5 Лекция №5. Обобщенный электромеханический преобразователь

Цель лекции:

- ознакомить студентов с моделью обобщенного электромеханиче­ского преобразователя.

Содержание лекции:

- модель обобщенного электромеханиче­ского преобразователя.

Наиболее общей математической мо­делью, позволяющей записать уравнения для бесконечного спектра гармоник и любого числа контуров на статоре и роторе, явля­ется модель обобщенного электромеханиче­ского преобразователя — двухфазной элек­трической машины с т обмотками на стато­ре и п обмотками на роторе (см. рисунок 5.1).

Модель обобщенного электромеханиче­ского преобразователя дает возможность за­писать уравнения при наличии высших гар­моник в воздушном зазоре и нескольких контуров на статоре и роторе.

Для обобщенного электромеханического преобразователя записываются уравнения в матричной форме:

 

                       U=ZI;   М_Э = М I^s I^r.                                                         (5.1)

 

В (5.1) входят столбцовые субматрицы напряжений и токов с т, п числом напряже­ний и токов. В матрицу сопротивлений Z входят 12 сложных субматриц сопротивле­ний .

Электромагнитный момент определяется произведениями всех токов, протекающих в обмотках статора и ротора обобщен­ного электромеханического преобразователя (5.1).

 

 

Рисунок 5.1 - Математическая мо­дель обобщенного электромеха­нического преобразователя

 

Современные ЭВМ позволяют решать в течение нескольких минут 30-40 уравне­ний, составленных на основе модели обоб­щенного электромеханического преобразова­теля. Это обеспечивает учет трех-четырех гармоник в воздушном зазоре и двух-трех контуров на статоре и роторе.

При исследовании электрических машин используются также уравнения, составлен­ные на базе уравнений теории поля. Они дают возможность решать многие задачи статики. Однако при решении задач дина­мики уравнения обобщенного электромеха­нического преобразователя имеют большие преимущества. Развитие теории электриче­ских машин долгое время шло по пути при­менения отдельно уравнений поля и теории цепей, тогда как наиболее плодотворным является их сочетание в математической мо­дели.  Развитие современной теории электро­механического преобразования энергии поз­воляет составить математическое описание процессов преобразования энергии для лю­бого случая, встречающегося в практике современного электромашиностроения. Ква­лификация инженера-электромеханика во многом определяется умением упростить ма­тематическую модель без потери необходи­мой точности и возможности решения по­ставленной задачи в кратчайшие сроки с помощью имеющейся вычислительной тех­ники.

 

6 Лекция №6 Трансформаторы. Назначение, принцип действия и устройство

Цель лекции:

-ознакомить студентов с  элементами  конструкции трансформаторов;

 - с режимом  холостого хода.

Содержание лекции:

           - общие сведения о трансформаторах;                      

-  назначение трансформаторов;

- элементы конструкции трансформаторов;

- режим холостого хода..     

Трансформатор представляет собой статический электромагнитный преобразователь с двумя или больше обмотками, предназначенный (наиболее часто) для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения. Преобразование энергии в трансформаторе осуществляется переменным магнитным полем. Трансформаторы широко применяют при передаче электрической энергии на большие расстояния, при распределении ее между приемниками, а также в различных выпрямительных, усилительных, сигнализационных и других устройствах. При передаче электрической энергии от электростанции к потребителям сила тока в линии обусловливает потери энергии в этой линии и расход цветных металлов на ее устройство. Если при одной и той же передаваемой мощности увеличить напряжение, то сила тока в такой же мере уменьшится, а, следовательно, можно будет применить провода с меньшим поперечным сечением. Это сократит расход цветных металлов при устройстве линии электропередачи и снизит потери энергии в ней. Электрическая энергия вырабатывается на электростанциях синхронными генераторами при напряжении 11-20 кВ; в отдельных случаях применяется напряжение 30-35 кВ. Хотя такие напряжения являются слишком высокими для их непосредственного использования в производстве и для бытовых нужд, они недостаточны для экономичной передачи электроэнергии на большие расстояния. Дальнейшее повышение напряжения в линиях электропередачи (до 750 кВ и более) осуществляют повышающими трансформаторами.

Приемники электрической энергии (лампы накаливания, элек­тродвигатели и др.) из соображений безопасности рассчитывают на более низкое напряжение (110-380 В). Кроме того, изготовление электрических аппаратов, приборов и машин на высокие напряжения связано со значительными конструктивными сложностями, так как токоведущие части этих устройств при высоком напряжений требуют усиленной изоляции. Поэтому высокое напряжение, при котором происходит передача энергии, не может быть непосредственно использовано для питания приемников и подводится к ним через понижающие трансформаторы.

Электрическую энергию переменного тока по пути от электростанции, где она вырабатывается, до потребителя приходится трансформировать 3-4 раза. В распределительных сетях понижающие трансформаторы нагружаются неодновременной нагрузкой и не на полную мощность. Поэтому полная мощность трансформаторов, устанавли­ваемых для передачи и распределения электроэнергии, в 7-8 раз больше мощности генераторов, устанавливаемых на электростан­циях.

На рисунке 6.1 изображена принципиальная схема включения транс­форматора, на которой для ясности первичная 1 и вторичная 3 обмотки помещены на разных стержнях стального

 

 

 

 

 

 

Рисунок 6.1- Принципиальная схема включения трансформатора

 

магнитопровода 2. В действительности каждая обмотка размещается на обоих стержнях так, что половины двух обмоток находятся на левом, а вторые половины — на правом стержне магнитопровода. При таком расположении обмоток достигается лучшая магнитная связь между ними, благодаря че­му снижаются потоки рассеяния, которые не участвуют в процессе трансформирования энергии. Действие трансформатора основано на явлении взаимной индукции. Если первичную обмотку 1 трансформатора включить в сеть источника переменного тока, то по ней будет протекать переменный ток , который создает в сердечнике 2 трансформатора пере­менный магнитный поток. Этот магнитный поток, пронизывая витки вторичной обмотки 3, будет индуктировать в ней э.д.с.  . Если вторичную обмотку замкнуть на какой-либо приемник энергии (лампа накаливания 4), то под действием индуктируемой э.д.с.  по этой обмотке и через приемник энергии начнет протекать ток 1₂. Одновременно в первичной обмотке также появится нагрузочный ток , который в сумме с током  составит ток первичной обмотки . Таким образом, электрическая энергия, трансформируясь, будет передаваться из первичной сети во вторичную при напряжении, на которое рассчитан приемник энергии, включенный во вто­ричную сеть.

В целях улучшения магнитной связи между первичной и вторичной обмотками их помещают на стальном магнитопроводе. Обмотки изолируют как друг от друга, так и от магнитопровода. Обмотку более высокого напряжения называют обмоткой высшего напряжения (ВН), а обмотку более низкого напряжения — обмоткой низшего напряжения (НН). Обмотку, включенную в сеть источника электрической энергии, называют первичной; обмотку, от которой энергия подается к приемнику,— вторичной. Обычно напряжения первичной и вторичной обмоток неодинаковы. Если первичное напряжение меньше вторичного, трансформатор называют повышающим, если же первичное напряжение больше вторичного — понижающим. Любой трансформатор может быть использован и как повышающий и как понижающий. Повышающие трансформаторы применяют для передачи электроэнергии на большие расстояния, а понижающие - для распределения электроэнергии между потребителями.

В трехобмоточных трансформаторах на сердечнике помещают три изолированные друг от друга обмотки. Такой трансформатор дает возможность получить два различных напряжения и снабжать электрической энергией две различные группы приемников. Помимо обмоток ВН и НН трехобмоточный трансформатор имеет обмотку среднего напряжения (СН).

Обмоткам трансформатора придают преимущественно цилиндрическую форму, выполняя их при малых токах из круг­лого медного изолированного провода, а при больших токах из медных шин прямоугольного поперечного сечения. Ближе к сердечнику располагают обмотку НН, так как ее легче изолировать от него, чем обмотку ВН. Расположение обмоток на сердечнике трансформатора показано на рисунке 6.2. Обмотку НН изолируют от сердечника прослойкой из какого-либо изоляционного материала. Такая же изолирующая прокладка имеется между обмотками ВН и НН.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 6.2- Расположение обмоток трансформатора на магнитопроводе

 

При цилиндрических обмотках поперечному сечению стержня магнитопровода желательно придать круглую форму, чтобы в площади, охватываемой обмотками, не оставалось немагнитных промежутков. Чем меньше немагнитные промежутки, тем меньше длина витков обмоток, а следовательно, и масса меди при заданной площади сечения стального стержня. Однако стержни круглого сечения изготовить сложно. Магнитопровод набирают из тонких стальных листов и для получения стержня круглого сечения понадобилось бы большое число стальных листов различной ширины, а это потребовало бы изготовления множества штампов. Поэтому в трансформаторах большой мощности сердечник имеет ступенчатое поперечное сечение с числом ступеней не более 9-10. Число ступеней сечения сердечника определяется числом углов в одной четверти круга. Ярмо магнитопровода, т. е. та его часть, которая соединяет стержни, имеет также ступенчатое сечение.

Для лучшего охлаждения в магнитопроводах мощных трансформаторов устраиваются охлаждающие (вентиляционные) каналы в плоскостях, параллельных и перпендикулярных плоскостях стальных листов. Вентиляционные каналы устраивают также и на обмотках.

В трансформаторах малой мощности площадь поперечного сечения провода мала и выполнение обмоток упрощается. Магнитопроводы таких трансформаторов имеют прямоугольное поперечное сечение.

Полезную мощность, на которую рассчитан трансформатор по условиям нагревания, называют номинальной. Таким образом, номинальной мощностью трансформатора называется мощность его вторичной обмотки при полной (номинальной) нагрузке. Эта мощность выражается в единицах полной мощности, т. е. в вольт-амперах (В-А) или киловольт-амперах (кВ-А). Все прочие величины, характеризующие работу трансформатора в условиях, на которые они рассчитаны, также называют номинальными. Каждый трансформатор снабжается щитком из материала, не подверженного атмосферным влияниям. Этот щиток прикреплен к баку трансформатора на видном месте и содержит его номинальные данные, которые нанесены травлением, гравировкой, выбиванием или другими способами, обеспечивающими видимость и долговечность знаков.