Напредни електромагнетизам и електромагнетна индукција

Објавен огласот за бесплатни курсеви за напредни ИТ вештини за невработените до 29 години (Може 2019).

$config[ads_text] not found
Anonim

Напредни електромагнетизам и електромагнетна индукција

АЦ електрични кругови


Питање 1


∫ф (к) дк Упозорење о прорачуну!


Електронски кругови претварања енергије познати као претварачи претварају ДЦ у АЦ помоћу транзисторских прекидачких елемената да повремено упоређују поларитет ДЦ напона. Уобичајено, инвертери такође повећавају напонски ниво улазне снаге примјеном прекидачког ДЦ напона на примарну намотавање степ-уп трансформатора. Може се сматрати да је претварачна електроника претварача сродна двоструком, двоструки прекидач се преусмерава више пута у секунди:

Први комерцијално доступни инвертори су произвели једноставан квадратни таласни излаз:

Међутим, то је проузроковало проблеме за већину трансформатора снаге дизајнираних за рад на сине-таласном АЦ напајању. Када се напаја квадратним таласним излазом таквог претварача, већина трансформатора би засићила због превеликог магнетног флукса који се акумулира у језгру на одређеним точкама циклуса таласа. Да би то описали у најједноставнијим терминима, квадратни талас поседује већи волт-други производ него синусни талас са истом максималном амплитудом и основном фреквенцијом.

Овај проблем се може избјећи смањењем вршног напона квадратног таласа, али онда би неке врсте погонске опреме имале потешкоће због недовољног (максималног) напона:

Радно решење ове дилеме испоставило се да је модификовани радни циклус квадратног таласа:

Израчунајте фракцију полу-циклуса за који је овај модификовани квадратни талас "укључен", да би се исти волт-други производ могао користити као синусни талас за један пол циклус (од 0 до π радијана):

Напомена: питање је израчунавања одговарајућих области испод сваког облика таласа у домену полу-циклуса.

Открити одговор Сакриј одговор

Фракција = (2 / (π)) ≈ 0, 637

Цхалленге питање: доказати да је фракција дужинског циклуса неопходна да квадратни талас има исту РМС вредност као синусни талас тачно 1/2 . Напомена: производ волт-квадрат-другог од два таласна облика мора бити једнак за њихове РМС вриједности једнаке!

Напомене:

Овај проблем је сјајан пример како се интеграција користи у веома практичном смислу. Чак и ако ваши ученици нису упознати са рачунаром, они би требали барем бити у могућности да схвате концепт једнаких волт-секундарних производа за двије таласне облике и да то могу повезати са количином магнетног флукса који се акумулира у језгру трансформатора током читавог циклуса .

Питање 2

Електрични арц заваривач је уређај за претварање снаге, који се користи за корачни напон напајања (обично 240 или 480 волти АЦ) до ниског напона и обратно повећава струју (до 100 ампера или више), како би се стварао веома врући лок користи се за заваривање металних делова заједно:

Најједноставнији дизајн арматурних заваривача није ништа више од великог трансформатора који се спуштају. Да би се постигли различити енергетски интензитети за заваривање различитих дебљина метала, неки од ових заваривача су опремљени славинама на секундарном намотају:

Неки дизајнирани арматурни заваривачи постижу континуирану варијабилност померањем магнетног ßхунт-а у и из структуре језгра трансформатора:

Објасните како овај шунт ради. На који начин је потребно померити како би повећао интензитет лука заваривања "# 2"> Открити одговор Сакри одговор

Како се шанта извлачи далеко од језгре (горе, на илустрацији), интензитет лука заваривања се повећава.

Питање изазов: зашто не би била добра идеја да се постигне исту континуо варијаблу електричну контролу промјеном отпорности (ℜ) магнетног кола трансформатора, овако?

Напомене:

Ово питање илуструје примену фактора спајања (к) између узајамних индуктивних индуктора. Постоји неколико предности контроле излаза на арку заваривача на овај начин, у поређењу са коришћењем славина за навијање, па обавезно дискутирајте о томе са својим ученицима.

Што се тиче изазовног питања, контрола излаза трансформатора на овај начин би такође утицала на магнетизирајућу индукцију примарног намотаја, што би имало штетне ефекте при ниским поставкама (шта би се догодило са "струјањем" струје примарног намотаја с обзиром на смањење његове индуктивности "ворксхеетпанел панел панел-дефаулт" итемсцопе>

Питање 3

Већина "звучног" звука емитованог од неформираног трансформатора долази због ефекта познатог као магнетострикција . Какав је то ефекат, тачно?

Открити одговор Сакриј одговор

"Магнетострикција" је физички напон (контракција или експанзија) материјала када се подвргне магнетном пољу.

Напомене:

Питајте своје ученике да ли су открили да ли магнетостриктивни материјали обично раде или проширују применом магнетског поља. Одговор на ово питање је прилично изненађујући!

Питање 4


∫ф (к) дк Упозорење о прорачуну!


Шта би се десило са магнетним флуксом унутар индуктор индукционог ваздуха израђеног од суперпреводне жице (без икаквог електричног отпора), уколико би се константни ДЦ напон применио на тај завој? Запамтите, ово је идеалан сценарио, где је једина математичка функција која описује резултујући флукс онај који повезује магнетни флукс са напоном и временом!

Открити одговор Сакриј одговор

У идеалном случају, флукс би временом порасао са нуле линеарно.

Питање о следећем питању: шта би се десило са индукционим гвозденим језгром, са истом жицом са ниском резистенцијом?

Напомене:

Разговарајте са ученицима зашто се флукс повећава линеарно, како је описано Фарадаиовим Законом о електромагнетној индукцији. Када дискутујете о сценарију језгре, обавезно наведите магнетску засићеност ако ваши ученици то нису сматрали!

Питање 5


∫ф (к) дк Упозорење о прорачуну!


Планирају магнетни флукс (Φ) током времена у језгру идеалног трансформатора, имајући у виду квадратни таласни напон примењен на примарни намотај:

Напомена: Излазни напон (мерен на секундарном лијевању) такође ће бити квадратни талас, савршено у фази са изворним (примарним) напоном.

Открити одговор Сакриј одговор

Напомене:

Да ли ученици повезују једначину Е Л = Н ((д φ) / дт) са овим проблемом, расправљајући о облику таласног флукса у смислу брзине промјене током времена.

Питање 6


∫ф (к) дк Упозорење о прорачуну!


Планирају магнетни флукс (Φ) током времена у језгру идеалног трансформатора, имајући у виду квадратни таласни напон примењен на примарни намотај:

Напомена: Излазни напон (мерен на секундарном лијевању) такође ће бити квадратни талас, савршено у фази са изворним (примарним) напоном.

Открити одговор Сакриј одговор

Напомене:

Да ли ученици повезују једначину Е Л = Н ((д φ) / дт) са овим проблемом, расправљајући о облику таласног флукса у смислу брзине промјене током времена.

Питање 7


∫ф (к) дк Упозорење о прорачуну!


Планирају магнетни флукс (Φ) током времена у језгру идеалног трансформатора, имајући у виду квадратни таласни напон примењен на примарни намотај:

Важно: обратите пажњу на тачку у тренутку када је извор квадратних таласа напуњен. Први импулс примијењеног напона примарном намотају није пуно трајање!

Открити одговор Сакриј одговор

Следеће питање: објасните зашто је таласни облик флукса симетричан у односу на нулту линију (савршено уравнотежена између позитивних и негативних полукружака) у овом конкретном сценарију. Како би се ова ситуација разликовала уколико је извор напона квадратног таласа напуњен у нешто другачијем тренутку у тренутку "белешке скривене"> Напомене:

Да ли ученици повезују једначину Е Л = Н ((д φ) / дт) са овим проблемом, расправљајући о облику таласног флукса у смислу брзине промјене током времена.

Питање 8

Повер трансформатори могу "нагињати" када су иницијално повезани са извора напона наизменичног напона, чиме се у кратком времену извлачи неколико пута њихова називна примарна струја. Овај утикач струје је обично чудан, поготово ако је трансформатор велика јединица за дистрибуцију електричне енергије, а ви се сјећате поред њега!

У почетку, овај феномен може изгледати контрадикторно, на основу вашег знања о томе како индукције реагују на пролазни ДЦ напон (у почетку је нула струја, онда струја гради асимптотски до максималне вриједности). Заиста, чак и са АЦ-ом, природа индуктивности је да се супротстави струји напуштањем напона (стварајући контра-ЕМФ ). Па зашто би онда истоварени трансформатор извукао велику струју приликом првобитног повезивања на извор напона АЦ?

Напомена: трансформатор неће увек напунити када је први прикључен на извор напона. Заправо, ако бисте отварали и затворили прекидач за искључивање, који је напајао примарни намотај снаге трансформатора, нашли бисте да је феномен пренапона скоро случајан: у неким случајевима не би било напона када бисте затворили прекидач, а други пут би било (у различитом степену) када је прекидач затворен.

Открити одговор Сакриј одговор

Највише се претвори у трансформатор, ако се прекидач затвори у тачно тренутку када таласни таласни трансформатор прелази нула волта. Уопште неће убрзати ако се прекидач затвара тачно на једном од врхова напона АЦ (било позитивних или негативних).

Напомене:

Ово је сложено питање за одговор. Потпуно објашњење ефекта "пренапона" захтијева кориштење рачунала (интегрирање напонског таласа у времену) како би се објаснила магнитуда магнетског флукса у језгру трансформатора и како се то приближава засићености током пренапона.

Упркос високом математичком природом питања, то је врло практичан. Ако и када ваши ученици направе АЦ-ДЦ напојне јединице, могу утврдити да осигурач у серији са примарним намотавањем трансформатора повремено удари када се напаја, иако је напајање истовремено истоварено и упркос чињеници да је осигурач не пали када је напајање потпуно напуњено. Шта узрокује ово случајно пражњење осигурача? Трансформер сурге!

Питање 9

Претпоставимо да сте тестирали овај степени низ трансформатор, померајући селекторски прекидач између различитих положаја и мерење излазног напона трансформатора на свакој позицији прекидача:

Приметите нешто чудно: када се прекидач помери у позицију која производи највећи излазни напон, трансформатор звучно "зује". То не ствара приметне буке на било којој другој позицији прекидача. Зашто се то дешава "# 9"> Откриј одговор Сакриј одговор

Језгро трансформатора се засићује када је прекидач у једној позицији. Ово објашњава и буку и грејање.

Напомене:

Разговарајте са ученицима зашто језгро трансформатора засићује само у тој једној позицији прекидача. Зашто не у било ком другом положају прекидача?

У не-уграђеном трансформатору, које стање (с) доводи до засићења језгра? Како се ово односи на сценарио који је овде приказан помоћу изабраног трансформатора?

Идеално је да кругови енергетског трансформатора треба да буду дизајнирани да би се избегло засићење језгра, али ово није увијек случај у јефтиним дизајном. Некада сам наишао на трансформирани трансформатор, слично оном приказаном на дијаграму, из аутоматског пуњача батерија који је деловао овако. Био је то одличан пример за моје ученике да осјећају и чују магнетну засићеност.

Питање 10

Позната је чињеница да нелинеарност БХ кривуље феромагнетног материјала узрокује да индукторски струја није синусоидна, чак и када је напон импресиван преко индукторја савршено синусоидан:

Осим ако је отпорност калема значајна, таласни облик једносмерног флукса (φ) током времена ће бити исто тако синусоидан као напонски таласни облик, јер без отпорности на пад напона, однос између напона и флукса је е = Н ((дφ) / дт), брзина промене савршеног синусног вала која је савршени талас косина.

Знајући да ће таласна форма флукса сине бити синусоидална, нам омогућава да из кривине БХ изведемо индуктивни таласни облик помоћу графичког "трика": кориштењем БХ кривуље за корелацију тренутних вриједности флукса током времена са тренутним вриједностима струје калупа током времена. Када се користи на овај начин, крива БХ се назива преносна карактеристика, јер се користи као мапа за "пренос" тачака на једном таласном облику на тачке на другом таласном облику. Знамо да је φ директно пропорционално Б, јер је Б = ((Φ) / А), а језгро подручје је константно. Такође знамо да сам директно пропорционалан Х, јер

Ф = НИ и Х = (( Ф

) / л), а оба дужина језгра и број обртаја жице су константни:

Обратите пажњу да је таласни облик флукса леп и синусоидан, док тренутни таласни облик није.

На основу онога што видите овде, опишите како дизајн индуктор може да смањи тренутну дисторзију у индуктору. Који услови доводе до бољег поремећаја и који услови погоршавају "# 10"> Открити одговор Сакриј одговор

Кључ за смањење струје дисторзије је одржавање амплитуде флукса језгра унутар равних дијелова кривине БХ језгра. Све што доводи до тога да флукс постигне веће амплитуде и приближити се "засићеном" делу криве БХ, ствараће више изобличења тренутног таласног облика.

Напомене:

Ово питање сам написао у сврху упознавања студената са техником који се најчешће налазе у старијим уџбеницима, али се не налазе у новијим уџбеницима прилично често: графички генерисање парцеле упоређивањем једног таласа према статичкој функцији, у овом случају поређење таласни облик флукса према кривини БХ. Не само да је ова техника корисна у анализи магнетних нелинеарности, али такође добро ради на анализирању нелинеарности полупроводничких кола.

Питање 11


∫ф (к) дк Упозорење о прорачуну!


Фарадаиов закон електромагнетне индукције наводи да је индуковани напон преко жице жице једнак броју "окрета" у намотају помноженој брзином промјене магнетног флукса током времена:

в = Н дφ


дт

Често ћете видети негативни знак који претходи десној страни једначине, да правилно означите поларност индукованог напона. Ово је математички израз Лензовог закона . У овој једначини, негативан знак се изоставља и обратимо пажњу само на апсолутну вредност индукованог напона.

Користите технике рачунања да изразите φ као функцију од в, тако да можемо имати једначину корисну за предвиђање количине магнетног флукса који се акумулира у индуктор или трансформатору с обзиром на напон преко њега (в) и вријеме акумулације (Т) . Напомена: ово можете третирати као диференцијалну једначину са одвојивим варијаблама.

За оне који нису упознати са рачунаром, ипак можете одговорити на ово питање, иако у једноставнијем облику: напишите једначину која описује промјену магнетног флукса унутар вретена (ΔΦ), при чему се константни ДЦ напон преко вијка (В) и одређено време (т).

Открити одговор Сакриј одговор

φ = 1


Н

╥ ╥ Т 0 в дт

Ако је напон константан (В), промена флукса може се израчунати помоћу ове једноставне једначине:

ΔΦ = В т


Н

Напомене:

Чак и ако ученици уопће нису упознати са диференцијалним једначинама, они би требали бити у могућности да стигну до друге (алгебарске) једначине ако правилно схвате како се стопа промјене флукса односи на индуковани напон.

  • ← Претходни радни лист

  • Индек листова

  • Следећи радни лист →