1.6 Трансформаторы

Трансформатором называется устройство, предназначенное для преобразования напряжения переменного тока одной величины в напряжение переменного тока другой величины.

Простейший трансформатор изображен на рис. 1.30, а и со­стоит из замкнутого сердечника, набранного из отдельных, изоли­рованных друг от друга листов трансформаторной стали. На сер­дечнике размещаются обмотки. Обмотка, которая подключается к источнику переменного тока, называется первичной. Обмотки, к которым присоединяют потребителей, называются вторичными.

Переменный ток, протекая по первичной обмотке, создает в сердечнике магнитный поток Ф. Магнитный поток пронизывает все обмотки одновременно и в каждой из них индуктирует переменную ЭДС, величина которой пропорциональна Числу витков в обмотке. Чем больше витков в обмотке, тем больше ЭДС:

где Е₁ — ЭДС первичной обмотки (ЭДС самоиндукции);

Е₂ — ЭДС вторичной обмотки (ЭДС взаимоиндукции);

w₁ и w ₂ — число витков в первичной и вторичной обмотках.

Пренебрегая падением напряжения внутри обмоток, можно считать, что при отключенной нагрузке (холостом ходе) индукти­руемые ЭДС в обмотках равны напряжениям, действующим на первичной и вторичной обмотках:

где U₁ и U₂ — напряжения на первичной и вторичной обмотках.

Следовательно, напряжение на вторичной обмотке тем больше, чем больше она имеет число витков.

Отношение напряжения на зажимах первичной обмотки к на­пряжение на вторичной обмотке называется коэффициентом трансформации К:

Трансформатор называется понижающим, если напряжение на вторичной обмотке меньше, чем напряжение на первичной обмот­ке (К>1).

Трансформатор называется повышающим, если напряжение на вторичной обмотке больше, чем напряжение на первичной обмотке (К<1).

При подключении потребителя по вторичной обмотке потечет ток I₂, который создает магнитный поток, направленный на встречу магнитному потоку первичной обмотки. Поток первичной обмотки уменьшается, это вызывает уменьшение в ней ЭДС самоиндукции E­₁, в результате чего в первичной обмотке увеличивается ток I₁. Увеличение тока I1 происходит до тех пор, пока магнитный поток первичной обмотки трансформатора не станет прежним.

Таким образом, с увеличением тока вторичной обмотки растёт ток первичной обмотки, а при уменьшении тока во вторичной обмотке ток первичной обмотки уменьшается.

Если не учитывать потери в обмотках трансформатора, то можно считать мощности первичной и вторичной обмоток одинаковыми:

следовательно,

Это означает, что в повышающем трансформаторе увеличение напряжения во вторичной обмотке происходит за счёт уменьшения тока в ней, а в понижающем трансформаторе уменьшение напряжения происходит за счёт увеличения тока вторичной обмотки.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Объяснить принцип работы трансформатора.

2. Как устроен трансформатор?

3. Что называется коэффициентом трансформации?

1.7 Электрические машины

1.7.1Асинхронный двигатель

Асинхронным двигателем называется машина, преобразующая электрическую энергию переменного тока в механическою торой скорость вращения ротора зависит от нагрузки Асинхронные двигатели бывают трехфазные, двухфазные и однофазные Конструкция трехфазных асинхронных двигателей, разработанная русским инженером Доливо-Добровольским М. О в 1896г. С небольшими усовершенствованиями сохранилась до настоящего времени.

Асинхронный двигатель состоит из двух основных частей: ста­тора и ротора. Статор является неподвижной частью двигателя (рис. 1.31, а), С внутренней стороны статора сделаны пазы, куда укладываются фазные обмотки.

У трехфазного асинхронного двигателя три обмотки. Они вы­полнены одинаково и размещаются под углом 120°. По обмоткам протекает трехфазный ток, который создает магнитное поле, вра­щающееся с частотой

где п — число оборотов, об/мин;

f₁ — частота переменного тока, Гц;

р — число пар полюсов.

Ротор — вращающаяся часть двигателя. Он может быть корот­козамкнутым и фазным. В двигателях с короткозамкнутым рото­ром обмотка выполнена в виде медных или литых алюминиевых стержней, замкнутых по торцам между собой (рис. 1.31, б,в)

В двигателях с фазным ротором последний имеет фазные об­мотки (рис. 1.32, а, б). Они выполняются по типу обмоток ста­тора и имеют такое же число фаз. Обмотки соединяются «звез­дой», т. е. концы их соединены в одну точку, а начала подсоеди­няются к медным кольцам, закрепленным на валу. У таких двига­телей- есть приспособление, дающее возможность либо включать роторную обмотку последовательно с реостатом во время пуска, либо замыкать ее накоротко во время работы. '

Для уменьшения потерь на вихревые токи статоры и роторы асинхронных двигателей набираются из отдельных изолированных друг от друга листов электротехнической стали толщи­ной 0,5 мм.

Если подключить статорные обмотки двигателя к сети трех­фазного переменного тока, то внутри статора возникает вращаю­щееся магнитное поле. Это поле пересекает одновременно обмотки статора и ротора. В статорных обмотках индуктируются противоэлектродвижущие силы, определяющие величину токов обмоток.

В роторных обмотках индуктируются ЭДС, под действием ко­торых в обмотках протекают токи. Токи обмоток ротора, взаимо­действуя с вращающимся магнитным полем статора, создают вра­щающий момент, в результате которого ротор начинает вра­щаться в сторону вращения поля статора.

Если предположить, что ротор вращается с такой же скоро­стью, с какой вращается магнитное поле, то токи в обмотках ро­тора исчезнут. Исчезновение токов приведет к тому, что ротор на­чнет вращаться медленнее, чем поле статора. При этом поле ста­тора начнет пересекать обмотки ротора и на него вновь будет воз­действовать вращающий момент.

Следовательно, ротор при своем вращении всегда должен иметь частоту вращения меньшую, чем частота вращения поля статора. Отсюда двигатель получил название асинхронного (неод­новременного). Разница между частотой вращения поля статора п и частотой вращения ротора ti\ характеризуется величиной S, называемой скольжением:

Для асинхронного двигателя скольжение изменяется от еди­ницы до величины, близкой к нулю.

Во время пуска двигателя, когда ротор еще неподвижен (скольжение S=1), частота пересечения обмоток ротора враща­ющимся магнитным полем наибольшая. В обмотках ротора индук­тируются наибольшие ЭДС, которые вызывают большой ток. Токи обмоток ротора создают свое вращающееся магнитное поле, на­правленное навстречу вращающемуся магнитному полю статора и уменьшают его. В результате уменьшается противоэлектродвижущая сила, токи в обмотках статора растут. Пусковой ток пре­вышает номинальный в 4—7 раз.

Для уменьшения пускового тока обмотки статора на время пуска соединяют «звездой». Как только ротор двигателя разовьет номинальную скорость и ток статорных обмоток станет номиналь­ным, обмотки статора переключают со «звезды» на «треугольник».

Частота вращения ротора двигателя с фазным ротором регули­руется реостатом, включенным в обмотки ротора. Изменяя сопро­тивление реостата, изменяется ток в роторе, при этом изменяется поле ротора, соответственно изменяется сила взаимодействия полей ротора и статора. Таким образом, изменяется величина скольжения.

Частота вращения ротора двигателей с короткозамкнутым ро­тором регулируется либо переключением числа пар полюсов, либо изменением подводимого напряжения.

В радиолокационных станциях трехфазные асинхронные дви­гатели применяются для вращения антенн, вентиляторов, мотор­ных реле времени и т. д.

Широко применяются в следящих системах РЛС двухфазные асинхронные двигатели. Очи отличаются от трехфазных тем, что на статоре имеются две обмотки, сдвинутые в пространстве на угол 90°. По каждой из этих обмоток .протекает однофазный ток со сдвигом по фазе, равным 90°. Такая система сдвига токов в пространстве и по фазе создает вращающееся магнитное поле.

Ротор двухфазных двигателей короткозамкнутый.