73564

Кола синусоїдного змінного струму з взаємною індуктивністю

Лекция

Физика

Магнітне поле – це невідємна складова частина електромагнітного поля, що виникає при русі електричних зарядів в просторі або в провідниках у вигляді електричного струму (постійного чи змінного), а також у вигляді молекулярних струмів в постійних магнітах.

Украинкский

2014-12-18

688 KB

2 чел.

Л. 16 Кола синусоїдного змінного струму з взаємною індуктивністю.

(Л.1, с.95…106)

                                       Навчальні питання

         1. Загальні відомості про магнітне поле кола.

        2.Індуктивно зв’язані елементи електричного кола з взаємною

             індуктивністю при їх послідовному з’єднанні .

         

         3. Паралельне з’єднання індуктивно- зв’язаних елементів.

         4. Передавання електроенергії в колах з взаємною індуктивністю                            

             за допомогою трансформаторів.

1. Загальні відомості про магнітне поле електричних кіл.

1.1. Магнітне поле – це невідємна складова частина електромагнітного поля, що виникає при русі електричних зарядів в просторі або в провідниках у вигляді електричного струму (постійного чи змінного), а також у вигляді молекулярних струмів в постійних магнітах. В електричних  колах синусоїдного змінного струму магнітне поле виникає навколо провідників зі струмом, а його напрямок визначається за правилом буравчика (свердлика). Але магнітне поле, що виникає навколо провідників електричного кола, має незначну величину параметрів і, як правило, при розрахунках кіл не враховуються. Більш потужне магнітне поле створюється в електричних  колах синусоїдного змінного струму при наявності котушок індуктивності, які одночасно являють собою джерела магнітного поля та реактивні опори індуктивного характеру.

1.2. Основні параметри магнітного поля.

Основними параметрами магнітного поля є наступні величини:

  1.  Магнітна проникність середовища або матеріалу:

а) абсолютна магнітна проникність:                            (1)

де  - абсолютна магнітна проникність вакума (або повітря), так звана магнітна стала;

б) відносна проникність:                                                          (2)

2) Магнітна сила взаємодії між провідниками:

                     (3)

де відстань між провідниками; - довжина провідників;

- величина струму у провідниках.

3) Магнітна індукція поля:

                                   (4)

де - магнітна сила, ; - довжина провідника;

- величина струму; - площина перетину магнітного потоку;

4) Магнітний потік:

                                                        (5)

5) Індуктивність:

                                                                     (6)

6) Магнітна енергія:

                                                        (7)

7) Напруженість магнітного поля:

                                                                    (8)

8) Магнітна напруга:

, де - довжина ділянки магнітного кола;        (9)

9) Магніторушійна сила (МРС)

де - кількість витків котушки;                                  (10)

10) Магнітний опір                                       (11)                                      де довжина і площа перетину магнітопроводу.

11) Закон Ома для магнітного кола:

                                            (12)         

де - величина струму у витках котушки індуктивності,     

магнітний опір.

         2.Індуктивно зв’язані елементи електричного кола з взаємною

             індуктивністю при їх послідовному з’єднанні .

         

2.1. Визначення. Індуктивно зв’язаними елементами (ІЗЕ) називаються такі елементи кола, в яких зміна струму в одному елементі призводить до появи ЕРС в іншому. Тому цю ЕРС називають ЕРС взаємної індукції. Розглянемо схему таких елементів:                           

 

Рис. 2.1. Схема індуктивно зв’язаних елементів.

  1.  Якщо в першому елементі проходить струм  то він створює магнітний потік , де  зчіплюється тільки з , а із  і
  2.  Перша складова магнітного потоку разом з другою складають сумарний потік  що наводить в першому елементі ЕРС самоіндукції:                                              (2.1)
  3.  Друга складова магнітного потоку  наводить в другому елементі ЕРС взаємоіндукції:       де     (2.2)

               взаємна індуктивність елементів,

  1.  Ступінь індуктивного зв’язку 2 елементів кола визначається коефіцієнтом зв’язку :                                   (2.3)

де  і  - індуктивності елементів.

Послідовне з’єднання індуктивно-зв’язаних елементів може бути згідним або зустрічним .

2.2. Згідно- послідовне з’єднання ІЗЕ.

Схема заміщення такого зєднання індуктивно-зв’язаних елементів надана на рис. 2.2.

 

Рис. 2.2. Схема згідно- послідовного з’єднання ІЗЕ.

Сутність процесів в колі при  згідно- послідовному з’єднанні ІЗЕ

полягає в наступному:

1) При протіканні струму по виткам  першого індуктивного елементу створюється магнітний потік  складові якого викликають утворення в першому ІЗЕ () ЕРС самоіндукції,  а в другому – ЕРС взаємоіндукції  що дорівнюють:

та  де                 (2.4)

Крім того, в першому елементі відбувається спад напруги на активному опорі  

2) При проходженні струму по другому індуктивно-звязаному елементу в ньому аналогічно створюється магнітний потік та потокозчеплення  при цьому також утворюються ЕРС:

- самоіндукції                                                (2.5)

- взаємоіндукції                                               (2.6)

                             де                                      (2.7)

а також падіння напруги на активному опорі    

3) Згідно 2 закону Кірхгофа в колі має місце рівняння:

або

         (2.8)

де  еквівалентний активний опір згідно з’єднаних індуктивно зв’язаних елементів (ІЗЕ);

еквівалентна індуктивність при послідовному згідному       з’єднанні ІЗЕ.                                                                                                             (2.9)

Рівняння 2.8 в комплексній формі має вигляд:

                        (2.10)

4) Векторна діаграма струму і напруг для послідовного згідного з’єднання має вигляд:

Рис. 2.3. Векторна діаграма струму і напруг при послідовному згідному з’єднанні індуктивно- зв’язаних елементів.

2.3. Зустрічно- послідовне з’єднання ІЗЕ.

1) Схема послідовного з’єднання при зустрічному з’єднанні ІЗЕ має вигляд:

 

Рис. 2.4. Схема зустрічно- послідовного з’єднання ІЗЕ.

  1.  Враховуючи протилежні напрямки струмів в індуктивних елементах зміниться на протилежний напрямок взаємної індуктивності елементів. Тоді рівняння еквівалентної індуктивності при зустрічному з’єднанні прийме вигляд:

                                                                             (2.11)

Відповідно рівняння комплексу напруги кола дорівнює:

          (2.12)

3) Векторна діаграма для зустрічного з’єднання прийме вигляд:

 

Рис. 2.5. Векторна діаграма струму і напруг при послідовному зустрічному з’єднанні індуктивно- зв’язаних елементів.

3. Паралельне з’єднання індуктивно- зв’язаних елементів.

3.1. Схема заміщення цього з’єднання надана на рис.3.1.

 

Рис. 3.1. Схема паралельного з’єднання ІЗЕ.

1) перша вітка:                                (2.13)

2) друга вітка:                              (2.14)

де  

2.3.2. Визначимо струми у вітках матричним методом:

  1.  Складемо системи рівнянь у матричному вигляді:

   або   

тоді  

  1.  Визначимо струми за рівняннями Крамера:

                                      (2.15)

3) Із рівнянь (2.15) отримаємо:

або

а         (2.16)

Тоді  а при    

4. Передавання електроенергії в колах з взаємною індуктивністю за             допомогою трансформаторів.

4.1. Як відомо, в електротехнічних системах широко застосовується передача електроенергії з одного контуру в інший за рахунок електромагнітної індукції, що здійснюється за допомогою спеціальних електромагнітних апаратів, які називаються трансформаторами.

Перші  трансформатори  були  створені  видатними   російськими   вченими: однофазний   -   П.М. Яблочковим  у  1876р. , а трифазний –               М.О. Доліво–Добровольським   у  1890р.

Трансформатор являє собою електромагнітний апарат, що складається в загальному випадку із двох магніто- зв’язаних , але електрично роз’єднаних обмоток, первинної та вторинної, за допомогою яких здійснюється перетворення параметрів електроенергії змінного струму та її безконтактна передача від одного контуру до іншого при постійній частоті.

Первинна обмотка, до якої підводиться електроенергія, першого контуру, має  кількість витків, а вторинна, до якої під’єднується споживач  іншого контуру, має  кількість витків. Магнітний зв'язок первинної та вторинної обмоток здійснюється за допомогою магнітного потоку , що створюється в первинній обмотці при проходженні по ній змінного струму першого контуру.

Цей магнітний потік, як було показано вище, дорівнює:

де МРС первинної обмотки.

Як видно, магнітний потік залежить від магнітного опору середовища . Для зменшення магнітного опору застосовують спеціальні магнітопроводи із феромагнітних матеріалів (електротехнічних сталей) в силових трансформаторах. Малопотужні трансформатори зв’язку виконуються без магнітопроводу (без осердя), а магнітний потік  в них передається через повітря, тому вони називаються повітряними трансформаторами.

4.2. Принцип дії трансформатора.

Принцип дії трансформатора полягає на використанні явища взаємної електромагнітної індукції магніто-зв’язаних обмоток, при якому змінний струм первинної обмотки створює змінний магнітний потік , що впливає на обидві обмотки та індукується ЕРС : взаємоіндукції у вторинній, а самоіндукції у первинній обмотках, причому величини цих ЕРС прямо пропорційно залежать від кількості витків обмоток, співвідношення яких визначає коефіцієнт трансформації.

Згідно цьому принципу змінний магнітний потік , що створюється в первинній обмотці, є засобом передачі електроенергії від первинної до вторинної обмотки, в яких індукується ЕРС самоіндукції та взаємоіндукції, що дорівнюють:

                             (4.1)

де  - діючі значення ЕРС і напруг.

Враховуючи, що потужність енергії передається без втрат, тобто існує баланс потужностей маємо наступне рівняння:  тоді коефіцієнт трансформації буде дорівнювати:

                                    (4.2)

Із рівняння (3.2) очевидно, що якщо трансформатор підвищує напругу, то при цьому він знижує величину струму (і навпаки), забезпечити баланс потужностей при передачі електроенергії від одного контуру до іншого.

4.3. Розрахунок повітряного трансформатора.

4.3.1. Розглянемо розрахункову схему повітряного трансформатора, як електричне коло з індуктивно зв’язаними елементами.

Рис. 4.1. Розрахункова схема повітряного трансформатора.

4.3.2. Запишемо рівняння згідно 2 закону Кірхгофа:

для 1 обмотки:  

для 2 обмотки:  (4.3)

Перепишемо це рівняння в комплексній формі:

                                                                      (4.4)

Приймаючи початкову фазу струму  побудуємо векторну діаграму трансформатора:

Рис. 4.2. Векторна діаграма повітряного  трансформатора.

4.4. Схема заміщення трансформатора.

Схема заміщення трансформатора являє собою електричну схему, яка об’єднує в одній схемі дві схеми: первинної та вторинної обмоток при умові приведення значень параметрів вторинної обмотки і навантаження до первинної обмотки з урахуванням коефіцієнта трансформації Первинні параметри позначаються штрихом і дорівнюють:

В схемі між вузлами і ввімкнуте коло намагнічування, параметри якого  та  визначаються в досвіді холостого ходу.

Рис. 4.3. Схема заміщення трансформатора.

Схема заміщення використовується для розрахунку трансформатора, при якому визначається за даною напругою  величина струму первинної обмотки,  та через коефіцієнт трансформації решта параметрів.

, а                                             (4.5)

Схема заміщення трансформатора значно спрощує процес аналізу його роботи є невід’ємною частиною методики розрахунку.

 

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

23043. Транзистори 88 KB
  Вихідна вольтамперна характеристика ВАХ біполярного транзистора – це залежність величини струму колектора ІК від напруги між колектором та емітером UКЕ при певному струмі бази ІБ або напруги між базою та емітером UБЕ . Вихідна вольтамперна характеристика ВАХ польового транзистора – це залежність величини струму стока ІС від напруги між стоком та витоком UСВ при певній напрузі між затвором та витоком UЗВ . Виконання роботи передбачає використання осцилографа як характериографа з метою одержання на екрані двоканального...
23044. ПІДСИЛЮВАЧІ НА ТРАНЗИСТОРАХ 103 KB
  Він є лише керувальним пристроєм а збільшення потужності сигналу відбувається за рахунок зовнішнього джерела напруги струмом в колі якого й керує транзистор. Характер зміни вхідного сигналу повинен передаватися на вихід без помітних спотворень. Кажуть що має місце інверсія фази сигналу. Як випливає з рівняння ЕберсаМола [1] імпеданс для малого сигналу з боку емітера при фіксованій напрузі на базі дорівнює rе = kT еIк 5 де k – стала Больцмана Т – абсолютна температура е – заряд електрона Iк – струм колектора.
23045. Дешифратори та мультиплексори 1.3 MB
  Це здійснюється аналогічно заданню параметрів елементів схеми за допомогою редактора пробних сигналів Stimulus Editor. Це робиться аналогічно заданню мітки вузла схеми причому в описі шини слід перерахувати через кому мітки усіх вузлів що входять у шину Альтернативна можливість полягає у використанні конструкцій типу BUS[1n] де BUS – ім’я шини BUS[1]BUS[n] – відповідні мітки вузлів. Пакет OrCAD дозволяє провести суто цифрове моделювання для даного вузла схеми якщо до цього вузла під’єднані лише цифрові входи та виходи. Зазначимо що...
23046. Тригери 1.45 MB
  1 зображено схему найпростішого RSтригера на елементах 2ІНЕ серії 74 із зворотнім зв’язком. Встановлення тригера в 10 відбувається при подачі нуля на NSNR при цьому протилежний вхід повинен бути встановлений в одиницю. Подача двох нулів є забороненою комбінацією при якій стан тригера буде невизначеним. Для даної схеми тригера доцільно у початковий момент встановити режим зберігання інформації потім у деякий момент подати імпульс встановлення 1 потім імпульс встановлення 0 після цього знову використати режим зберігання і нарешті...
23047. Регістри та лічильники 1.83 MB
  Виведіть графік залежності вхідних Reset Shift Info та вихідних Q0Q2 цифрових сигналів регістра від часу та поясніть ці залежності. Виведіть відповідні графіки для вхідних та вихідних сигналів та поясніть ці залежності. Джерела пробних сигналів підберіть таким чином щоб регістр послідовно виконав операції: а паралельного запису числа 0101; б перетворення цього числа на послідовний код; в послідовного запису числа 1010; Проведіть моделювання для цієї схеми. Виведіть відповідні графіки для вхідних та вихідних сигналів та поясніть ці...
23048. Імпульсні цифрові схеми 2.62 MB
  Формувачі імпульсів. 1 зображено схему формувача імпульсів на логічних елементах ІНЕ. 1 Недоліком цієї схеми є те що для формування імпульсів досить великої тривалості потрібно використати велику кількість логічних елементв. 2 Для формування імпульсів з синусоїдальної напруги часто застосовується тригер Шмітта рис.
23049. Схеми на операційних підсилювачах. Інвертуюче увімкнення ОП 2.04 MB
  Завдяки своєму високим коефіцієнту підсилення та вхідному опору а також низькому опору вихідному операційні підсилювачі ОП дуже широко застосовуються у схемотехніці особливо в мішаних аналоговоцифрових схемах. Додавши до ОП коло зворотнього звязку можна отримати підсилювач практично з будьяким коефіцієнтом підсилення. Коефіцієнт підсилення такої схеми у межах лінійності ОП рівний Rc Rin. Параметри ОП дозволяють добирати Rc та Rin у широкому діапазоні опорів отримуючи різні коефіцієнти підсилення.
23050. Цифро-аналогові перетворювачі 1.33 MB
  1 зображено схему 4розрядного ЦАП. 1 Лічильник U3A та пробні джерела складають тестову схему яка послідовно подає на вхід ЦАП цифрові коди від 0 0000 до 15 1111. Зростаючий код на виході ЦАП буде перетворюватися на лінійно зростаючу напругу. 2 зображено схему дослідження 8розрядного інтегрального ЦАП.
23051. Ознайомлення з основними можливостями пакета програм автоматизованого проектування електронних схем MicroSim PSPICE 8.0 1.35 MB
  Система автоматизованого проектування MicroSim PSPICE використовує один з найбільш вдалих кодів схемотехнічного моделювання SPICE Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis який був розроблений на початку 70х років фахівцями Каліфорнійського університету США. Фактично зазначений код став стандартним для моделювання електронних схем і застосовується також у інших відомих системах моделювання схем зокрема MicroCap а вхідний формат мови завдань SPICE підтримується практично усіма пакетами автоматизованого проектування електронних...