Лекции / ЛЕКЦИЯ6_09

6 ТРАНСФОРМАТОРЫ. ТРЁХФАЗНАЯ СИСТЕМ.

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ УСТРОЙСТВА. ВРАЩАЮЩЕЕСЯ МАГНИТНОЕ ПОЛЕ. АСИНХРОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ

6.1 Трансформаторы

Трансформатором называется устройство, предназначенное для преобразо-

вания величин переменных напряжений и токов.

Простейший трансформатор состоит из двух индуктивно связанных кату-

шек с индуктивностями L1 и L2, расположенных на общем сердечнике.

Катушка, к которой подключается источник, называют первичной, а к ко-

торой подключают нагрузку – вторичной. Сердечник может быть выполнен из фер-

ромагнитного или неферромагнитного материала. Примером трансформатора по-

следнего типа является воздушный трансформатор, находящий широкое примене-

ние.

Воздушный трансформатор. На рисунке 6.1 изображена схема простейшего воздушного трансформатора с потерями в первичной R1 и вторичной R2 катуш-

ках (обмотках), нагруженного на комплексное сопротивление Z& Н = RН + jXН.

Рисунок 6.1 – Эквивалентная схема воздушного трансформатора

Составим уравнение трансформатора по ЗНК для I и II контуров:

Величины R1ВН и X1ВН, R2ВН и Х2ВН определяются из (4) с учетом (2):

Знак «–» в уравнениях (7) свидетельствует о размагничивающем действии

вторичной обмотки на первичную.

Воздушный трансформатор может быть представлен двухконтурной схемой замещения. Эта схема получается непосредственно из схемы, изображенной на рисунке 6.2, после объединения в один узел одноименных зажимов и развязки индуктивных связей. Таким образом, для определения токов в воздушном трансформаторе могут быть использованы однолибо двухконтурные эквива-

лентные схемы замещения.

Существует еще понятие идеального трансформатора, у которого потери равны нулю, индуктивности катушек бесконечно велики, а их отношение равно

коэффициенту трансформации kтр = L1/L2 = w1 /w2 , где w1, w2 – число витков пер-

вичной и вторичной катушек.

В идеальном трансформаторе отношение как токов, так и напряжений не зависит от нагрузки иопределяются только коэффициентом трансформации

kтр.

Трансформатор с ферромагнитным сердечником.

Ферромагнитный сердечник применяется для увеличения магнитного потока и связи между катушками, что приводит к росту мощности, отдаваемой во вторичную цепь трансформатора. При этом по своим свойствам онприближа-

ется к идеальному трансформатору, но становится нелинейным устройством

вследствие появления дополнительных потерь на гистерезис и вихревые токи.

Однако на практике трансформатор с ферромагнитным сердечником стараются

конструировать таким образом, чтобы нелинейность была мала, и ею можно было

пренебречь.

6.2 Трехфазная система

В электроэнергетике для получения синусоидальных токов и напряжений

широкое применение получили трехфазные цепи.

Трехфазной цепью называют совокупность трех однофазных электри-че ских цепей (фаз), в каждой из которых действует задающее напряжение одной

и той же частоты, сдвинутые относительно друг друга на определенный угол

(обычно 120°).

Трехфазная цепь (понятие «фазы» здесь является чисто конструктивным

термином и ничего не имеет общего с фазой комплексной величины тока или напряжения) была предложена М. О. Доливо-Добровольским (1891 г.), который

разработал все основные её элементы: генераторы, трансформаторы, линии электро-

передачи, трехфазные двигатели.

Трехфазные цепи имеют ряд технико-экономических преимуществ п

сравнению с однофазными: экономичность, меньшие пульсации выпрямленного

напряжения, простота реализации, возможность создания вращающегося маг-

нитного поля в асинхронном двигателе и др., которые обусловили их широкое рас-

пространение.

Трехфазное напряжение может быть получено с помощью трехфазного

синхронного генератора – электрической машины, при вращении ротора которой

в обмотках A, В, C статора генерируются напряжения, имеющие одинаковую часто-

ту и амплитуду, но сдвинутые относительно друг друга на угол 2p/3 (рисунок 6.3):

Соединение звездой может осуществляться с нулевым проводом и без

него (на рисунке 6.4 показано штриховой линией).

При соединении треугольником начало одной фазной обмотки соединяют с концом следующей по порядку фазной обмотки, образуя замкнутый треугольник

(рисунок 6.5).

На практике применяют различные комбинации соединения фаз генератора и нагрузки: звезда-звезда, треугольник-треугольник, звезда-треугольник и др.

Напряжения и токи в фазах генератора и нагрузки называютсяфазными и

. .

обозначаются U ф и I ф . Напряжения между линейными проводами и токи в них

. .

называют линейными и обозначаются U л , I л .

Из рисунков 6.4 и 6.5 следует, что при соединении звездой и симметричной на-

грузке I л = I ф , а при соединении треугольником U л = U ф во всех фазах.

. .

Для нахождения соотношений междуU л , U ф при соединении звездой и

диаграммы напряжений и токов(рисунок 6.6) для соединений звездой и тре-

.

угольником (случай Z = R ).

Из представленных диаграммнетрудно получить соотношения между ли-

нейными и фазными действующими напряжениями и токами при соединениях

звездой: U л = 3Uф и треугольником I л = 3Iф .

Рисунок 6.6 – Векторные диаграммы соединений звездой и треугольником

6.3 Электромагнитные устройства

Одним из наиболее распространенных компонентов современной автома-

тики является реле, которое обеспечивает скачкообразное изменение выходного

сигнала при подаче на вход управляющего сигнала.

На рисунке 6.7 изображена схема электромагнитного реле. Сердечник 1,

ярмо 2 и якорь 3 изготовляются из электротехнической стали. При прохождении то-

ка i по обмотке 4 якорь притягивается к сердечнику, замыкая контакты 5, прива-

ренные к упругим пластинкам из фосфористой бронзы. Все металлические детали крепятся на изоляционном основании. При обесточивании обмотки реле якорь воз-

вращается в исходное состояниепружиной 6 и токопроводящие контакт реле раз-

мыкаются.

Рисунок 6.7 – Электромагнитное реле

Реле срабатывает (замыкает контакты) при определенном токе – токе сраба-

тывания IСР. Для получения надежного контакта обмотку сердечника реле питают током, который в 3-4 раза превышает ток срабатывания.

При подключении напряжения uВХ ток i нарастает по экспоненциальному за-

кону и достигает тока срабатывания через некоторое время, обычно равное сотым долям секунды. Это время примерно равно времени срабатывания.

Ток, при котором якорь отрывается от сердечника, называют током от-

пускания IОТП. Вследствие гистерезиса магнитной системы реле ток отпускании ока-

зывается в несколько раз меньше тока срабатывания.

Электромагнитное реле можно сделать чувствительным к полярности напряжения, подводи-

мого к обмотке сердечника. Это достигается некоторым усложнением конструкции реле и подмагни-

чиванием сердечника с помощью встроенного постоянного магнита. При этом управляющее напря-

жение положительной полярности вызывает замыкание одной пары контактов, при изменении полярности напряжения якорь отклоняется в противоположную сторону и замыкает другую пару контактов. Такое реле называется поляризованным.

Всистемах автоматики нередко возникает необходимость включения агрегатов

иисполнительных устройств в определенном порядке последовательно во времени.

Реле, у которого замыкание(размыкание) контактов происходит с необходи-

мой задержкой, называют реле времени.

Еще одна разновидность реле – это магнитоуправляемые контакты, заклю-

ченные в герметичный корпус (герконы). В стеклянную ампулу впаяны две пластины из

магнитомягкого материала, покрытые тонким слоем металла с высокой электропроводностью. Кол-

ба заполнена инертным газом, предупреждающим окисление контактов. Пластинки монтируются та-

ким образом, что между их контактирующими концами остается зазор. Если к геркону поднести постоянный магнит, то пластинки намагничиваются и притягиваются друг к другу.

Вместо постоянного магнита можно использовать обмотку, размещенную на колбе. При подаче управляющего тока в обмотке возникает магнитное поле, через пластинки замыкается магнитный поток. Намагниченные таким образом пластинки взаимно притягиваются, образуя контактное соединение.

6.4 Вращающееся магнитное поле, принцип работы асинхронного двига-

теля

Одним из главных достоинств трехфазных цепей является возможность по-

лучения вращающихся магнитных полей, лежащих в основе работы наиболее распространенных типов двигателей – асинхронных двигателей.

Принцип получения вращающегося магнитного поляможно проиллюстри-

ровать на примере двух взаимно перпендикулярных катушек индуктивностей.

На рисунке 6.8 показан в разрезе один виток каждой катушки, питаемых сину-

соидальными токами i1 и i2.

Под действием этих токов создаются магнитные поля с индукцией в точке

пересечения катушек (ток течет от конца, помеченного знаком «х» к концу «.»):

B1 = Bmsinwt и B2 = Bmcoswt.

Результирующий вектор магнитной индукцииопределяется выражением

(8):

Рисунок 6.8 – Магнитное поле двух взаимно перпендикулярных катушек ин-

дуктивности

Аналогичным образом может быть образовано вращающееся магнитное поле в трехфазной системе с токами, создающими мгновенные значения индукции:

Введем в рассмотрение фазовый оператор a = ej2p/3 .

Тогда результирующий вектор индукции B& определится как: