Трансформаторы

Трансформатором называется ста-тическое (без движущихся частей) электромагнитное устройство, предназначенное для преобразования одного переменного напряжения в другое или другие напряжения той же частоты. Имеет не менее двух обмоток, у которых есть общий магнитный поток и которые электрически изолированы друг от друга (за исключением автогенераторов). Для усиления индуктивной связи и снижения вихревых токов в большинстве трансформаторов обмотки размещаются на магнитопроводе, собранном из листовой электротехнической стали. Обмотка трансформатора, соединенная с источником питания называется первичной. Обмотка, к которой подключается потребитель называется вторичной. Параметрами обмоток являются i, , u. В зависимости от способа от способа охлаждения трансформаторы делят на сухие и масляные. В последнем случае выемная часть трансформатора погружается в стальной бак, заполненный маслом. Сухие трансформаторы охлаждаются маслом. В зависимости от соотношения напряжений на первичной и вторичной обмотках ТР делят на повышающие и понижающие.

Принцип действия: Предположим сначала, что цепь вторичной обмотки ТР разомкнута и при действии источника напряжения u₁=e ток в первичной обмотке равен i. Магнитодвижущая сила i₁₁ возбуждает в магнитопроводе магнитный поток, положительное направление которого определяется правилом буравчика. Этот магнитный поток индуктирует в первичной обмотке ЭДС самоиндукции e_L1 и во вторичной обмотке ЭДС взаимной индукции e_M2. После замыкания цепи вторичной обмотки под действием ЭДС взаимной индукции e_M2 в приемнике с сопротивлением нагрузки r_2Н возникнет ток i₂. Схема замещения: В соответствии с законами Кирхгофа ТР в рабочем режиме может быть описан системой из 3-х уравнений: U₁ = –E₁ + I₁(R₁+jX₁)

U₂ = E₂ – I₂(R₂+jX₂)

I₀ = I₁₀ + I₂, где I₁ – ток первичной обмотки, I₂ – ток вторичной обмотки, I₁₀ – ток х.х. первичной обмотки, R₁,R₂ – активные сопротивления обмоток, X₁,X₂ – индуктивные сопротивления обмоток

R₁₀, X₁₀ –сопротивления отображающие потери сердечника, R₂₁, X₂₁ – сопротивление взаимной индукции первичной и вторичной обмоток.

Отношение U₂/U₁E₂/E₁= ₂/₁ = n₂₁ называется коэффициентом трансформации. Режимы работы:

Различают несколько режимов работы ТР, имеющего номинальную мощность S_ном = S_1ном= U_1номI_1ном.

1) Номинальный режим, т.е. режим при номинальных значениях напряжения и тока первичной обмотки. 2) Рабочий режим, при котором напряжение первичной обмотки близко к номинальному значения или равно ему, а ток определяется нагрузкой трансформатора. 3) Режим

холостого хода, т.е. режим ненагруженного ТР, при котором цепь вторичной обмотки разомкнута. 4) режим короткого замыкания ТР, при котором его вторичная обмотка накоротко замкнута (U₂=0).

Опытом холостого хода называется испытание ТР при разомкнутой цепи вторичной обмотки и номинальном первичном напряжении U_1x = U_1ном. На основании этого опыта определяется коэффициент трансформации и мощности потерь в магнитопроводе ТР. Мощность потерь в ТР при холостом ходе складывается из мощности потерь в магнитопроводе и мощности потерь в проводах первичной обмотки (r₁I²_1x). При холоcтом ходе I_1x  I_ном и мощность потерь в проводах ничтожна по сравнению с мощностью потерь в магнитопроводе. Опытом короткого замыкания называется испытание ТР при короткозамкнутой вторичной обмотке и номинальном первичном токе. Этот опыт служит для определения мощности потерь в проводах, внутреннего падения напряжения и т.п. Активное сопротивление короткого замыкания ТР равно r_k = P_1k /I²_1k. Внешняя характеристика ТР определяет зависимость изменения вторичного напряжения U₂ от тока нагрузки I₂ = n₂₁I₁ при постоянном коэффициенте мощности приемника cos ₂ и номинальном первичном напряжении.

В трехфазных цепях используются трехфазные ТР. Массы и габариты трехфазного ТР меньше, чем у однофазных ТР. 1 – трехстержневой сердечник из электротехнической стали и набранный из отдельных листов. На каждом сердечнике размещены первичная и вторичная катушки одной из фаз. 2 – первичная катушка, 3 – вторичная катушка. Эти катушки могут быть соединены треугольником или звездой. Автотрансформатор отличается от обычного ТР тем, что его первичная и вторичные обмотки гальванически связаны (вторичная обмотка является частью первичной). Автотрансформатор применяется на напряжениях до 1000 В и выгоднее обычного трансформатора, если его коэффициент трансформации небольшой. Измерительные ТР служат для включения высоковольтной цепи средств автоматики и измерительных приборов. Применяются два вида: ИТР напряжения и ИТР тока. ИТР напряжения служит для включения приборов, имеющих высокое сопротивление, режим работы близок к х.х. ИТР тока служит для включения низкоомных приборов. Режим работы близок к к.з.

В электромагнитных преобразователях энергии – ТР передача энергии их одной обмотки в другую осуществляется магнитным полем, энергия которого сосредоточена в магнитопроводе. В автотрансформаторах передача энергии осуществляется как магнитным полем, так и за счет электрической связи между первичной и вторичной обмотками. Автотрансформатор отличается от трансформатора тем, что имеет лишь одну обмотку – обмотку высшего напряжения, а обмоткой низшего напряжения служит часть обмотки высшего напряжения. Обмотка высшего напряжения автотрансформатора может быть первичной или вторичной обмоткой аппарата. U₁ 4,44f_m. Магнитный поток индуктирует магнитный поток в каждом витке обмотки ЭДС, практически не зависящую от тока в обмотке. Следовательно, постоянными поддерживаются и напряжения между отдельными частями обмотки. В нем также U₁/U₂ ₁/₂ I₂/I₁. Расчетная полная мощность общей части обмотки автотрансформатора S=U­₂(I₂–I₁) U₂I₂(1-₁/₂). Расчетная полная мощность остальной части обмотки S= I­₁(U₁–U₂) U₁I₁(1-₁/₂) и S S  S_ат. Расчетная полная мощность каждой из обмоток обычного ТР S_T = U₁I₁U₂I_2­. Следовательно, при одной и той же полной мощности в сопротивлении нагрузки получается след. соотношение между расчетными полными мощностями автотрансформатора и –трансформатора: S_ат/S_т = 1 – ₂/₁, т.е. чем меньше различаются числа обмоток, тем выгоднее применение автотрансформатора.

Асинхронные машины

Асинхронная машина – это машина, в которой при работе возбуждается вращающееся магнитное поле, но ротор вращается асинхронно, т.е. с угловой скоростью, отличной от скорости поля. Для того, чтобы поле могло вращаться нужно выполнить два условия: 1) обмотка, создающее полу должна быть многофазной; 2) Многофазная система обмоток должна питаться переменным m-фазным током с временным сдвигом между токами фаз равным. Устройство: Состоит из трех неподвижных катушек, размещенных в основном сердечнике, и помещенной между ними четвертой вращающейся катушки. Основными узлами АСМ являются неподвижный статор и вращающийся ротор. Статор представляет собой полый цилиндр, набранный для уменьшения электрических потерь от вихревых токов из отдельных листов электротехнической стали. На внутренней поверхности этого цилиндра расположены пазы, в которых размещена обмотка статора, подключаемая к сети. Обмотки фаз по отношению друг к другу размещены под углом 120. Ротор представляет собой сплошной ферромагнитный цилиндр с пазами на внешней поверхности. В этих пазах размещается обмотка ротора. Она бывает короткозамкнутой и разомкнутой с контактными кольцами (фазный ротор). Обмотка короткозамкнутого ротора представляет собой размещенные в пазах медные или алюминиевые стержня, замкнутые накоротко по торцам специальных колес. Асинхронные машины с фазным ротором имеют на роторе обмотку из круглых или прямоугольных проводов, которая выполняется так же, как и обмотка статора. Чаще всего свободные концы подводятся к закрепленным на валу и вращающимся вместе с ротором кольцам. Ротор двигателя по отношению к результирующему магнитному потоку вращается с некоторым скольжением: S = (n₁-n₂)/n₁, где n₁-частота вращения поля в машине, n₂ – частота вращения ротора. n₁ = 60f₁/p, где f₁ – частота питающего напряжения, p – число пар полюсов. n₂ = n₁(1-s). Для создания поля в зазоре АСМ необходима реактивная мощность, которая забирается из сети или других источников реактивной мощности. При электромеханическом преобразовании энергии в асинхронных машинах, как и в других машинах происходит преобразование энергии в тепло. Электрические потери в роторе АСМ пропорциональны скольжению: P_Э2 = P_Эs, где P_Э – электромагнитная мощность в воздушном зазоре. При s = 1 вся мощность преобразуется в тепло, при скольжении s=0 мощность на ротор не поступает.

Принцип действия: При подведении к обмотке статора переменного трехфазного напряжения в ней возникает трехфазная система токов, сдвинутых во времени по отношению друг к другу на 120, что позволяет получить вращающееся магнитное поле. Это пол, пересекая проводники обмотки неподвижного ротора, наводит в них ЭДС. В замкнутой обмотке ротора возникает ток. Взаимодействие тока обмотки ротора с вращающимся магнитным полем приводит к появлению силы, действующей на витки этой обмотки, т.е. вызывает вращающийся момент. Ротор начинает движение в направлении вращения магнитного поля, стремясь догнать его.

Асинхронный двигатель является трехфазным устройством, но его фазы симметричны, поэтому достаточно составить схему замещения для одной фазы. ЭДС фазы ротора равна E₁ = –(z_об2+r₂)I₂, а напряжение статора U₁ = (–E₁)+z_об1I₁ = z_об1I₁ + (z_об2+r₂)I₂ С другой стороны, ЭДС E₁ пропорциональна намагничивающему току I_1x : –E₁ = z₁₂I_1х. Следовательно, U₁ = z_об1I₁+Z₁₂I_1x. Вместе с тем I₁ = I_1x + I₂. Сопротивление резистивного элемента, соответствующего механической нагрузке в эквивалентной схеме замещения, равно r₂ = r_В2(1-s)/s.

Схема замещения: Асинхронный двигатель как и ТР описывается системой из трех уравнений:

I₁ = I₁₀ + I₂

U₁ = -E₁+I₁(R₁+jX₁)

E₂ = I₂(R₂(S+X₂­­), где I₁ – Ток статора; I₁₀ – ток х.х. в статоре; I₂ –приведенный ток ротора; R₁,Х₁– активное и индуктивные сопротивления обмоток статора; U₁ – напряжение на статоре; E₂ – ЭДС ротора; R₂, X₂ – приведенные активные и индуктивные сопротивления ротора.

Характеристики АД: для устойчивой работы двигателя важно, чтобы автоматически устанавливалось равновесие вращающегося и тормозного моментов, с увеличением нагрузки на валу двигателя должен соответственно возрастать и вращающий момент. Повышение скольжения вызывает увеличение вращающегося момента, и равновесие моментов восстанавливается при возросшем скольжении. Для целей электропривода большое значение имеет зависимость частоты вращения двигателя от нагрузки на валу n(M), эта зависимость носит назва-ние механической характеристики.

Рабочая характеристика:

Методы регулирования частоты вращения:1) частотное регулирование, наиболее перспективный метод управления частотой вращения электродвигателя является регулирование частоты переменного тока статора _п = 2f/p, M_вр = AU₁²/f². Следовательно, при изменении частоты тока для поддержания вращающего момента необходимо пропорционально изменять напряжение на статоре. 2) Регулирование изменением числа полюсов. Ступенчатое изменение угловой скорости асинхронного двигателя в широких пределах осуществимо ценой усложнения и удорожания конструкции АД – это регулирование переключением числа пар полюсов. Если на статоре поместить две отдельные обмотки – одну, образующую p пар полюсов, а другую - p, то включив в сеть первую или вторую обмотку, получим разную частоту вращения поля: n₁ =60f/p или n₁=60f/p. 3) реостатное регулирование. В трехфазных роторах АД с фазным ротором используется реостатный способ регулирования частоты вращения ротора. увеличение активного сопротивления цепи ротора изменяет характеристику M(s) – делает ее более мягкой.