МIНIСТЕРСТВО ОСВIТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
НАЦІОНАЛЬНИЙ УНIВЕРСИТЕТ "ЛЬВIВСЬКА ПОЛIТЕХНIКА"
ЕЛЕКТРОПРИЙМАЧІ З ВИКОРИСТАННЯМ
ІНДУКЦІЙНОЇ ДІЇ МАГНІТНОГО ПОЛЯ
Методичні настанови
до виконання лабораторної роботи
з дисципліни “Основи використання електричної енергії”
для студентів базового напряму
6.050701 “Електротехніка та електротехнології”
усіх форм навчання
Затверджено
на засiданнi кафедри “Електропостачання промислових пiдприємств, мiст і сiльського господарства”
Протокол №1 вiд 30 серпня 2007р.
Львів - 2007
Електроприймачі з використанням індукційної дії магнітного поля. Методичні настанови до виконання лабораторної роботи з дисципліни “Основи використання електричної енергії” для студентів базового напряму 6.050701 “Електротехніка та електротехнології” усіх форм навчання / Укл: П. П. Климук, М. Й. Олійник. – Львів: Видавництво Національного університету “Львівська політехніка”, 2007. – 16 с.
Укладачі Климук П.П., канд. техн. наук, доц.
Олійник М.Й., канд. техн. наук, доц.
Відповідальний за випуск Маліновський А.А., доктор техн. наук, професор
Рецензенти Федишин В.Г., канд. техн. наук, доц.
Турковський В.Г., канд. техн. наук, доц.
Метою лабораторної роботи є закріплення та поглиблення студентами знань з теорії електричних кіл з індуктивними елементами та використання електромагнітної індукції для функціонування статичних приймачів електричної енергії; набуття студентами практичних навичок монтажу та вимірювання параметрів електричної енергії електроприймачів з індуктивними елементами.
1. Загальні відомості
1.1. Електричне коло з ідеальним індуктивним елементом
Багато приймачів електричної енергії використовують електромагнітні пристрої для зміни її параметрів чи для її перетворення у інші види енергії. До таких пристроїв відносяться трансформатори, електричні двигуни, електромагніти, реле, контактори, індуктори електричних нагрівних установок та плавильних печей тощо. Принцип дії цих електротехнічних пристроїв електроспоживачів базується на використанні індукційної і силової дії електромагнітного поля. Індукційна дія полягає у тому, що у котушці, яку пронизує змінне магнітне поле, індукується ЕРС. Силова дія проявляється у тому, що на рухомі електричні заряди чи вільні (не закріплені до якоїсь опори) провідники, по яких проходить струм, діє сила, яка може зумовлює їх рух.
В усіх названих електроприймачах основним компонентом є котушка індуктивності (індуктор), електричними параметрами якої є індуктивність L та активний опір R. Якщо активним опором знехтувати, то котушка індуктивності стає ідеальною з індуктивністю LІД (без втрат потужності). Котушки індуктивності використовують без осердя або з феромагнітним осердям.
Рис. 1.1. Електричне коло з котушкою індуктивності (а), векторна (б) та часові (в) діаграми параметрів режиму кола
Якщо через котушку індуктивності (рис. 1.1, а) проходить електричний струм і, що змінюється синусоїдально і=ІМ sin ωt , в індуктивності виникає електрорушійна сила (ЕРС) самоіндукції eL= - L di/dt . Знак мінус у цій формулі вказує на реактивний характер ЕРС, який проявляється у протидії зміні струму: якщо струм зростає у додатному напрямку то ЕРС від’ємна, а якщо струм спадає – ЕРС додатна і прагне протидіяти його зменшенню (рис. 1.1, в).
Якщо спад напруги uL на котушці спрямувати до точки вищого потенціалу, а ЕРС eL спрямувати згідно зі струмом і, то рівняння, складене за другим законом Кірхгофа для цього кола, матиме вигляд
uL = - eL =- (-LІД di/dt)= LІД di/dt .
Підставивши у останнє рівняння аналітичний вираз струму (і=ІМ sin ωt), отримаємо
eL=- LІД (d ІМ sin ωt/dt)=- ω LІД ІМ cos ωt= ω LІД ІМ sin (ωt-π/2)=ЕM sin (ωt-π/2);
uL = LІД (d ІМ sin ωt/dt)= ω LІД ІМ cos ωt= ω LІД ІМ sin (ωt+π/2)=UM sin (ωt+π/2).
З цих рівнянь видно, що напруга uL випереджує струм на кут π/2, а ЕРС eL відстає від струму на такий же кут. На рис. 1.1, б наведена векторна діаграма струму, напруги та ЕРС у колі з котушкою індуктивності.
Миттєва потужність дорівнює добутку струму і напруги і описується таким рівнянням
р=иі=ULIsin2ωt,
де UL, I – відповідно діючі значення напруги і струму котушки індуктивності.
Часова діаграма миттєвої потужності наведена на рис. 1.1, в. Середнє значення потужності за період (активна потужність) дорівнює нулю. На інтервалі часу від точки 1 до точки 2 енергія електричного струму перетворюється і запасається у вигляді енергії магнітного поля (затемнена площа, позначена знаком «+»), на інтервалі 2 – 3, коли струм у колі зменшується, енергія магнітного поля перетворюється у електричну енергію (затемнена площа, позначена знаком «-»). Кількість енергії, що запасається у магнітному полі дорівнює інтегралу миттєвої потужності за час від 0 до T/4:
.
Така ж кількість енергії перетворюється у електричну енергію на інтервалі 2-3.
Таким чином у колі з ідеальною котушкою індуктивності активна потужність не споживається і проходить неперервний періодичний процесс обміну енергією між котушкою та генератором змінного струму. Корисна робота у ідеальній котушці не виконується (немає перетворення електричної енергії у тепло чи у механічну енергію). Проте проходження струму по елементах електромережі супроводжується втратами енергії на активних опорах елементів системи електропередавання.