Основы электротехники

При симметричной нагрузке Z_a = Z_b = Z_c; _a = _b = _c , поэтому токи в фазах приемника равны по величине и сдвинуты по фазе на один и тот же угол относительно соответствующих напряжений. Векторная диаграмма напряжений и токов для симметричной нагрузки имеет вид:

Ток в каждой фазе может быть определен по закону Ома для цепей переменного тока.

I_a = U_a/Z_a; I_b = U_b/Z_b; I_c = U_c/Z_c;

cos _a = R_a/Z_a; cos _b = R_b/Z_b; cos _c = R_c/Z_c.

При симметричной нагрузке достаточно выполнить расчет для одной фазы.

Найдем для такой цепи напряжение между нейтральными точками. Так как для симметричной нагрузки Y_a = Y_b = Y_c, то смещение нейтрали определяется:

U_N = Y_а(U_A + U_B + U_C)/( Y_N + 3Y_a ),

но при симметричной системе напряжений

U_A + U_B + U_C = 0.

Поэтому при симметричной нагрузке нейтральные точки генератора и приемника совпадают и напряжение между ними равно нулю. Отсюда следует, что при симметричной нагрузке ток в нулевом проводе будет равен нулю. К такому же выводу можно прийти рассмотрев векторную диаграмму токов из которой так же следует равенство нулю тока в нулевом проводе

I_N = I_a + I_b + I_с = 0

Таким образом, если нагрузка равномерная, то необходимость в нейтральном проводе отпадает. Трехфазная цепь без нейтрального провода является трехпроводной.

Соединения звездой при несимметричной нагрузке.

При несимметричной нагрузке сопротивления приемников не одинаковы. Для несимметричных нагрузок применяют только четырехпроводные цепи, так как между нейтральными точками появляется напряжение и напряжения на фазах нагрузки становятся различными. При этом нарушается соотношение между фазными и линейными напряжениями U_Л = U_Ф, причем на одних фазах нагрузки напряжение становиться большим, а на других - меньшим.

Наличие нейтрального провода в цепи с несимметричной нагрузкой позволяет выравнивать напряжение на фазах приемника и поддерживать их неизменными, равными фазным напряжениям источника U_Л/, то есть нейтральный провод обеспечивает симметрию фазных напряжений приемника. Иначе говоря, при наличии нейтрального провода, когда Z_N=0, даже при несимметричной нагрузке фазные напряжения приемника равны друг другу и соблюдается соотношение между фазными и линейными напряжениями U_Л = U_Ф.

Если нагрузка несимметричная и нейтральный провод имеет конечное сопротивление Z_N0, то токи в фазах приемника и нулевом проводе будут определяться выражениями:

I_A = U_a/Z_a = (U_A - U_N)Y_a

I_B = U_b/Z_b = (U_B - U_N)Y_b

I_C = U_c/Z_c = (U_C - U_N)Y_c

I_N = U_N/Z_N = U_NY_N = I_A + I_B + I_C.

Рассмотрим аврийные ситуации в трехпроводной системе.

1.Обрыв одной из фаз нагрузки. В исходном состоянии нагрузка симметричная (для простоты считаем ее активной), система фазных токов симметрична, нейтрали совпадают и система фазных напряжений приемника также симметрична. Рассмотрим случай обрыва линейного провода А.

В этом случае Y_a = 0, Y_b = Y_c = Y₀ , смещение нейтрали определяется:

U_N = Y₀( U_B + U_C)/2Y₀ = - U_A/2

поскольку U_A + U_B + U_C = 0.

Этому случаю соответствует такая векторная диаграмма:

При этом фазное напряжение U_A увеличивается в 1,5 раза, а U_B и U_C уменьшаются в 2/, так как они становятся равными половине линейного напряжения.

Ток в фазе А равен нулю, а токи в фазах В и С уменьшаются в 2/ раза из-за уменьшения напряжений U_B и U_C. Так как нагрузка активная, то токи будут совпадать по фазе с фазными напряжениями.

2. Короткое замыкание одной из фаз приемника. Например Z_a = 0 => Y_a = .

Напряжение смещения нейтрали:

U_N = (U_A + U_BY_b/Y_a + U_CY_c/Y_a)/( 1 + Y_b/Y_a + Y_c/Y_a) = U_A.

Следовательно, нейтральная точка приемника переместится в точку а - напряжение в фазе а будет равно нулю, а фазы нагрузки b и с будут находиться под линейными напряжениями. Этому случаю соответствует такая векторная диаграмма:

Фазные токи I_с и I_b возростают в , совпадая по фазе со своими напряжениями. Ток в проводе а находится из уравнения:

I_a = - ( I_b + I_с).

Как видно из векторной диаграммы ток i_a в раз больше токов I_b и I_c и в 3 раза больше тока в исходном режиме.

Трехфазные цепи при соединении приемников треугольником.

При соединении приемников электрической энергии треугольником отдельные фазы приемника присоединяются к линейным проводам, идущим от генератора:

При этом каждая фаза приемника непосредственно включается на линейное напряжение, которое в то же время будет и фазным:

U_a = U_ab; U_b = U_bc; U_c = U_ca;

Для определения связи между линейными и фазными токами воспользуемся I законом Кирхгофа. Применим его к узлам: a, b, c.

За положительное направление фазных токов выбирается направление от начала фазы к ее концу. С учетом того что фазы нагрузки у нас соединены последовательно положительными направлениями будут: a b, b c, c a.

За положительные направления линейных токов принимают направление от генератора к приемнику.

Тогда получим

для узла а I_a + I_ca = I_ab I_a = I_ab - I_ca

для узла b I_b + I_ab = I_bc I_b = I_bc - I_ab

для узла с I_c + I_bc = I_ca I_c = I_ca - I_bc

Этим уравнениям соответствует векторная диаграмма:

Если нагрузка фаз симметричная ( Z_a = Z_b = Z_c; _a = _b = _c ), то действующие значения фазных токов равны между собой и токи сдвинуты по фазам на одинаковые углы от соответствующих напряжений.

Рассмотрим треугольник, образованный векторами I_a, I_ab, -I_ca:

Из этого треугольника следует, что

1/2 I_a = I_ab cos 30⁰ I_{a =} I_ab.

При симметричной нагрузке:

I_a = I_b = I_c = I_Л, I_ab = I_bc = I_ac = I_Ф

Действующие значения линейных токов больше, чем фазные в .

Из векторной диаграммы видно, линейные токи отстают от фазных на 30⁰.

Рассмотрим аврийные ситуации при соединении приемников треугольником.

1.Обрыв одной из фаз нагрузки.

При обрыве фазы са фазный ток I_ca = 0. Другие фазные токи не изменяются. Линейный провод оказывается включенным последовательно с фазой ab , поэтому линейный ток I_a = I_ab. По этой же причине I_c = -I_bc . Таким образом, I_a и I_c по значению становятся равными фазным токам.

Линейный ток I_b определяется так же как и в исходном режиме I_b = I_bc - I_ab , и поэтому остается неизменным. Этому случаю соответствует векторная диаграмма:

2.Обрыв линейного провода.

При обрыве провода а (перегорание предохранителя) трехфазная цепь преобразуется в однофазную цепь:

Фазы приемника образуют две параллельные ветви, к которым подводится напряжение U_bc. Ток в ветви Z_bc остается неизменным, так как по-прежнему определяется тем же напряжением U_bc. Ток в ветвях Z_ab и Z_ca , включенных последовательно, совпадает по фазе с током I_bc , так как тоже определяется напряжением U_bc. По значению он в два раза меньше тока I_bc , так как Z_ab = Z_ca = Z_bc.

Линейный ток I_b = I_bc + I_ab совпадает по фазе с током I_bc , а по значению в 1,5 раза больше тока I_bc. Ток I_c равен по значению I_b , а по фазе ему противоположен. Векторная диаграмма токов такой однофазной цепи изображена на рисунке:

Мощность трехфазных цепей

Активная мощность трехфазного тока равна сумме мощностей всех трех фаз, а именно

P = P_a + P_b + P_c = U_aI_a cos _a + U_bI_b cos _b + U_cI_c cos _c

При симметричной нагрузке

P = 3P_ф = 3U_фI_ф cos .

Реактивная мощность трехфазной цепи

Q = Q_a + Q_b + Q_c = U_aI_a sin _a + U_bI_b sin _b + U_cI_c sin _c

При симметричной нагрузке

Q = 3Q_ф = 3U_фI_ф sin .

Полная мощность

S = ( P² + Q²)^1/2.

Полная мощность при симметричной нагрузке

S = 3U_фI_ф.

Обычно в качестве паспортных данных для трехфазных приемников приняты линейные напряжения и токи. Поэтому мощности трехфазных приемников целесообразно выражать через линейные напряжения и токи. При таких обозначениях индекс “л” у линейного напряжения и тока не указывают.

Так как при соединении симметричной нагрузки треугольником U_ф=U_л=U и I_ф=I_л/=I/, а при соединении симметричной нагрузки звездой U_ф=U_л/=U/ и I_ф=I_л=I, то независимо от схемы соединения фаз приемника произведение U_фI_ф=UI/ оказывается одинаковым. Таким образом, независимо от схемы соединения симметричной нагрузки имеет место следующие выражения для мощностей

P = UI cos , Q = UI sin , S = UI.

Если известны активная мощность, линейные напряжения и ток при симметричной нагрузке, то коэффициент мощности определяется по формуле:

cos = P/(UI)

Лекция № 6. Трансформаторы

Электрическая энергия вырабатывается на электростанциях синхронными генераторами с напряжением до 35 кВ. Для непосредственного безопасного использования потребителями это напряжение очень велико (220В, 380В, 660В) а для экономичной передачи на большие расстояния, поскольку обычно приемники электрической энергии расположены на некотором расстоянии от электростанций, очень низкое (1150 кВ). При заданной передаваемой мощности линией электропередачи, чем выше напряжение, тем меньше будет значение тока и тем меньше получается требуемое сечение проводов линии электропередачи. Поэтому в месте производства электрической энергии - на электрических станциях - выгодно повышать напряжение до сотен тысяч Вольт и выше, а затем передавать энергию по проводам потребителям.

Изменение напряжения до необходимых значений осуществляется с помощью трансформаторов.

Трансформатором называется статическое электротехническое устройство, служащее для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения той же частоты.

Электрическая энергия при передаче от электростанции до потребителей преобразуется с помощью тансформаторов около 5 - 7 раз.

В цепях переменного тока использование трансформаторов позволяет изменять напряжения, ток и число фаз.

Трансформаторы относятся к высоконадежным электротехническим устройствам, поскольку они не имеют движущихся частей и скользящих контактных соединений.

По назначению трансформаторы делятся на силовые и специального назначения. Силовые трансформаторы служат для передачи и распределения электрической энергии, а также для питания различных электротехнических устройств. К трансформаторам специального назначения относятся измерительные, сварочные трансформаторы, для прогрева бетона, для перносных светильников, питания электроинструментов и другие.

По числу фаз трансформаторы делятся на однофазные и трехфазные.

Устройство трансформаторов

Трансформатор состоит из стального магнитопровода, на который намотаны обмотки :

Обмотка, подключаемая к источнику электрической энергии, называется первичной обмоткой, а обмотка к которой подключается нагрузка называется вторичной.

Если через трансформатор необходимо осуществить питание двух и более нагрузок с разным напряжением, то выполняется соответствующее число вторичных обмоток. Такие трансформаторы называются многообмоточными.

Существуют тансформаторы состоящие из одной обмотки. Такие трансформаторы называются автотрансформаторами. В случае повышающего авторансформатора э.д.с. подводится к части обмотки, а вторичная э.д.с. снимается с части обмотки. В понижающем автотрансформаторе напряжение сети подается на всю обмотку, а вторичная э.д.с. снимается с части обмотки. Автотрансформаторы позволяют регулировать напряжение в широких пределах.

Магнитопровод трансформаторов изготавливают из стальных листов толщиной 0,35 - 0,5 мм. Стальные пластины сердечника трансформатора изолируют друг от друга бумажной, лаковой изоляцией или окалиной, что позволяет уменьшить потери мощности в магнитопроводе за счет того, что вихревые токи замыкаются в плоскости поперечного сечения отдельной пластины. Чем меньше толщина листа, тем меньше сечение проводника, по которому протекает вихревой ток, и тем болше его сопротивление. В результате вихревой ток и потери мощности на нагрев магнитпровода уменьшаются.

Обмотки трансформаторов обычно выполняют из медного провода круглого или прямоугольного сечения. Для лучшей магнитной связи между обмотками их стремятся расположить как можно ближе друг к другу. Обычно их распологают на одном стержне. Обмотки изолируют как от стержня магнитопровода, так и друг от друга. В качестве изоляции применяют электротехнический картон, специальную бумагу или ткань, пропитанную лаком.

По расположению обмоток относительно друг от друга различают концентрические, изготовленные в виде цилиндров, и чередующиеся,

когда обмотки расположены друг за другом. В случае концентрической намотки обмоток первой наматывается обмотка низшего напряжения, а поверх нее размещается обмотка высшего напряжения.

По способу охлаждения трансформаторы делятся на сухие и маслянные. Сухие трансформаторы имеют естественное воздушное охлаждение, которое может быть ипользовано только для трансформаторов малой мощности. При увеличении мощности увеличивается нагрев обмоток. Чтобы обеспечить допустимую для изоляции температуру нагрева, применяют более интенсивные способы отвода тепла. Для этого магнитопровод с обмотками помещают в специальный бак, заполненный трансформаторным маслом. Масло является одновременно и охлаждающей и изолирующей средой. Интенсивность охлаждения обеспечивается как за счет большей по сравнению с воздухом теплопроводности масла, так и за счет того, что поверхность бака по сравнению с поверхностью тансформатора значительно больше. Этот способ охлаждения называется естественным маслянным охлаждением. В трансформаторах большой мощности применяют систему принудительного масляного охлаждения при котором масло специальными насосами прокачивается через специальные теплообменники, которые в свою очередь охлаждаются водой или воздухом.

Принцип действия трансформаторов

Принцип действия трансформаторов основан на явлении взаимной индукции.

При подсоединении первичной обмотки трансформатора к источнику переменного напряжения с э.д.с. ₁ в ней возникает переменный ток, создающий в магнитном сердечнике переменный магнитный поток, который практически полностью локализован в железном сердечнике и, следовательно почти целиком пронизывает витки вторичной обмотки. Применение магнитопровода с большой магнитной проводимостью способствует увеличению магнитного потока и усилению электромагнитной связи между обмотками. Замыкаясь магнитный поток оказывается сцепленным как с первичной, так и вторичной обмотками.

Изменение этого магнитного потока вызывает во вторичной обмотке появление э.д.с. взаимной индукции, а в первичной э.д.с. самоиндукции.

Ток в первичной обмотке определяется по второму закону Кирхгофа :

е₁ + е_i1 = i₁R₁ ==> е₁ - d(N₁ Ф) / dt = i₁R₁,

где R₁ - активное сопротивление первичной обмотки. Из-за малости R₁ падение напряжения I₁R₁ мало по сравнению с каждой из двух э.д.с. Поэтому

e₁ N₁ dФ/dt.

Во вторичной обмотке возникает э.д.с. взаимной индукции :

e₂ = -N₂ dФ/dt.

Сравнивая две последние формулы мы можем найти э.д.с., возникающую во вторичной обмотке :

e₂ = -N₂ e₁/ N₁,

где знак «минус», что э.д.с. в первичной и вторичной обмотках отличаются по фазе на 180⁰.

Отношение вторичной э.д.с. к первичной называется коэффициентом трансформации трансформатора :

k = e₂/e₁ = N₂/N₁

При незначительном активном сопротивлении источника. э.д.с. примерно равна напряжению в цепи. Э.д.с. вторичной обмотки при разомкнутой вторичной обмотке (то есть при отсутствии в ней тока и падения напряжения) равна напряжению на концах обмотки. Тогда

k = e₂/e₁ =u₂ /u₁ = N₂/N₁

Коэффициент трансформации может быть определен на основании измерений напряжения на входе и выходе ненагруженного трансформатора.

Коэффициент трансформации может быть как больше, так и меньше единицы.

Если необходимо повысить напряжение источника питания, то число витков вторичной обмотки делают больше числа витков первичной обмотки. Такой трансформатор называется повышающим. Если напряжение надо понизить, то необходимо, чтобы число витков в первичной обмотке было больше, чем во вторичной обмотке. В этом случае трансформатор будет понижающим.

Учитывая высокий к.п.д. трансформаторов, можно считать, что мощность потребляемая из сети примерно равна мощности отдаваемой нагрузке :

S₁ S₂ ===> i₁ u₁ i₂ u_{2 .}

Отсюда следует _:

i₁/i₂ = u₂ /u_1.

Мы видим, что во сколько раз увеличивается напряжение во столько же раз уменьшается ток.

По обмотке высшего напряжения проходит меньший ток, поэтому ее делают из провода соответственно меньшего сечения, но она имеет меньшее большее число витков. Обмотка низшего напряжения - с большим током - имеет большее сечение провода, но меньшее число витков. По сечению провода легко отличить обмотку высшего напряжения от обмотки низшего напряжения трансформатора.

Если ко вторичной обмотке трансформатора подключены потребители, через которые замыкается цепь этой обмотки, то по ней проходит ток i_{2 ,} направленный (по закону Ленца) противоположно току в первичной обмотке i₁ .

Эти токи создают в сердечнике трансформатора два противоположно направленных магнитных потока Ф₁ и Ф₂, которые вместе образуют общий магнитный поток

Ф = Ф₁ - Ф₂

Этот общий поток и индуктирует э.д.с. в обмотках трансформатора. Поскольку Е₁ = U₁, а напряжение U₁, которое подводится от источника, обычно не изменяется, то и Е₁ почти всегда неизменна. Э.д.с. Е₁ индуктируется магнитным потоком Ф, который также вследствие этого должен быть постоянной величиной.

Таким образом, величина общего потока в сердечнике трансформатора всегда постоянна.

При холостом ходе трансформатора, когда i₂ = 0, магнитный поток Ф₂ также равен нулю. Общий поток Ф трансформатора равен потоку Ф₁.

Если же цепь вторичной обмотки замкнуть на потребитель, то возникший ток i₂ вторичной обмотки создаст, поток Ф₂, противоположный потоку Ф₁. Поток Ф₂ будет размагничивать сердечник трансформатора.

Так как общий поток Ф = Ф₁ - Ф₂ не изменяется, то размагничивающее действие потока Ф₁ должно быть уравновешено увеличенным намагничивающим потоком Ф₁. Таким образом, всякое увеличение тока i₂ и его потока Ф₂ способствует увеличению потока Ф₁, до такой величины, чтобы разность этих потоков Ф₁ - Ф₂ была равна общему неизменному потоку трансформатора Ф.

Поскольку увеличение потока Ф₁ возможно только вследствие увеличения тока i₁, который создает этот поток, то всякое увеличение или уменьшение нагрузки (тока i₂) во вторичной обмотке трансформатора вызывает соответствующее увеличение или уменьшение тока i₁, в первичной обмотке трансформатора.

Иногда это явление называют «саморегулированием» трансформатора. Оно основано на законе сохранения и преобразования энергии.

Режимы работы трансформаторов

1.Номинальный режим, режим при номинальных значениях тока и напряжения первичной обмотки трансформатора.

2.Рабочий режим (основной режим), при котором напряжение первичной обмотки близко к номинальному значению или равно ему, а ток определяется нагрузкой трансформатора.

3.Режим холостого хода - это режим ненагруженного трансформатора при котором цепь вторичной обмотки разомкнута или подключена к приемнику с очень большим сопротивлением, например, к вольтметру.

4.Режим короткого замыкания трансформатора, режим при котором его вторичная обмотка закорочена или подключена к приемнику с очень маленьким сопротивлением нагрузки, например к амперметру. Короткое замыкание трансформатора в условиях эксплуатации создает аварийный режим, так как токи в первичной и вторичной обмотках возростают в несколько десятков раз по сравнению с номинальным. Поэтому в цепях с трансформаторами предусматривается защита, которая при коротком замыкании автоматически отключает трансформатор.

Режимы короткого замыкания и холостого хода возникают при аварийных ситуациях или специально создаются при испытании трансформаторов.

Коэффициент полезного действия

При работе трансформаторов возникают потери в ферромагнитном сердечнике при перемагничивании (потери в стали Р_ст) и электрические потери в обмотках (потери в меди Р_эл). Поэтому активная мощность потребляемая трансформатором из сети отличается от активной мощности отдаваемой трансформатором нагрузке.

Отношение активной мощности отдаваемой трансформатором приемнику к активной мощности подведенной к трансформатору из сети называется его коэффициентом полезного действия.

= Р₂ / Р₁ = Р₂ / (Р₂ + Р_ст + Р_эл).

К.П.Д. трансформаторов зависит так же от загруженности трансформатора и от характера нагрузки, то есть коэфициента мощности приемника.

Загрузка трансформатора в рабочем режиме оценивается коэффициентом

= Р₂ /S_нcos = I₂ / I_2н

где Р₂ - полезная мощность трансформатора; S_н - номинальная полная мощность; cos - коэффициент мощности нагрузки; I₂ - ток во вторичной обмотке; I_2н - номинальный ток вторичной обмотки.

Активная мощность отдаваемая трансформатором приемнику при любом характере нагрузки и произвольной загруженности определяется выражением:

P₂ = I₂U₂cos ₂ = I₂U₂cos ₂ = S_н cos ₂

Потери в стали не зависят от нагрузки и загруженности трансформатора и равны потерям холостого хода. Потери в меди пропорциональны квадрату тока и определяются мощностью потребляемой трансформатором при опыте короткого замыкания. ( Р_к ). При произвольной нагрузке трансформатора потери в меди расчитываются с учетом загруженности трансформатора:

P_эл = ² Р_к .

Поэтому в общем случае для произвольной нагрузки К.П.Д. трансформатора определяется:

= S_н cos ₂ / (S_н cos ₂ + Р_ст + ² Р_к).

Потери в стали не зависят от нагрузки. Потери в меди увеличиваются одновременно с увеличением тока нагрузки. При небольших нагрузках преобладают индуктивные потери в стали, cos трансформатора небольшой и работа его неэкономична. Следовательно, нужно стремиться к наиболее полной нагрузке трансформатора, так как при этом потери в меди хотя и увеличиваются, но по отношению ко всей мощности они будут составлять меньшую их часть. Поэтому при увеличении нагрузки к.п.д. трансформатора увеличивается.

К.П.Д. у мощных трансформаторов достигает 95 - 99 %, а у трансформаторов малой и средней мощности 70 - 90 %.

Трехфазные трансформаторы

В линиях электропередач используются в основном трехфазные силовые трансформаторы. Иногда в цепях трехфазного тока используют три однофазных трансформатора. Однако применение трехфазных трансформаторов предпочтительнее, так как они меньше по размерам, чем три однофазных трансформатора и дешевле.

Трехфазный трансформатор состоит из магнитопровода, имеющего три стержня и обмоток. На каждом стержне размещаются две обмотки одной фазы.

Обмотки высшего и низшего напряжения каждой из фаз трансформатора размещают на стержне концентрически одна поверх другой. Обычно ближе к стержню распологают обмотку низшего напряжения. Обмотки изолированы друг от друга и от стержня. Обмотки наматываются в одну сторону, каждая из которых имеет условно начало и конец.

Принято начала фаз обмоток высшего напряжения обозначать А,В,С, а их концы X, Y, Z. Начала фаз обмоток низшего напряжения обозначают а, b, c, а их концы x, y, z.

Применяют главным образом три способа соединения обмоток трехфазного трансформатора: звезда-звезда, звезда-треугольник, треугольник-звезда.

Соединение звездой обозначают :

Соединение треугольником обозначают :

1). соединение первичных и вторичных обмоток звездой () :

2). соединение первичных обмоток звездой, а вторичных обмоток треугольником () :

3). соединение первичных обмоток треугольником, а вторичных обмоток звездой () :



Символ способа соединения обмоток высшего напряжения принято писать первым, между символами ставят наклонную черту.

Иногда применяют соединение обмоток звездой с выведенной нулевой точкой.

Трехфазные трансформаторы характеризуют двумя коэффициентами трансформации: фазным и линейным.

Фазный коэффициент трансформации равен отношению числа витков фазы обмотки низшего напряжения к числу витков фазы обмотки высшего напряжения или отношению фазных напряжений этих обмоток при холостом ходе:

k_ф = N₂/N1 = U_ф2/U_ф1.

Линейный коэффициент трансформации равен отношению линейных напряжений обмотки низшего напряжения к линейному напряжению обмотки высшего напряжения при холостом ходе:

k_л = U_л2/U_л1.

При соединении обмоток по схеме :

k_л = U_л2/U_л1 = U_ф2/U_ф1 = k_ф.

При соединении обмоток по схеме :

k_л = U_л2/U_л1 = U_ф2/U_ф1 = k_ф/ .

При соединении обмоток по схеме :



k_л = U_л2/U_л1 = U_ф2/U_ф1 = k_ф.

Таким образом, при одном и том же числе витков обмоток трансформатора можно в раз увеличить или уменьшить его коэффициент трансформации, выбирая соответствующую схему соединения обмоток.

Специальные типы трансформаторов применяемые в строительстве

1.Понижающие трансформаторы для переносных электроламп и работы электроинструментов.

По правилам техники безопасности для переносных светильников в условиях строительства допускается напряжение 36 В, а в местах особо опасных в отношении поражения электрическим током (туннели, шахты, металлические резервуары) не более 12 В.

Для питания таких светильников выпускаются специальные переносные трансформаторы, однофазные, малых размеров с вторичным напряжением 36 В и 12 В, с мощностью 50 - 250 ВА. Первичная их обмотка включается в сеть напряжением 220 В или 380В.

Электроинструменты рекомендуется по соображениям техники безопасности применять на напряжение 36 В.

При необходимых мерах предосторожности (работа в резиновых перчатках) допускаются также инструменты работающие на напряжении 127 В и 220 В.

Для питания электроинструментов промышленностью выпускаются переносные трехфазные понижающие трансформаторы, включаемые в сеть 380 В, мощностью 0,5 - 2,5кВА. Они понижают напряжение до 36В, 133 В и 230 В.

2.Трансформаторы для электропрогрева бетона.

При бетонных и железобетонных работах в зимнее время, как правило, применяют электропрогрев - нагревание бетона переменным электрическим током. Для этого прогреваемая бетонная конструкция включается в цепь тока как сопротивление и внутри самого бетона электрическая энергия преобразуется в тепловую. Цель электропрогрева - ускорить затвердевание бетона, получить требуемую его прочность в короткие сроки и предотвратить его замерзание. По мере затвердевания свежеуложенного бетона его электросопротивление увеличивается. Всвязи с этим, для того чтобы поддерживать необходимую величину тока в цепи электропрогрева, приходится постепенно повышать напряжение. Обычно в начальной стадии прогрев ведут при напряжении 50 В - 60 В, а к концу его увеличивают до 100 В.

Для электропрогрева выпускаются специальные понижающие трансформаторы небольшой мощности ( до 100 кВА ). Эти трансформаторы включаются в сеть 380 В и на выводах вторичной обмотки могут обеспечить несколько ступеней понижения напряжения. Изменяют вторичное пониженное напряжение специальным переключателем, расположенном на крышке трансформатора, а также перестановкой планок на выводах вторичной обмотки. Изменение положения переключателя изменяет колическтво включенных витков первичной обмотки, меняя тем самым соотношение витков вторичной и первичной обмоток и соответственно коэффициент трансформации. Перестановка планок изменяет схему соединения фаз вторичной обмотки с треугольника на звезду, что дает увеличение линейного напряжения в 1,73 раза.

Например в трехфазном трансформаторе с маслянным охлаждением и мощностью 50 кВА существует такой ряд напряжений: 19 В, 60 В, 71В, 103 В, 121 В.

Промышленность выпускает также для электропрогрева бетона передвижные установки мощностью 60 кВА, состоящие из трех однофазных трансформаторов с маслянным охлаждением и распределительного щита. Включают их в сеть 380 В. При различных соединениях обмоток трех трансформаторов установка может давать понижение напряжения до 51 В, 88 В, 102 В, 176 В.

3.Сварочные тансформаторы.

Как правило такие трансформаторы выполняются однофазными с воздушным охлаждением. Со стороны высшего напряжения могут быть включены в сеть 380 В или 220 В, а на низкой стороне они дают напряжение 60 В - 65 В. Такое напряжение на зажимах вторичной обмотки устанавливается при холостом ходе. В процессе сварки это напряжение колеблется от максимального значения, до значений близких к нулю. Сварочные трансформаторы выдерживают короткое замыкание возникающее в случае прикосновения электрода к сварочному шву. Вторичная обмотка трансформатора расчитана на длительное протекание тока короткого замыкания. Сварочные трансформаторы при заданной мощности должны создавать большие токи в нагрузке, причем резкое изменение сопротивления нагрузки не должно существенно сказываться на значении сварочного тока.

Относительно невысокое напряжение при больших токах обеспечивают не только эффективное тепловыделение в сварочном контакте, но и безопасность сварщика, работающего обычно с металлоконструкциями обладающими высокой электропроводностью.

Для устойчивого горения дуги в сварочную цепь необходимо включение индуктивного сопротивления. Благодаря этому ограничивается ток короткого замыкания. В связи с этим сварочные трансформаторы выпускаются или в комплекте с отдельной дроссельной катушкой - регулятором. или с регулятором встроенным в корпус трансформатора. Регулятор включается последовательно с вторичной обмоткой трансформатора. Регулятор представляет собой индуктивную катушку со стальным сердечником (дроссель). Сердечник - магнитопровод дросселя имеет воздушный зазор, ширина которого может изменяться путем передвижения подвижной части сердечника при вращении рукоятки регулятора. Изменение воздушного зазора меняет индйктивное сопротивление дросселя и тем самым регулирует - увеличивает или уменьшает сварочный ток. Такие трансформаторы имеют обычно мощность примерно равную 30 кВА при сварочном токе до 500 А.

Имеются конструкции сварочных трансформаторов с регулятором (регулируемым дросселем), встроенном в корпус трансформатора.

Своеобразной конструкцией обладают сварочные трансформаторы с подвижными обмотками. Первичная их обмотка, расположенная на одном стержне со вторичной, может премещаться относительно нее. Регулирование сварочного тока в этих трансформаторах осуществляется изменением расстояния между первичной и вторичной обмотками. При удалении обмоток одной от другой увеличивается их индуктивное сопротивление и соответственно сокращается сварочный ток. Отдельного регулятора (дросселя) не требуется.

Иногда в сварочные трансформаторы встраивают конденсаторы, обеспечивающие повышение коэффициента мощности при его работе.

4.Измерительные трансформаторы.

В цепь высокого напряжения электроизмерительные приборы включать непосредственно нельзя, так как прикасаться к ним опасно. Нельзя также непосредственно измерять большие токи; в этом случае токопроводящие части приборов были бы очень громоздкими. Пользуясь специальными измерительными трансформаторами, можно применять для измерения высоких напряжений и больших токов обычные приборы низкого напряжения и малого тока.

По правилам безопасности, необходимо обязательно заземлить низковольтную обмотку измерительных трансформаторов, так как при повреждении изоляции между обмотками низкого и высокого напряжения приборы будут находиться под опасным для человека высоким напряжением.

Измерительные трансформаторы напряжения. Измерительные трансформаторы напряжения - обычные понижающие трансформаторы. От силовых они отличаются только небольшой мощностью (30 - 500 ВА), вполне достаточной для питания обмоток вольтметров, а также обмоток напряжения счетчиков, ваттметров и других приборов. Напряжение вторичных обмоток, всех измерительных трансформаторов напряжения равно 100 В. Коэффициент трансформации этих трансформаторов записывают так: 6000/100, 10000/100 и так далее.

Чтобы определить первичное напряжение, показания вольтметра, включенного во вторичную цепь трансформатора, нужно умножить, на коэффициент трансформации. Часто на шкале вольтметра обозначают сразу высокое - первичное - напряжение с учетом коэффициента трансформации. На шкале таких вольтметров имеется соответствующая надпись: «С тр. напр. 10000/100 В».

Измерительные трансформаторы тока. Первичную обмотку трансформатора тока, состоящую из одного или нескольких витков толстого изолированного провода, включают в цепь, ток которой необходимо измерить. К зажимам вторичной обмотки, имеющей большое число витков тонкого провода, включают амперметр или токовые обмотки счетчика, ваттметра и других приборов. Номинальный ток вторичных обмоток всех трансформаторов тока 5 А. Как и в трансформаторе напряжения, коэффициент трансформации трансформатора тока обозначают дробью, числитель которой показывает первичный (большой) ток, а знаменатель - вторичный ток 5 А, Например: 50/5; 300/5 и так далее.

Чтобы амперметр, включенной, во вторичную обмотку трансформатора тока, показывал измеряемый первичный ток, на шкале отмечают сразу первичный ток с учетом его коэффициента трансформации. Амперметр с такой градуировкой имеет специальную надпись на шкале: «С тр. тока 100/5 А».

Если вторичную обмотку трансформатора тока, имеющего большое число витков, разомкнуть, то на ее выводах возникнет большое напряжение, опасное и для приборов, и для людей, которые случайно могут коснуться концов этой обмотки. Поэтому вторичная обмотка всех трансформаторов тока должна быть или включена на приборы, или закорочена.

Лекция № 7. Электрические машины

К электрическим машинам относятся электромашинные генераторы, электродвигатели и преобразователи.

Электрические машины, действие которых основано на электромагнитных явлениях и которые служат для преобразования механической энергии в электрическую называются электромашинными генераторами.

Электрические машины, действие которых основано на электромагнитных явлениях и которые служат для преобразования электрической энергии в механическую называются электродвигателями.

Преобразователями называются электрические машины служащие для преобразования электрической энергии одних параметров в другие. Преобразовываться могут род тока, частота, напряжение число фаз.

Электрические машины обладают свойством обратимости, то есть могут работать генераторами если их вращать каким-либо двигателем и могут использоваться как электродвигатели, если к ним подводить электроэнергию.

Электрические машины подразделяются на машины переменного и постоянного тока.

Электрические машины переменного тока в свою очередь подразделяются на синхронные, асинхронные и коллекторные.

Из машин переменного тока наибольшее распространение получили трехфазные асинхронные двигатели и синхронные генераторы переменного трехфазного тока.

Электрические машины постоянного тока представляют собой сочетание машин переменного тока с механическим выпрямителем (коллектором), который преобразует переменный ток в постоянный. Электрические машины постоянного тока также имеют ограниченное применение вследствие их более высокой стоимости и сложности техобслуживания по сравнению с машинами переменного тока.

Асинхронные электродвигатели

Работа асинхронного двигателя основана на явлении, названном «диск Араго--Ленца». Это явление заключается в следующем: если перед полюсами постоянного магнита поместить медный диск (1), свободно сидящий на оси (2), и начать вращать магнит вокруг его оси с помощью рукоятки (3), то медный диск будет вращаться в том же направлении.

Это объясняется тем, что при вращении магнита его магнитное поле пронизывает диск и индуцирует в нем вихревые токи. В результате взаимодействия вихревых токов с магнитным полем магнита возникает сила, приводящая диск во вращение. На основании закона Ленца направление всякого индуцированного тока таково, что оно противодействует причине, его вызвавшей. Поэтому вихревые токи стремятся задержать вращение магнита, но не имея возможности сделать это, приводят диск во вращение таким образом, что он следует за магнитом. При этом частота вращения диска всегда меньше частоты вращения магнита. Если бы их частоты почему-либо стали одинаковыми, то магнитное поле не перемещалось бы относительно диска и, следовательно, в нем не возникали бы вихревые токи, то есть не было бы силы, под воздействием которой диск вращается.

В асинхронных двигателях постоянное магнитное поле заменено вращающимся магнитным полем, создаваемым трехфазной системой переменного тока.

Принцип действия трехфазного асинхронного электродвигателя основан на явлении вращающегося магнитного поля.

Вращающимся называется магнитное поле, вектор магнитной индукции которого вращается с постоянной угловой скоростью. При этом модуль вектора магнитной индукции остается постоянным.

Опытным путем было установлено, что если три катушки из провода расположить в пространстве под углом 120⁰ друг к другу и пропустить по ним переменный трехфазный ток, то в пространстве между катушками магнитное поле будет вращаться с угловой скоростью, зависящей от частоты переменного трехфазного тока.

Рассмотрим три одинаковые катушки из провода, расположенные таким образом, чтобы их оси пересекались под углом 120⁰. На рисунке каждую катушку схематически будем изображать в виде одного витка. Катушки будем изображать в поперечном разрезе.



Начала катушек присоединены к трем линейным проводам и обозначены буквами A,B,C. Концы катушек обозначены X, Y, Z и соединены в одной точке, то есть катушки соединены звездой.

Графики токов проходящих по катушкам имеют представлены на рисунке. Мгновенные значения токов положительного направления расположены выше оси времени, а отрицательные то есть противоположного, ниже оси времени.

Проанализируем направление суммарного магнитного поля катушек в несколько последовательных моментов времени.

На рисунке при положительном направлении тока на начале катушки стоит “ + “, а на конце катушки стоит “ . “. При отрицательном направлении тока в катушке обозначения обратные: на начале катушки стоит “ .”, а на конце “ + “.

Направление силовых линий суммарного магнитного поля катушек определяется по правилу буравчика.

Выберем три последовательных момента времени:

1 => A = 0, B < 0, C > 0;

2 => C = 0, A > 0, B < 0;

3 => B = 0, A > 0, c < 0.

В момент времени 1 распределение токов и направление суммарного магнитного поля имеет следующий вид:

В момент времени 2 распределение токов и направление суммарного магнитного поля имеет следующий вид:

В момент времени 3 распределение токов и направление суммарного магнитного поля имеет следующий вид:



Сравнивая эти рисунки мы видим, что магнитное поле в пространстве между катушками повернулось против часовой стрелки на 120⁰. Аналогично рассмотрев направления токов в катушках в другие моменты времени можно увидеть, магнитное поле поворачивается на 360⁰.

Из этих рисунков видно, что у результирующего поля имеется два полюса.

Вращающееся магнитное поле создаваемое тремя катушками называется двухполюсным. электрический переменный ток трансформатор

Частота его вращения равна частоте трехфазного тока, который образует это поле. При частоте тока 50 Гц двухполюсное поле вращается с частотой 50 об/с или 3000 об/мин.

Вращающееся магнитное поле может быть двух-, четырех-, шести- и так далее полюсным. Это достигается увеличением числа катушек в каждой фазе. Катушки в каждой фазе включаются последовательно. При шести катушках (по две в каждой фазе) получается четырехполюсное магнитное поле. Частота вращения будет в этом случае 1500 об/мин.

Чачтота вращения магнитного поля определяется:

n = 60f/p,



где n - частота вращения в об/мин; f - частота трехфазного переменного тока; p - число пар полюсов.

Частота вращения многополюсного магнитного поля относительно обмоток статора, называется синхронной частотой.

Устройство асинхронных электродвигателей

Асинхронный электродвигатель состоит из неподвижной (статора) и вращающейся (ротора - 3) частей, а также подшипников (4) и щитка для подвода электрической энергии (5).

Основными деталями статора являются корпус (1) и сердечник с обмоткой (2). Корпус отливают из алюминия (для маломощных двигателей) или из чугуна. Сердечник статора представляет собой полый цилииндр, набранный из стальных пластин, имеющих вид кольца и изолированных друг от друга лаком. Они образуют неподвижную часть магнитопровода. Пластины стягиваются болтами. Выполнение магнитопровода из отдельных пластин уменьшает потери мощности в стали, вызываемые вихревыми токами.