Энергия магнитного поля катушки

Наличие сдвига по фазе между током и напряжением, меньшего 90⁰, указывает на то, что активная мощность в цепи не равна нулю даже в том случае, если активное сопротивление обмотки катушки R=0.

Следовательно, ток катушки из-за потерь на гистерезис имеет активную составляющую, а средняя мощность за период не равна нулю.

В данном случае активная мощность характеризует расход энергии на перемагничивание ферромагнитного сердечника.

Потери в стали
Потери в стали определяются энергией, затраченной на перемагничивания железа трансформатора и соответствуют току холостого хода трансформатора (За вычетом потерь на активом сопротивлении первичной обмотки этой величиной можно пренебречь). Потери в стали заложены проектом. Чтобы их уменьшить нужно уменьшить напряжение сети или увеличить частоту сети. Показатель, определяемый отношением В/ Гц характеризует потери в стали. Потери в меди характеризуют потери на активном сопротивлении вторичной обмотки. Чем больше ток тем больше потери в меди. Потери в меди характеризует параметр Uк трансформатора

29.)
30.) Причиной возникновения феррорезонансных процессов в электрических сетях является наличие индуктивных и емкостных элементов, которые в процессе переключений могут создавать колебательные контуры. Ярко выраженным индуктивным характером обладают силовые трансформаторы, шунтирующие реакторы, трансформаторы напряжения, линейные вольтодобавочные трансформаторы и другое оборудование с массивной обмоткой.

Значительной емкостью в электрических сетях обладают разветвленные высоковольтные линии электропередач, ошиновка подстанций, конденсаторы шунтирующие разрывы высоковольтных выключателей.

В электрических сетях существует два вида этих явлений, это: резонанс токов и напряжений. Они могут возникнуть в системе с параллельным соединением индуктивного и емкостного элемента. Резонанс напряжений возникает в системах с последовательным соединением реактивных элементов.

Переходные процессы в электрических сетях носят сложный характер, при плановых или аварийных отключениях создается множество LC-цепочек, поэтому и резонансные явления имеют смешанный характер.

Феррорезонанс подразумевает наличие индуктивности, имеющей нелинейную вольт-амперную характеристику. Такой характеристикой обладают катушки индуктивности с сердечником из ферромагнитных материалов. Трансформаторы напряжения серии НКФ, широко применяемые на подстанциях и в наши дни, сильно подвержены резонансным явлениям.

Это объясняется небольшой величиной омического и индуктивного сопротивления, по сравнению с силовыми трансформаторами или реакторами. Трансформаторы напряжения выполняют функцию преобразования первичного напряжения до уровней пригодных к использованию приборами учета и УРЗА, а следовательно и подключаются к линиям, системам сборных шин, шинных мостов трансформаторов.

При этом создаются последовательно соединенные LC-цепочки, которые и представляют собой резонансный контур. При последовательном соединении индуктивного элемента, с нелинейной вольтамперной характеристикой и емкостного элемента, напряжение, приложенное к участку этой цепи носит активно-индуктивный характер.

Это объясняется тем, что напряжение в индуктивных элементах опережает ток, на электрический угол 90º, а в емкостных отстает от тока на те же 90º. С течением времени, магнитопровод насыщается и напряжение на индуктивности достигает своего конечного значения, в то время как напряжение на емкостном элементе продолжает увеличиваться.

Момент времени, когда напряжение на емкостном элементе равно напряжению на индуктивности, при их последовательном соединении, называется резонансом напряжений. При дальнейшем плавном увеличении напряжения, приложенного к контуру, характер общего напряжения изменяется на активно-емкостный.

При феррорезонансных явлениях, изменение тока, протекающего в контуре происходит скачкообразно, вместе с током значительно увеличиваются и напряжения приложенные к индуктивному и емкостному элементу.

Резкое изменение характера приложенного напряжения с активно – индуктивного на активно – емкостный называется «опрокидыванием фазы». На основе феррорезонанасных свойств LC-цепочек создают специальные электронные приборы. Однако, если такие процессы происходят незапланировано, то они могут представлять опасность для электрооборудования.

Резонанс токов имеет те же последствия, что и резонанс напряжений, только происходит он в цепях с параллельным соединением LC-цепочек. Резонанс в этом случае наступает при совпадении токов на реактивных элементах контура.

В процессе переключений на подстанциях напряжением 220 кВ и выше могут образовываться последовательные и последовательно – параллельные цепочки LC-элементов. Например, при выводе в ремонт СШ-220 кВ, после отключения выключателей серии ВМТ-220, создаются условия для возникновения феррорезонансных явлений.

Контактная система выключателя ВМТ зашунтирована конденсаторами, после отключения главных контактов, на системе остается напряжение, обусловленное электрическим полем шунтирующих конденсаторов. Ошиновка имеет небольшое омическое сопротивление, к шинам также остается подключенным трансформатор напряжения.

Процесс может и не возникнуть; все зависит от соотношения величин всех элементов, участвующих в контуре. Однако при возникновении резонанса, напряжение на шинах повышается до 300 кВ, а ток скачком поднимается до величин, при которых происходит тепловое разрушение обмоток.

Во избежании появления процесса, в программах и бланках переключений предусматривают определенную последовательность операций, при которой эти процессы расстраиваются. Помимо оперативных мер, препятствующих возникновению феррорезонансных явлений, к системам шин дополнительно могут быть подключены элементы, сопротивление которых препятствует возникновению этого явления.

Схема, устройство и работа феррорезонансного стабилизатора напряжения.
Стабилизатор, у которого на зажимах нелинейного дросселя получают стабилизированное напряжение, является простейшим ферромагнитным стабилизатором. Его основной недостаток — низкий коэффициент мощности. Кроме того, при больших токах в цепи габариты линейного дросселя очень большие.

Для уменьшения веса и габаритов ферромагнитные стабилизаторы напряжения изготовляют с объединенной магнитной системой, а для повышения коэффициента мощности включают конденсатор по схеме резонанса токов. Такой стабилизатор называется феррорезонансным.

Феррорезонансные стабилизаторы напряжения конструктивно похожи на обычные трансформаторы (рис. 1, а). Первичная обмотка w1 на которую подается входное напряжение Uвх, располагается на участке 2 магнитопровода, имеющем большое поперечное сечение для того, чтобы эта часть магнитопровода находилась в ненасыщенном состоянии. Напряжение Uвх создает магнитный поток Ф2.

 

 

Таким дополнительным устройством является компенсирующая обмотка wк (рис. 3), располагаемая вместе с первичной обмоткой на ненасыщенном участке 1 магнитопровода. С увеличением Uвх и Ф увеличивается э. д. с. компенсирующей обмотки. Ее включают последовательно с вторичной обмоткой, но так, чтобы э. д. с. компенсирующей обмотки была противоположна по фазе э. д. с. вторичной обмотки. Если Uвх увеличивается, то незначительно увеличивается э. д. с. вторичной обмотки. Напряжение Uвых, которое определяется разностью э. д. с. вторичной и компенсирующей обмоток, поддерживается постоянным за счет возрастания э. д. с. компенсирующей обмотки.

31.) Принцип действия магнитного усилителя основан на интересном свойстве ферромагнитных материалов. Этим материалам свойственно насыщение. Это означает, что в ненамагниченном состоянии магнитная проницаемость может быть несколько тысяч или несколько десятков тысяч (для трансформаторного железа). При такой высокой магнитной проницаемости индуктивность катушки, намотанной на сердечнике, будет большой. Большим будет и модуль сопротивления переменному току. Путь переменному току будет практически перекрыт. Магнитный усилитель закрыт.

Но все меняется, если достаточно сильно (до насыщения) намагнитить сердечник. При этом его магнитная проницаемость приблизится к единице. Индуктивность, а значит модуль сопротивления, уменьшится в тысячи или десятки тысяч раз. Магнитный усилитель откроется

Типичный магнитный усилитель состоит из двух совершенно одинаковых дросселей с двумя обмотками, соединенных, как показано на схеме.

Силовые обмотки L2 и L3 соединены параллельно. Выводы 1 - 2 предназначены для подвода переменного тока, которым мы хотим управлять. Они включаются последовательно с нагрузкой. Управляющие обмотки соединены последовательно навстречу друг другу, чтобы напряжение на одной равнялось минус напряжению на другой.

Очень важно, чтобы дроссели были максимально идентичными. Напряжение на обмотке L1, наводимое с обмотки L2, должно быть в точности равно напряжению на обмотке L4, наводимому с обмотки L3. Тогда на выводах 3 - 4 вообще не будет напряжения, что необходимо для правильной работы устройства.

Возможным вариантом является намотка обоих дросселей на одном Ш - образном сердечнике.

32.) Установившимися называются процессы, при которых напряжения и токи в цепи являются неизменными (постоянными) или синусоидальными периодическими. Переходным называют процесс в электрической цепи при переходе от одного установившегося режима к другому. Такой процесс возникает, например, при резком изменении сопротивления цепи. Если в электрической цепи имеются только источники ЭДС или тока и активные сопротивления, то переход от одного установившегося режима к другому происходит мгновенно, т. е. без переходного процесса. Возникновение переходного процесса объясняется тем, что в индуктивностях и емкостях цепи энергия не может измениться мгновенно, т. е. скачком. Для того чтобы в цепи с индуктивностью или емкостью токи или напряжения перешли от одного установившегося значения к другому, требуется время.

Длительность переходного процесса теоретически равна бесконечности. В практических расчетах с погрешностью до 3% полагают эту длительность равной Зτ, где τ — постоянная времени цепи. В расчетах с погрешностью до 1 % длительность переходного процесса считают равной 5τ.

В основу расчетов переходных процессов положены законы коммутации.

Первый закон коммутации: ток в цепи с индуктивностью не может измениться скачком.

Второй закон коммутации: напряжение на емкости не может измениться скачком.

Физический смысл первого закона коммутации заключается в том, что запас энергии в индуктивности определяется током в ней, т. е.

W_L = Li²/2.

Так как энергия не может изменяться скачком, то, следовательно, и ток в индуктивности не изменяется скачком.

Запас энергии в емкости определяется напряжением на ней, т. е.

W_C = Cu²/2.

Так как энергия не может измениться скачком, то, следовательно, напряжение на емкости не изменяется скачком.