Устройство, принцип действия однофазного трансформатора

Задача 3

Определите токи ветвей цепи постоянного тока, применив метод узловых и контурных уравнений (по 1 и 2 законам Кирхгофа).

 Составьте уравнение баланса мощностей.

Дано: Е1 = 140 В Е2 = 100 В R01 = 2 Ом R02 = 2 Ом R1 = 12 Ом R2 = 35 Ом R3 = 18 Ом

Решение :

В схеме 3 ветви и 2 узла, значит надо составить всего 3 уравнения, из них 1 – по первому закону (т.к. составляется (n-1)уравнение, где n – число узлов) и 2 по второму. Выбираем обходы контура – по часовой стрелке.

    Решая систему уравнений, получим:

       Составляем баланс мощностей:

 Баланс выполняется

Задача7

Три группы сопротивлений соединили звездой с нулевым проводом и включили в трехфазную сеть переменного тока с линейным напряжением Uном. Активные сопротивления в фазах А, В, С соответственно равны R_А, R_В, R_С; реактивные - х_А, х_В, х_С. Определить величины, отмеченные прочерками в таблице и начертить в масштабе векторную диаграмму цепи в нормальном режиме.

Начертить векторную диаграмму в аварийном режиме при отключении фазы А.

Из векторных диаграмм определить графически токи в нулевом проводе в обоих режимах.

Uл = 380 В PА = 2904 Bт PС = 1936 Вт QА = 3872 ВАр QВ = 1100 ВАр QС = 1452 ВАр

1. Фазное напряжение:

    2. Мощности цепи:

- активная

- реактивная

- полная

3.Сопротивления фаз приемника:

4. Угол сдвига фаз:

5. Векторная диаграмма: MU = 1см : 44 В

MI = 1 см : 2 А

ВОПРОС 16

Однофазные трансформаторы

Назначение трансформатора

Трансформатором называется статический электромагнитный аппарат, предназначенный для преобразования одной – первичной системы переменного тока в другую – вторичную, имеющую другое напряжение и другой ток, при неизменной частоте. Таким образом, к трансформатору подается энергия при одних напряжении  и токе , а получается после трансформации энергии при других напряжении , и токе .

В современных энергетических системах электрическую энергию, вырабатываемую на тепловых электростанциях, расположенных в районе больших запасов угля, нефти или газа, или на гидроэлектростанциях, использующих энергию больших рек, передают на большие расстояния, до 1000 км и более.

Для экономичной передачи энергии напряжение в линиях электропередачи необходимо повышать до десятков и сотен киловатт, а в местах ее использования понижать до необходимого уровня. Если принять во внимание, что электрическая энергия, получаемая на электростанциях, по пути к месту использования подвергается трех и даже четырехкратной трансформации, то необходимо, чтобы к. п. д. трансформатора был очень высок.

Изобретателем трансформатора был выдающийся конструктор и ученный П.Н.Яблочков.

Устройство, принцип действия однофазного трансформатора

Однофазный трансформатор (рис.1) состоит из двух обмоток – первичной 1 с числом витков , к которой подводится напряжение сети, и вторичной 2 с числом витков , к которой присоединяются потребители электроэнергии; обе обмотки намотаны на магнитопровод 3.

Магнитопровод служит для усиления электромагнитной связи между первичной и вторичной обмотками трансформатора. Для уменьшения потерь на вихревые токи магнитопровод трансформатора собирают из тонких (изолированных друг от друга тонкой бумагой, лаком или окалиной) листов слабо углеродистой электротехнической стали.

Одна из обмоток трансформатора рассчитана на большее напряжение, называется обмоткой высшего напряжения (ВН), а вторая – обмоткой низшего напряжения (НН). Если первичное напряжение меньше вторичного, то трансформатор называют повышающим, а если больше – понижающим. Обмотки ВН и НН условно имеют начало и конец, которые соответственно обозначают на стороне высшего напряжения А и Х, а на стороне низшего напряжения – a и x.

Принято называть все величины, относящиеся к первичной обмотке ( например, напряжение, ток, мощность), первичными, а относящиеся к вторичной обмотке – вторичными.

При подключении трансформатора к сети переменного тока с напряжением  в первичной обмотке проходит ток . Под действием намагничивающий силы  возбуждается переменный во времени магнитный поток . Большую часть потока , замыкающуюся по магнитопроводу и сцепленную с обеими обмотками трансформатора, называют основным магнитным потоком Ф; небольшую часть потока , сцепленную только с одной первичной обмоткой, называют первичным потоком рассеяния .

В основе работы трансформатора лежит закон электромагнитной индукции в соответствии с которым пронизывающий обмотки трансформатора основной магнитный поток Ф индуктирует в них э. д. с.  и ; если ко вторичной обмотке присоединить потребитель электроэнергии (нагрузку) , то под действием э. д. с.  по этой обмотке потечет переменный ток . Именно так с помощью переменного магнитного потока Ф осуществляется передача энергии из первичной обмотки во вторичную.

Режим работы трансформатора в условиях, для которых он рассчитан и изготовлен, называется номинальным. Номинальный режим характеризуется номинальными величинами, большинство из которых, например номинальные мощность, напряжения и токи обмоток, частота и другие, указываются на щитке трансформатора.

Рисунок 1. Принципиальная схема однофазного трансформатора

ВОПРОС 26

Измерение цифровыми  приборами.

Дискретизация, квантование и кодирование непрерывных физических величин. Аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи. Структурная схема цифрового измерительного прибора. Цифровые приборы для измерения временных интервалов, частоты и периода электрических колебаний. Интегрирующие цифровые вольтметры.

[1: с.212…257; 2: с.84…89, 109, 110, 116…118; 3: с.113…124, 140…150, 205…215; 280…286; 4: с.137…158, 270…272].

Цифровыми измерительными устройствами называются устройства, в которых численное значение измеряемой величины отображается в виде числа, представленного в той или иной системе счисления.

Следует отметить, что цифровые измерительные устройства могут быть с ручным управлением процесса измерения (в случае измерения пассивных параметров электрических цепей их называют измерительными мостами,а в случае измерения активных параметров – измерительными компенсаторами)и автоматическим. Однако, в настоящее время, под цифровыми измерительными устройствами обычно понимают цифровые устройства, измерительный процесс в которых осуществляется автоматически.

Цифровые измерительные устройства (ЦИУ) обычно имеют более сложную структуру, чем аналоговые, и могут состоять из нескольких сравнительно автономных узлов. Так, например, они могут иметь предварительные входные блоки, которые обычно включают в себя устройства автоматического выбора предела измерения, устройства автоматического выбора и определения полярности измеряемой величины, устройства коррекции систематической погрешности, устройства защиты от перегрузки и т.п. Кроме того, ЦИУ часто включают в себя блоки аналоговых преобразователей, целью которых является преобразование входной измеряемой величины в другую аналоговую величину, численное значение которой определяется более эффективно (например, с большим быстродействием, с большей точностью, с наименьшей потребляемой мощностью, более дешевым способом и т.п.). В качестве аналоговых величин, подвергающихся непосредственно процессу получения его численного значения, в ЦИУ наиболее часто используют временной интервал, частоту или число импульсов, а также постоянное напряжение (ток). Отметим также, что в ряде случаев более простым и удобным является получение численного значения линейного перемещения или угла поворота.

Преимущество использования для непосредственного измерения временного интервала заключается в простоте получения точной единицы сравнения (меры) в виде периода повторения импульсов генератора с кварцевой стабилизацией частоты.

Преобразование измеряемой величины в частоту или число импульсов позволяет весьма просто осуществить процесс получения численного значения обычным подсчетом числа импульсов за образцовый интервал времени, который также легко реализуется с помощью стабилизированного кварцем генератора импульсов. А использование постоянного напряжения (тока) в качестве величины, подвергающейся непосредственно операции получения ее численного значения, дает возможность реализации максимального быстродействия.

В современных ЦИУ процесс сравнения измеряемой величины с мерами и получение ее численного значения полностью автоматизирован, а блок ЦИУ, реализующий этот процесс, получил название аналого-цифрового преобразователя (АЦП).

Получение числового эквивалента аналоговой величины может быть осуществлено только в результате дискретизации (квантования) этой величины по уровню, которая определяет так называемую погрешность квантования.Часто ее считают специфической методической погрешностью, характерной для цифровых измерительных приборов.Погрешность квантования являетсяслучайной величиной, равномерно распределенной в диапазоне от –q/2 до +q/2, где q – шаг квантования, равный по величине младшему разряду кода численного значения результата. Обычно, инструментальная погрешность цифрового прибора не должна превышать его погрешности квантования.

При измерении процессов, т.е. величин, изменяющихся во времени, чрезвычайно важным является привязка полученного измеренного значения к моменту времени измерения. Определение этих моментов времени называется дискретизацией измеряемой величины во времени и погрешность в их определении существенным образом сказывается при дальнейшей обработке этих величин, увеличивая погрешность конечного результата.

Таким образом, при практическом использовании цифровых измерительных устройств важно различать погрешность квантования, определяемую дискретностью по уровню измеряемой величины, которая относится к погрешности статической, т.е. погрешности, возникающей при измерении не изменяющихся за время измерения величин, и погрешность динамическую, которая дополнительно возникает за счет изменения измеряемой величины за время одного измерения. Первая определяется только свойствами самого измерительного устройства, а третья – еще и характеристикой измеряемого сигнала.

Основными характеристиками цифровых измерительных устройств являются: инструментальная статическая погрешность, нормируемая двучленной формулой, погрешность квантования, задаваемая числом разрядов отсчетного устройства, быстродействие, предел измерения, входное сопротивление, потребляемая мощность, а также апертурное время,характеризующее временную неопределенность привязки отчета при измерении различного рода процессов. Произведение апертурного времени на производную измеряемого сигнала в точке отсчета определяет максимальную динамическую погрешность измерения. Для уменьшения динамической погрешности в блок входных устройств цифрового измерительного прибора часто включают так называемое устройство выборки и хранения (УВХ), которое по сути дела является аналоговым ЗУ, запоминающим мгновенные значения измеряемого сигнала в заданных точках на время одного измерения.

Отметим, что для цифровых измерительных устройств, предназначенных для измерения параметров пассивных электрических величин (сопротивлений, емкостей, индуктивностей и т.п.) понятие входного сопротивления не имеет смысла, поскольку измеряемая величина является не источником электрической энергии, а наоборот, ее потребителем. Источником же энергии является само измерительное устройство. Для измерительных устройств этого типа указывается и нормируется значение величины электрического тока или напряжения, которое появляется на измеряемой пассивной электрической величине в процессе измерения. Знание этих величин очень важно, поскольку они в ряде случаев могут повлиять на измеряемый параметр, а иногда могу привести и к его необратимым изменениям (электрический пробой измеряемых конденсаторов, сгорание провода катушки индуктивностей и т.п.).

Кроме перечисленных ЦИУ часто включает в себя блок простейшей обработки полученных численных значений, а также, цифровое отсчетное устройство. Таким образом, в общем виде, цифровое измерительное устройство может быть представлено в виде структурной схемы приведенной на рис VI.1.

Рис.VI.1. Обобщенная блок-схема цифрового измерительного устройства.

Здесь: ВУ – блок входных устройств, к которым относятся устройства выбора предела измерения, устройства определения и выбора полярности измеряемой величины, устройства, повышающие входное сопротивление цифрового прибора и его помехозащищенность и т.п.

АП – блок аналогового преобразования, в котором происходит преобразование аналогового сигнала одного вида в аналоговый сигнал другого вида, наиболее удобный для процесса получения численного значения измеряемой величины. Как уже упоминалось, у практически используемых АП, в большинстве случаев, входной сигнал преобразовывается в напряжение постоянного тока, временной интервал, а также частоту или число электрических импульсов.

АЦП – блок аналого-цифрового преобразования, в котором выполняются основные измерительные операции – дискретизация во времени, квантование по уровню и кодирование измеряемой аналоговой величины в той или другой системе счисления.

УО –устройство обработки, в котором может происходить простейшая предварительная обработка результатов измерения, например:

• Вычисление частоты по измеренному периоду в частотомерах низких и инфранизких частот;
• Вычисление среднего значения сдвига фаз в цифровых фазометрах;
• Вычисление среднего значения результатов серии измерений, что дает возможность уменьшить случайную составляющую погрешности измерения;
• Осуществление цифрового метода коррекции дрейфа параметров измерительного устройства, с целью уменьшения систематической погрешности измерения.

ЦОУ - блок цифрового отсчетного устройства, как правило, включающего в себя жидкокристаллические, газоразрядные или светодиодные индикаторы, схемы управления этими индикаторами, а также преобразователи кодов чисел из системы счисления, в которой непосредственно получается числовой эквивалент измеряемой величины в код числа, необходимый для правильной работы используемого индикатора.

Как правило, во всех современных цифровых измерительных устройствах предусматривается вывод результатов измерения на регистрирующее устройство того или иного типа, или непосредственно в компьютер. Отметим также, что блок АЦП присутствует в любом типе цифрового измерительного устройства, в отличие от всех остальных блоков, присутствие которых зависит от конкретного типа устройства.

Рассмотрим несколько подробнее принципы преобразования аналоговых сигналов наиболее широко используемых в цифровых измерительных устройствах.

Преобразование напряжения переменного тока в напряжение постоянного тока. Преобразование этого типа большей частью осуществляется при помощи обычных двухполупериодных выпрямителей, выполненных на полупроводниковых диодах.

Преобразование токов в напряжение постоянного тока.

Преобразование токов в напряжение постоянного тока обычно осуществляется путем пропускания измеряемого тока через образцовый резистор, падение напряжения на котором будет пропорционально этому току.

Преобразователи сопротивлений в напряжение постоянного тока.

Преобразование сопротивлений в напряжение постоянного тока обычно осуществляется путем пропускания образцового тока от стабилизированного генератора тока через измеряемое сопротивление, падение напряжения на котором будет пропорционально этому сопротивлению.

Преобразование напряжение постоянного тока в интервал времени.

Наиболее широко в качестве измерительного преобразователя в интервал времени используются двухтактные интегрирующие преобразователи напряжения постоянного тока в интервал времени. При этом если измеряемая величина имеет другую природу, используют предварительное преобразование ее в напряжение постоянного тока при помощи дополнительных специальных преобразователей (выпрямителей, образцовых сопротивлений, термопреоб-разователей и т.п.)

В основе двухтактного интегрирующего преобразователя напряжения постоянного тока в интервал времени лежит интегратор, реализованный на операционном усилителе. Принцип двухтактного интегрирующего преобразования напряжения постоянного тока в интервал времени схематически представлен на рис.VI.2.

В первом такте интегратор интегрирует входное напряжение за образцовый (калиброванный) интервал времени, кратный периоду преобладающей помехи (как правило, периоду сетевого напряжения). Главное назначение первого такта интегрирования – уменьшение влияния помех на входе измерительного устройства. В результате первого такта преобразования, на выходе операционного усилителя формируется среднее значение измеряемого напряжения за этот такт.

Рис.VI.2. Схема, иллюстрирующая принцип работы простейшего

преобразователя напряжения в интервал времени.

Во втором такте полученное значение реинтегрируется, т.е. емкость конденсатора операционного усилителя разряжается до некоторого постоянного порогового уровня, путем подачи на вход интегратора образцового постоянного напряжения обратного знака, по отношению к измеряемому напряжению. Интервал времени от начала реинтеграции до момента достижения выходным напряжением интегратора этого порогового уровня будет пропорционален среднему значению, за время первого такта интегрирования, входного напряжения. Этот интервал может быть определен по формуле

где - значение образцового напряжения;

- среднее значение входного напряжения за интервал ;

- интервал первого такта интегрирования.

Поскольку и во втором и в первом такте интегрирования используется один и тот же интегратор, параметры которого за время измерения практически не могут измениться существенно, то главная погрешность преобразования в двухтактном интегрирующем преобразователе будет определяться стабильностью образцового напряжения, подаваемого на вход интегратора во втором такте.