Нелинейной нагрузкой

4. Исследование сложной нелинейной магнитной цепи при наличии и отсутствии в ней воздушного зазора.

Для расчета электромагнитной силы (ЭМС)/7, действующей на выделенный объем V нелинейной магнитной системы, теория электромагнетизма предлагает следующие три способа.

Здесь AWg — приращение магнитной коэнергии нелинейной магнитной системы при перемещении выделенного объема V на расстояние At/в условиях постоянства токов всех возбуждающих контуров (ih ----- const, k ? 1, 2, ..., N); &Wq — приращение магнитной энергии нелинейной магнитной системы при перемещении выделенного объема V на расстояние Ас/ в условиях постоянства потоков, сцепленных со всеми возбуждающими контурами (ФА -= const, k 6 1, 2, ..., N); N — общее количество возбуждающих контуров нелинейной системы, включая контуры вихревых токов.

в нелинейной магнитной системе

Рассмотрим преобразование энергии, которое происходит в нелинейной магнитной системе, описанной в 1.1. Математические модели магнитного поля такой системы пригодны для воспроизведения электромагнитных процессов, которые происходят в любых электромагнитных или электромеханических преобразователях энергии индуктивного типа (электрических машинах, трансформаторах, реакторах, электромагнитных аппаратах, магнитных подшипниках и т. п.). В общем случае такая нелинейная магнитная система состоит из нескольких ферромагнитных тел, окруженных магнитно-линейной или нелинейной средой (газом, немагнитной или магнитной жидкостью). Магнитное поле в этой системе возбуждается N контурами с индексами k ? 1,2, ..., N, закрепленными на неподвижной или подвижной части системы. Контур с током ih = ih (t) питается от сети с напряжением uh = uh (t).

и, учитывая (1.18) и (1.19), получить уравнение электромеханического преобразования энергии в нелинейной магнитной системе

Полную магнитную энергию нелинейной магнитной цепи можно выразить по (1.37) как в виде суммы энергий, приходящихся на долю реальных возбуждающих электрических контуров,

печивается только при весьма высокой точности численного расчета потоков Ф„ и Ф" с погрешностью в„ < 0,00025. Такую маленькую погрешность для потоков нельзя получить известными численными методами расчета поля (МКР и МКЭ), которые могли бы быть использованы при перемещении в условиях ih == const. Определить токи или потоки со столь высокой точностью удается только при использовании численных методов расчета цепей. Для этого необходимо рассчитать поле нелинейной системы в исходном положении (до перемещения), перейти к линейной модели системы, составить ее эквивалентную магнитную цепь, записать систему линейных уравнений для этой цепи (см. § 1 .5 и П2) и решить эти уравнения относительно токов или потоков дважды: для магнитных сопротивлений ветвей в исходном положении, определяя Фь при ih = const или ih при ФЛ = const, и для магнитных сопротивлений ветвей после перемещения, определяя Ф" при ih = const и г" при ФЛ = const. 2.4.3. Применение метода для численного расчета полной силы и полного момента, действующих на выделенный объем нелинейной магнитной системы. Чтобы определить энергетическим методом полную силу F — nxFx -г naFH -г nzF2 и полный момент N — nxN х - п UN у-г nzNz, действующие на выделенный объем системы, необходимо найти каждую из компонент F и ЛЛ Для определения компоненты полной силы Fq -- nqF4 (q ? х, у, z) необходимо произвести линейное перемещение выделенного объема на расстояние Л7 = nq\ в направлении единичного вектора пч по координате q, найти соответствующие приращения энергии AWg по (2.6) или ко-энергии Д11% по (2.15) и воспользоваться формулами (2.3) или (2.13):

Предположим, что нам известна схема магнитной цепи, эквивалентной заданной нелинейной магнитной системе (например, схема по 1.15), и требуется найти обобщенную электромагнитную силу Dq, которая действует на некоторую часть системы в направлении. изменения координаты q, определяющей положение этой части. Кроме порядка соединения ветвей в схеме, включащей Q ветвей, известно также расположение возбуждающих электрических контуров и их общее количество N. Заданными считаются:

Приступая к доказательству, начнем с определения величин, характеризующих магнитное состояние нелинейной магнитной цепи в положении, определяемой координатой q. К этим величинам относятся: потоки Фв, и магнитные напряжения или МДСиВ8 = 1вх всех ветвей цепи, а также (в зависимости от того, что было задано) потоки ФЛ, сцепленные с электрическими контурами (или токи ih в этих контурах).

2. Магнитное поле в нелинейной магнитной системе при заданных токах в контурах ifc и заданном положении q рассчитывают только один раз. В результате расчета определяют магнитные потоки Фв„ и магнитные напряжения ветвей t'BS (после предварительного выделения зон отдельных ветвей).

Схема инвертора (позиция 4.5), построенная на МДП-транзисторах с индуцированным каналом, представляет собой типичную схему с нелинейной нагрузкой. Для передачи информации по цепочке таких инверторов необходимо, чтобы напряжение на выходе закрытого ПЭ, соответствующее логической «1», превышало пороговое напряжение МДП-транзистора (t/i>f/nop), а напряжение на выходе открытого ПЭ, соответствующее логическому «О», было меньше порогового

Схемы инверторов, соответствующие позициям 3.3, 3.4, 4.3, 4.4 табл. 1.1, являются схемами с нелинейной нагрузкой. Для того чтобы инвертор удовлетво- ивих рял условиям работы в схемах с непосредственными связями (/г^1), ширина канала ПЭ должна быть больше ширины канала НЭ, а длина канала ПЭ меньше длины канала НЭ. Передаточная характеристика инвертора приведена на 1.9. Особенностью передаточной характеристики базово- "°Р

При невыполнении этих условий вопрос о КРМ в узле сети с нелинейной нагрузкой решается с применением специальных устройств.

Для вычисления kKC нужно определить уровень напряжения отдельных гармоник, вызываемых нелинейной нагрузкой.

а - инвертор с квазилинейной нагрузкой; б — инвертор с нелинейной нагрузкой

Как следует из выражения (3.33), длительность фронта выключения уменьшается • с увеличением удельной крутизны нагрузочного транзистора. Поэтому при проектировании инвертора с нелинейной нагрузкой геометрические размеры нагрузочного транзистора определяются заданной длительностью фронта импульса. Быстродействие инвертора существенно повышается при работе нагрузочного транзистора в крутой области в. а. х., так как высокое напряжение на затворе ?см>?'„ .„ -+- Ump\ предотвращает запирание нагрузочного транзистора во время переходного процесса.

Передаточные характеристики инвертора с различной нелинейной нагрузкой изображены на 3.29. Наклон передаточной ха-

На 7.43 приведены схемы усилителей мощности. На вход усилителей включен инвертор на транзисторе Т\ с нелинейной нагрузкой Т 2, а на выходе имеется двухтактный усилитель мощности, состоящий из инвертора на Тз и повторителя напряжения на Тф Входным сигналом усилителей мощности является выходной сигнал логического элемента.

По аналогичной структурной схеме построен триггер К178ТР1, входящий в серию К178, отличающийся тем, что в нем используются транзисторные ключи с нелинейной нагрузкой. Это позволяет исключить второй источник питания ЕЗ, однако ценой ухудшения переключательной характеристики триггера и уменьшения его быстродействия.

Таким образом, значительное число потребителей электроэнергии большой мощности подключается к промышленной сети через вентильные преобразователи различных типов. Вентильные преобразователи являются в настоящее время одним из самых распространенных потребителей электрической энергии в сетях, причем их суммарная мощность соизмерима с мощностью сети. Вентильные преобразователи являются нелинейной нагрузкой сети, и их работа сильно влияет на режимы сети и качество электрической энергии.

Во многих электрических сетях и системах вентильные преобразователи являются одним из основных видов нагрузки. Преобразователь является для сети нелинейной нагрузкой, и его работа оказывает влияние на режимы работы сети, особенно если мощности преобразователя и сети соизмеримы. Поэтому при проектировании как электрических сетей, так и вентильных преобразователей необходимо учитывать влияние преобразователей па питающую сеть. Только в этом случае создаются установки с высокими технико-экономическими показателями. Данный вопрос привлекает большое внимание как специалистов в области электроэнергетики и электротехники, так и разработчиков преобразовательных устройств и требует их совместной работы.