зазора сравнительно точно применим принцип суперпозиций. Это значит, что при анализе достаточно рассмотреть только одну гармонику. Если возникает эксцентричность воздушного зазора из-за эксцентричного крепления ротора на валу, то проводимость воздушного зазора изменяется с угловой скоростью сог. При рассмотрении проводимости воздушных участков магнитной системы телефона не обращалось особого внимания на проводимость воздушного зазора между мембраной и полюсными наконечниками. Эта проводимость может быть найдена с помощью ф-л (2.14) и (2.15) или им подобных. Схемы электромагнитов с внутренним якорем. На форму тяговой характеристики существенно влияет форма стопа: коническая форма позволяет увеличить проводимость воздушного зазора и тем самым увеличить начальное тяговое усилие. Броневые магниты с незамкнутой магнитной системой ( рис. 9.1, в) и соленоиды ( рис. 9.1, д) - электромагниты без неподвижного магнитопровода - позволяют получить более или менее постоянное тяговое усилие на длине рабочего хода. Кривые размагничивания. Выражение ( 7 - 42) дает решение задачи для магнитов замкнутой формы, где проводимости воздушных зазоров могут быть вычислены с достаточной для практических целей точностью. Для прямых магнитов задача вычисления проводимостей потока рассеяния весьма трудна. К определению проводимости воздушного зазора. При расчете магнитной цепи электромагнита необходимо определить общие ампер-витки, ампер-витки магнито-провода - ампер-витки и проводимость воздушного зазора. Проводимость воздушного зазора зависит от формы стопа ярма и якоря, а закон ее изменения существенно влияет на изменение тяговой характеристики электромагнита. К определению магнитной энергии магнита.| Кривые возврата. Выражение ( 7 - 42) дает решение задачи для магнитов замкнутой формы, где проводимости воздушных зазоров могут быть вычислены с достаточной для практических целей точностью. Для прямых магнитов задача вычисления проводимостей рассеяния весьма трудна. Выражение ( 9 - 9) дает решение задачи для магнитов замкнутой формы, где проводимости воздушных зазоров могут быть вычислены с достаточной для практических целей точностью. Для прямых магнитов задача вычисления проводимостей рассеяния весьма трудна. В - активная и реактивная составляющие полной проводимости цепи; кроме проводимости сердечников, они учитывают проводимости воздушного зазора, якоря, экрана, рассеяния, а также потери в стали и экране. В машинах, имеющих явно выраженные полюса ( например, в синхронных двигателях и гидрогенераторах), проводимость воздушного зазора зависит от направления потока. Однако после соединения ( сборки) магнита с арматурой увеличение магнитной индукции до значения Вт, вследствие увеличения проводимости воздушного зазора, будет происходить не по кривой размагничивания, а по другой пунктирной кривой, мало отличающейся от прямой b fB T и называемой кривой возврата. Поляризованные электромагниты. а - дифференциальный. б - мостовой. Поляризующий поток Фп, выходя из якоря, разветвляется на две части Ф и Ф в соответствие с проводимостями воздушных зазоров справа и слева от якоря. Точный расчет магнитной цепи с воздушным зазором во многом зависит от точности расчета проводимости между боковыми поверхностями полюсов или проводимости воздушного зазора с учетом поля выпучивания. Эта проводимость при определенных значениях воздушного зазора составляет значительную часть от основной проводимости между торцами полюсов. Если магнитная цепь имеет воздушный зазор, то его магнитное сопротивление ( Гн 1) Ямв1 / Св, где Ge - проводимость воздушного зазора.

4.Электромеханические реле, их классификация и основные параметры 

Реле называется устройство, в котором осуществляется скачкообразное изменение (переключение) выходного сигнала под воздействием управляющего (входного) сигнала, изменявшегося непрерывно в определённых пределах.

Релейные элементы (реле) находят широкое применение в системах автоматики, так как с их помощью можно управлять большими мощностями на выходе при малых по мощности входных сигналах; выполнять логические операции; создавать многофункциональные релейные устройства; осуществлять коммутацию электрических цепей; фиксировать отклонения контролируемого параметра от заданного уровня; выполнять функции запоминающего элемента и т. д. Наибольшее применение реле находят в области релейной защиты и автоматики.

Реле классифицируются по различным признакам: по виду входных физических величин, на которые они реагируют; по функциям, которые они выполняют в системах управления; по конструкции и т. д. По виду физических величин различают электрические, механические, тепловые, оптические, магнитные, акустические и т.д. реле. При этом следует отметить, что реле может реагировать не только на значение конкретной величины, но и на разность значений (дифференциальные реле), на изменение знака величины (поляризованные реле) или на скорость изменения входной величины.

Устройство реле

Реле обычно состоит из трех основных функциональных элементов: воспринимающего, промежуточного и исполнительного. Воспринимающий (первичный) элемент воспринимает контролируемую величину и преобразует её в другую физическую величину. Промежуточный элемент сравнивает значение этой величины с заданным значением и при его превышении передает первичное воздействие на исполнительный элемент. Исполнительный элемент осуществляет передачу воздействия от реле в управляемые цепи. Все эти элементы могут быть явно выраженными или объединёнными друг с другом. Воспринимающий элемент в зависимости от назначения реле и рода физической величины, на которую он реагирует, может иметь различные исполнения, как по принципу действия, так и по устройству.

По устройству исполнительного элемента реле подразделяются на контактные и бесконтактные.

Контактные реле воздействуют на управляемую цепь с помощью электрических контактов, замкнутое или разомкнутое состояние которых позволяет обеспечить или полное замыкание или полный механический разрыв выходной цепи.

Бесконтактные реле воздействуют на управляемую цепь путём резкого (скачкообразного) изменения параметров выходных электрических цепей (сопротивления, индуктивности, емкости) или изменения уровня напряжения (тока). Основные характеристики реле определяются зависимостями между параметрами выходной и входной величины.

По способу включения реле разделяются:

• Первичные – реле, включаемые непосредственно в цепь защищаемого элемента. Достоинством первичных реле является то, что для их включения не требуется измерительных трансформаторов, не требуется источников оперативного тока и не требуется контрольных кабелей.

• Вторичные - реле, включаемые через измерительные трансформаторы тока или напряжения.

Наибольшее распространение в технике релейной защиты получили вторичные реле, к достоинствам которых можно отнести: они изолированы от высокого напряжения, расположены в удобном для обслуживания месте, выполняются стандартными на ток 5(1) А или напряжение 100 В независимо от тока и напряжения первичной защищаемой цепи.

По исполнению реле классифицируются:

• Электромеханические или индукционные - с подвижными элементами.

• Статические - без подвижных элементов (электронные, микропроцессорные).

По назначению реле подразделяются:

• Измерительные реле. Для измерительных реле характерно наличие опорных элементов в виде калиброванных пружин, источников стабильного напряжения, тока и т.п. Опорные (образцовые) элементы входят в состав реле и воспроизводят заранее установленные значения (называемые уставкой) какой-либо физической величины, с которой сравнивается контролируемая (воздействующая) величина. Измерительные реле обладают высокой чувствительностью (воспринимают даже незначительные изменения контролируемого параметра) и имеют высокий коэффициент возврата (отношение воздействующих величин возврата и срабатывания реле, например, для реле тока - Кв=Iв / Iср).

• Реле тока реагируют на величину тока и могут быть: - первичные, встроенные в привод выключателя (РТМ); - вторичные, включенные через трансформаторы тока: электромагнитные - (РТ-40), индукционные - (РТ-80), тепловые - (ТРА), дифференциальные - (РНТ, ДЗТ), на интегральных микросхемах - (РСТ), фильтр - реле тока обратной последовательности - (РТФ).

• Реле напряжения реагируют на величину напряжения и могут быть: - первичные - (РНМ); - вторичные, включенные через трансформаторы напряжения: электромагнитные – (РН-50), на интегральных микросхемах - (РСН), фильтр - реле напряжения обратной последовательности - (РНФ).

• Реле сопротивления реагируют на величину отношения напряжения и тока - (КРС, ДЗ-10);

• Реле мощности реагируют на направление протекания мощности КЗ: индукционные – (РБМ-170, РБМ-270), на интегральных микросхемах - (РМ-11, РМ-12). • Реле частоты реагируют на изменение частоты напряжения - на электронных элементах (РЧ-1, РСГ).

• Цифровое реле - это многофункциональное программное устройство, одновременно выполняющее функции реле тока, напряжения, мощности и т.д.

Реле могут быть максимальные или минимальные. Реле, срабатывающие при возрастании воздействующей на него величины называются максимальными, а реле, срабатывающие при снижении этой величины, называются минимальными.

Логические или вспомогательные реле подразделяются на:

• Реле промежуточные передают действие измерительных реле на отключение выключателя и служат для осуществления взаимной связи между элементами релейной защиты. Промежуточные реле предназначены для размножения сигналов, полученных от других реле, усиления этих сигналов и передачи команд другим аппаратам: электромагнитные постоянного тока – (РП-23, РП-24), электромагнитные переменного тока – (РП-25, РП-26), электромагнитные постоянного тока с замедлением при срабатывании или отпадании – (РП-251, РП-252), электронные на интегральных микросхемах - (РП-18),

• Реле времени служат для замедления действия защиты: электромагнитные постоянного тока – (РВ-100), электромагнитные переменного тока – (РВ-200), электронные на интегральных микросхемах - (РВ-01, РВ-03 и ВЛ)

• Реле сигнальные или указательные служат для регистрации действия как самих реле, так и других вторичных аппаратов (РУ-21, РУ-1).

По способу воздействия на выключатель реле разделяются:

• Реле прямого действия, подвижная система которых механически связана с отключающим устройством коммутационного аппарата (РТМ, РТВ

• Реле косвенного действия, которые управляют цепью электромагнита отключения коммутационного аппарата.

Основные виды релейной защиты:

• Токовая защита – ненаправленная или направленная (МТЗ, ТО, МТНЗ).

• Защита минимального напряжения (ЗМН).

• Газовая защита (ГЗ).

• Дифференциальная защита.

• Дистанционная защита (ДЗ).

• Дифференциально-фазная (высокочастотная) защита (ДФЗ).