Преобразования напряжения

Как известно из курса физики, при движении замкнутого проводящего контура относительно магнитного поля возникает механическая сила (момент), препятствующая этому движению. Тормозящая сила создается в результате взаимодействия магнитного поля и индуктированного в контуре тока. Следовательно, при Л4п.Дв > 0 в статорной обмотке синхронного генератора должен возникнуть ток, активная составляющая которого пропорциональна скорости преобразования механической энергии в электрическую. Скорость необратимого преобразования энергии в электрической цепи характеризуется активной мощностью. Следовательно, регулируя момент первичного двигателя, можно изменять активную мощность синхронного генератора. Более подробно этот вопрос рассмотрен в § 20.11.

Поэтому роторы генератора и его первичного двигателя вращаются с неизменной скоростью, независимо от нагрузки. При регулировании момента первичного двигателя скорость вращения остается неизменной, но изменяется скорость преобразования механической энергии в электрическую, т. е. активная мощность и активная составляющая тока генератора.

Электродинамические накопители (ЭДН) в общем случае содержат накопитель кинетической энергии и электромеханический генератор и сочетают в себе преимущества механических накопителей энергии, связанные с высокой плотностью запасаемой энергии при малых потерях на ее удержание, и электромеханических генераторов, отличающихся высоким КПД процесса преобразования механической энергии в электрическую. Конструктивно эти два узла совмещают в одно целое, и тогда подвижная часть ЭДН является накопителем кинетической энергии и ротором электромеханического генератора. Возникшие на базе ударных генераторов синхронного типа [5.1; 5.7; 6.1 ] ЭДН получили развитие благодаря способности генерировать периодический однонаправленный ток без дополнительного преобразования электроэнергии.

Отношение геометрических размеров D/д само по себе не характеризует степени сжатия магнитного потока в переходном режиме, так как поток может занимать пространство вне зоны, ограниченной немагнитным зазором 8. Более важным является отношение Z)/(S + 28n), где 5П — глубина проникновения магнитного потока в пазовое пространство в переходном режиме. В отсутствие экранов или других средств вытеснения магнитного потока в зазор 8 сжатие потока не происходит, что определяет наихудшую эффективность преобразования механической энергии в электрическую (кривая 1, 6.34, а). Наличие экранов интенсифицирует процесс преобразования энергии уже на первом максимуме (0 = л/2). Увеличение электропроводности алюминия за счет его охлаждения уменьшает глубину проникновения магнитного потока в тело экрана и тем самым увеличивает степень поперечного сжатия магнитного потока. Наибольшая степень сжатия обеспечивается сверхпроводящими экранами.

В настоящее время основным видом таких устройств являются электромеханические генераторы — электрические машины для преобразования механической энергии в электрическую.

На основе этого физического явления создаются и работают устройства для взаимного преобразования механической и электрической энергии(электрические генераторы и двигатели), переда-

Взаимное преобразование механической и электрической энергии. Электромагнитная индукция и силовое действие магнитного поля на проводник с током используется для преобразования механической энергии в электрическую, а также электрической энергии в механическую. Такие преобразования энергии происходят в электрических машинах, устройство, характеристики, режимы работы которых изложены в гл. 8 — 9. Здесь же рассмотрим

принципы взаимного преобразования механической и электрической энергии, используя ту же схему на 3.23.

Физическую основу работы электрических машин всех типов составляют электромагнитные явления: силовое действие магнитного поля и электромагнитная индукция. В § 3.6 показаны принципиальные возможности взаимного преобразования механической и электрической энергий. Эти возможности в промышленных масштабах реализуют посредством электрических машин.

Для преобразования механической энергии в электрическую служат электрогенераторы, а электрической энергии в механическую — электродвигатели.

1. Общие сведения. Электрические машины постоянного тока служат для преобразования механической энергии в электрическую и для обратного преобразования электрической энергии в механическую. Машины, преобразующие механическую энергию в электрическую, называются генераторами. Они приводятся во вращение первичными двигателями и предназначены для питания разнообразных приемников электрической энергии. Машины, преобразующие электрическую энергию в механическую, называются электродвигателями и служат для приведения в движение разнообразных машин и станков. Работа электрических машин основана на главнейших законах электромагнетизма, а именно на законе электромагнитной индукции

где U0- — напряжение холостого хода генератора (до вентильной схемы), kv, kj — коэффициенты преобразования напряжения и тока вентильной схемой; Хл — синхронное индуктивное сопротивление базового генератора по продольной оси; ^ = kRXd('a — постоянная времени; kR = ku/k,.

Рассмотрим аналоговые электронные вольтметры. Вольтметры постоянного напряжения имеют структурную схему, представленную на 10.5. С помощью входного делителя напряжения устанавливают пределы измерения. Усиленное усилителем постоянного тока (УПТ) напряжение поступает на аналоговый индикатор. Входной делитель коммутируется переключателем, выведенным на переднюю панель прибора. В УПТ предусматривают меры для уменьшения дрейфа нуля; кроме усиления УПТ выполняет функцию согласования высокого входного сопротивления делителя напряжения с низким сопротивлением стрелочного индикатора. У вольтметров с высокой чувствительностью УПТ выполняют по схеме преобразования напряжения с отрицательной обратной связью, охватывающей весь УПТ. В этом случае входной делитель отсутствует, а изменение пределов измерения производят ступенчатым изменением коэффициента усиления УПТ. Входное напряжение поступает непосредственно на преобразователь УПТ.

2. Для передачи электроэнергии на большие расстояния напряжение на входе ЛЭП повышают в несколько раз по сравнению с генераторным напряжением. Для этого на электростанциях устанавливают повышающие трансформаторы. В чем состоит смысл такого преобразования напряжения?

Основной принцип передачи изображений по радио хорошо известен. Сначала производят построчное преобразование яркости изображения в электрическое напряжение, затем им модулируют несущее колебание, а в телевизионном приемнике осуществляют обратный процесс преобразования напряжения в яркость свечения экрана приемной трубки.

Трансформатор используется для преобразования напряжения VI в нaпpяжeниeV2.

Поскольку аргументы /Ь&з в (7.7) не влияют на принцип действия реле, преобразование тока и напряжения выполняется наиболее простым образом: для преобразования тока применяется трансреактор или нагруженный на резистор трансформатор тока, а для преобразования напряжения — трансформатор напряжения.

Трансформаторы. Широкое распространение переменного тока в электроэнергетике обусловлено возможностью получения наиболее простых конструкций электрических машин, работа которых основывается на наведении ЭДС переменным магнитным потоком. Еще одно преимущество переменного тока— простота преобразования напряжения, что важно для передачи электричееской энергии на расстояние. Изменение напряжения и тока производится в трансформаторах.

и потребители электроэнергии] — электрической системой. В качестве примера на 3.1 приведена схема электроэнергетической системы. Если напряжение генераторов теплоэлектроцентрали (ТЭЦ) составляет 6—20 кВ, то экономически целесообразно снабжать электроэнергией на указанном напряжении потребителей, расположенных вблизи такой ТЭЦ. Для электроснабжения потребителей, удаленных на значительные расстояния, и для связи ТЭЦ с энергетической системой применяют напряжения выше генераторного. С этой целью на ТЭЦ (гидростанциях ГЭС-1 и ГЭС-2 и тепловых районных электростанциях ГРЭС-1 и ГРЭС-2) устанавливают трансформаторы для повышения генераторного напряжения до 110—150 кВ. Трансформаторные районные подстанции п/ст! — п/ст4 и узловые распределительные подстанции УРП1—УРП4 предназначены для преобразования напряжения и связи отдельных частей системы и питания мощных потребителей, а трансформаторные подстанции ТП — для питания потребителей меньшей мощности, расположенных вблизи районных подстанций.

Пилообразное напряжение используется в ряде импульсных устройств, например в схемах точного измерения времени, радиолокационных индикаторах, телевизионных ЭЛТ для получения временной развертки луча, а также для преобразования напряжения во временной интервал.

Трансформаторы широко применяют для преобразования напряжения: в системах передачи и распределения электрической энергии (силовые трансформаторы), выпрямительных установках, устройствах связи, автоматики и вычислительной техники, а также при электрических измерениях (измерительные трансформаторы) и функциональных преобразованиях (поворотные трансформаторы).

Назначение и области применения. Трансформаторы в основном служат для преобразования напряжения переменного тока. Существуют также трансформаторы для самых разнообразных преобразований переменного тока в промышленных установках, измерительных^ цепях, в устройствах радио, автоматики и телемеханики. В зависи-" мости от мощности, напряжения и назначения меняются конструкция и требования, предъявляемые к трансформаторам. В настоящей книге наибольшее внимание будет уделено силовым трансформаторам, устанавливаемым в начале и конце линий электропередач, на заводах, промышленных предприятиях, преобразовательных, железнодорожных и других подстанциях и т. д. Такие трансформаторы строятся на мощности от единиц до нескольких сотен тысяч киловольт-ампер.