29. Линейный трансформатор: основные соотношения и эквивалентная схема замещения.

Электромеханическое преобразование энергии. Электрические машины как электромеханические преобразователи энергии. Индуктивные и емкостные электрические машины. Законы электромеханического преобразования энергии, режимы электрических машин.

Электрические машины служат для преобразования электрической энергии в механическую энергию (двигатели) и механической в электрическую (генераторы). В соответствии с этим определением их также называют электромеханическими преобразователями энергии. Принцип действия большинства современных электромеханических преобразователей энергии основан на одном из двух физических явлений. Первое – на проводник с током, находящийся в магнитном поле, действует сила. Под действием этой силы реализуются перемещения подвижных частей у большинства типов электрических машин. Второе – на материал со специфическим свойством (с высокой магнитной проницаемостью), помещенный в магнитное поле, действует сила, стремящаяся переместить его в зону с максимальной интенсивностью поля.

Создание полезной силы за счет второго явления в электрических машинах массового применения до недавнего времени встречалось относительно редко. В основном оно было характерно для различных электрических аппаратов (реле, контакторов и т.п.). Однако в последние годы все большее распространение получает новый тип электрических машин, так называемые вентильно-индукторные машины, в основе работы которых лежит именно это явление.

Преобразование энергии в обоих случаях основано на явлении электромагнитной индукции и связано с электродвижущими силами, индуцируемыми в проводниках при их помещении в периодически изменяющемся магнитном поле. Электрические машины, действие которых основано на явлении электромагнитной индукции, называют индуктивными. Существуют также другие виды электромеханических преобразователей энергии, основанные, например, на явлении электростатической индукции, пьезоэффекте и т.д., но область их применения ограничена, главным образом, из-за низких массогабаритных показателей и высокой стоимости.

Рис. 1.2. Основные конструктивные исполнения электрических машин: а — асинхронная; б — синхронная; в — коллекторная; г — индукторная

В большинстве типов электрических машин магнитное поле создается переменными токами обмоток статора и ротора. Однако существует класс машин, в которых поле создается постоянными токами обмоток, расположенных только на статоре. Преобразование энергии в них происходит за счет изменения магнитного потока в воздушном зазоре из-за изменения его проводимости при вращении poторa. Ротор в таких машинах имеет ярко выраженные зубцы, перемещение которых относительно статора вызывает изменение магнитного сопротивления на участках зазора и потокосцепления обмотки статора. Такие машины называют параметрическими или индукторными. Конструктивные исполнения индукторных машин весьма разнообразны. Наибольшее распространение получила конструкция индукторной машины с двумя роторами 1 и статорами 2 (рис. 1.4). Если роторы сдвинуты относительно друг друга на электрический угол 90°, общее магнитное сопротивление машины во время вращения роторов не изменяется и в обмотке возбуждения 3, питающейся постоянным током, не наводится переменная составляющая напряжения. Обмотки на роторах отсутствуют. При работе машины с обмоток переменного тока 4, расположенных в пазах каждого статора, снимается напряжение. Поток возбуждения замыкается по корпусу статора и втулке ротора 5, насаженной на вал.

Рис. 1.4. Индукторная машина с двумя роторами

Наибольшее распространение получили электрические машины вращательного типа. Они состоят из двух основных частей – статора и ротора, разделенных воздушным зазором. Ротор вращается, статор неподвижен. Обычно и статор и ротор изготовлены из листов электротехнической стали с высоким удельным сопротивлением (например, из кремнистой стали). Обмотка называется статорной или роторной в зависимости от того, где она находится.

Любая электрическая машина может работать как двигателем, так и генератором. Это основополагающее положение всей электромеханики. В двигательном режиме работы механическая мощность, вырабатываемая машиной, всегда меньше электрической мощности на величину потерь P_пот

Режимы

Кратковременный режим. Под кратковременным режимом понимают такой режим, в течение которого превышение температуры электрической машины достигает предельно допустимого значения для данного класса изоляции т_тах, но не достигает установившегося значения too. В этом режиме машина работает в. течение сравнительно небольшого периода времени /_Кр, перерыв же в работе tnep достаточно велик, чтобы она успела охладиться до температуры окружающей среды Ф_Окр.

Повторно-кратковременный режим. Электрические машины часто работают в повторно-кратковременном режиме, когда периоды работы машины под нагрузкой t_p периодически чередуются с периодами отключения машины (паузами) t_n, вследствие чего общее время работы машины разбивается на периодически повторяющиеся циклы продолжительностьюt_n=t_p+t_n. Согласно ГОСТу время цикла £_ц при работе машины в этом режиме не должно превышать 10 мин. Повторно-кратковременный режим характеризуется продолжительностью включения в процентах:

Перемежающийся режим. В этом режиме (рис. 9.28) кратковременные периоды работы под нагрузкой (рабочие периоды) чередуются с периодами холостого хода (паузами), при которых АР=АРо-

Перемежающийся режим характеризуется относительной продолжительностью нагрузки в процентах:

Роль трансформаторов в передаче и распределении электрической энергии. Классификация и назначение трансформаторов. Рабочий процесс трансформаторов. Коэффициент трансформации. Элементы конструкции трансформатора. Электродвижущие силы в обмотках трансформаторов. Уравнение магнитодвижущих сил.

Трансформатор— статическое электромагнитное устрой­ство, имеющее две или больше индуктивно связанных обмоток и предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции одной или нескольких систем переменного тока в одну или несколько других систем переменного тока.

Области применения трансформаторов. Трансформаторы широко используют для следующих целей.

1. В системах передачи и распределения электрической энергии.

2. В преобразовательных устройствах для обеспечения нужной схемы включения вентилей и согласования напряжений на входе и выходе преобразователя.

3. В различных электротехнологических установках для технологических целей: сварки (сварочные трансформаторы), питания электротермических установок (электропечные транс­форматоры.

4. В устройствах связи, автоматики и телемеханики, электробытовых приборов, для питания цепей радио- и те­левизионной аппаратуры, разделения электрических цепей различных элементов этих устройств; согласования напряже­ний и т. п.

5. В электроизмерительных устройствах для включения электроизмерительных приборов в электрические цепи высокого напряжения или в цепи, по которым проходят большие токи, с целью расширения пределов измерения и обеспечения электробезопасности.

Классификация трансформаторов:

· по назначению:

а) силовые общего назначения;

б)специального назначения: разделительные трансформаторы; измерительные трансформаторы тока; измерительные трансформаторы напряжения; сварочные трансформаторы; выпрямительные трансформаторы; автотрансформаторы; импульсные трансформаторы и др.

· по числу фаз:

а) однофазные (О);

б) трёхфазные (Т);

· по системе охлаждения:

а) сухие (С);

б) масляные (М);

· по числу обмоток пересекаемых

одним магнитным потоком (Ф):

а) однообмоточные;

б) двухобмоточные;

в) многообмоточные;

· по типу магнитопровода:

а) броневого типа;

б) стержневого типа;

в) бронестержневого типа.

Назначение.С помощью трансформато­ров повышается или понижается напряжение, изменяется число фаз, в некоторых случаях преобразуется частота переменного тока. 1. Для передачи и распределения электрической энергии.

2. Для обеспечения нужной схемы включения вентилей в преобразовательных устройствах и согласования напряжения на выходе и входе преобразователя. Трансформаторы, применяемые для этих целей, называются преобразовательными.

3. Для различных технологических целей: сварки (сварочные трансформаторы), питания электротермических установок (электропечные трансформаторы) и др.

4. Для питания различных цепей радиоаппаратуры, электронной аппаратуры, устройств связи и автоматики, электробытовых приборов.

5. Для включения электроизмерительных приборов и некоторых аппаратов (реле и др.) в электрические цепи высокого напряжения или же в цепи, по которым проходят большие токи, с целью расширения пределов измерения и обеспечения электробезопастности. Трансформаторы, применяемые для этих целей, называются измерительными.

Рабочий процесс трансформаторов.  Электромагнитная схема однофазного двухобмоточного трансформатора состоит из двух обмоток (рис. 2.1), размещенных на замкнутом магнитопроводе, выполненном из ферро-магнитного материала. Применение ферромагнитного магнитопровода позволяет усилить электромагнитную связь между обмотками, т. е. уменьшить магнитное сопротивление контура, по которому проходит магнитный поток машины.

Первичную обмотку 1 подключают к источ­нику переменного тока - электрической сети с на­пряжением u₁. К вторичной обмотке 2 присоеди­няют сопротивление нагрузки Z_M.

Обмотку более высокого напряжения называют обмоткой высшего напряжения (ВН), а низкого напряжения обмоткой низшего напряжения (НН).

Начала и концы обмотки ВН обозначают буквами А и X; обмотки НН буквами а и х.

Коэффициент трансформации.  Отношение ЭДС Е_ВН обмот­ки высшего напряжения к ЭДС Е_НН обмотки низшего напря­жения (или отношение их чисел витков) называют коэффици­ентом трансформации:

Коэффициент k всегда больше единицы.

Магнитная система. В зависимости от конфигурации магнитной системы, трансформаторы подразделяют на стержневые (рис. 1.3, а), броневые (рис.1.3, б) и тороидальные (рис. 1.3, в).

Электродвижущие силы (Ответ в 2-3) Стержнем называют часть магнитопровода, на которой размещают обмотки (рис. 1.3; 2). Часть магнитопровода, на которой обмотки отсутствуют, называют ярмом (рис. 1.3; 1). Трансформаторы большой и средней мощности обычно выполняют стержневыми. Они имеют лучшие условия охлаждения и меньшую массу, чем броневые.

Закон равновесия магнитодвижущих сил (МДС) в трансформаторе:

 , где: F₁ и F₂ – МДС, создаваемые первичной и вторичной обмотками трансформатора при нагрузке; F₁₀ – МДС, создаваемая первичной обмоткой при ХХ.

При переменном токе: 

(1.14)  , где:  - нагрузочная составляющая тока первичной обмотки (приведенный ток нагрузки).