3.3. Трансформатор тока

Трансформатор тока это такой же трансформатор, но включенный в цепь источника тока, рис. 33.

Рис. 34

Так как ток первичной стороны не зависит от напряжения, а сумма наведенных МДС внутри сердечника должна быть равной нулю, то ток вторичной стороны подчиняется равенству I₁*W₁=I₂*W₂ и также не зависит от напряжения вторичной стороны. Поэтому трансформатор тока по отношению к цепям вторичной стороны также является источником тока. Если замкнуть накоротко контакты вторичной стороны трансформатора, то ток останется неизменным. Поэтому в цепи источника тока предохранители никогда не ставятся. Более того разрыв вторичной цепи трансформатора тока ведет к резкому повышению магнитного потока. Следствием чего переключать вторичные цепи надо без разрыва цепи, применяя специальные коммутирующие устройства. Если бы цепь вторичной стороны оставалась короткозамкнутой, то

0=u=e=ϕ*v. Частота тока остается прежней, поэтому магнитный поток должен быть равным нулю, и в принципе стальной магнитопровод не требуется. Однако обычно напряжение вторичной цепи зависит от проходящего через нее тока. Тогда в катушках первичной и вторичной стороны должен иметь место синусоидальный магнитный поток ϕ, и для его проведения требуется стальной сердечник. Площадь этого сердечника должна быть такой, чтобы сталь оставалась не насыщенной. Поэтому появляется еще одна характеристика трансформаторов тока, так называемая Вольтамперная характеристика. Присоединенный к вторичной стороне прибор должен иметь Вольтамперную характеристику не выше этой же характеристики трансформатора тока.

Вольтамперная характеристика обязательно указывается в паспорте трансформатора тока. Если к трансформатору тока присоединяется, например, реле тока, то надо согласовать их Вольтамперные характеристики.

Среди многочисленных трансформаторов тока промышленностью выпускаются в большом количестве измерительные трансформаторы тока, первичной стороной которых является просто шина, на которую они крепятся. Цепь измерительных приборов должна быть согласована с вольтамперной характеристикой трансформатора тока, а присоединение должно соответствовать началам, указанным звездочкой или каким либо другим способом.

На этом вводная часть заканчивается. Далее следует рассмотрение различных электрических механизмов в плане обучения применению, выведенных во втором разделе курса, фундаментальных соотношений электричества к судовым электродвигателям в судовой электроэнергетической системе. То есть собственно к электромеханике. Основой всех дальнейших рассуждений будет следующее предложение «Приложенное напряжение всегда уравновешивается (равно противоэдс) ЭДС, которая образуется от взаимодействия магнитного потока и скорости, при неизменной скорости магнитный поток неизменен, а все наведенные (прочие) магнитодвижущие будут обязательно скомпенсированы. Токи в механизмах образуют в генераторах обратное действие согласно с правилом рассмотрения контуров».

3.4. Синхронный генератор и асинхронный двигатель

Система «Синхронный генератор и асинхронный двигатель», см. рис. 35. Рис. 35

Слева нарисован образ синхронного генератора, справа – асинхронного двигателя лебедки, поднимающей ящик с грузом. На этом рисунке ящик пустой, то есть двигатель работает на холостом ходе. Лебедка выбрана в качестве изображения источника постоянного момента (компрессор, якорный шпиль, брашпиль, момент этих и им подобных механизмов не зависит от частоты вращения). Вместо лебедки может быть гребной винт, вентилятор или циркуляционный насос, тогда момент будет зависеть от квадрата частоты вращения. В этом случае говорят, что потребитель имеет вентиляторную характеристику. Синхронный генератор полнополюсный, чтобы не отвлекаться от главных процессов в системе. Все распределения магнитных потоков и токов считаются синусоидальными по окружности статора, что достигается специальными конструктивными методами (сокращение шага секции относительно полюсного шага, специальной формой полюсов ротора и др.).

Начнем с подробного описания процессов в асинхронном двигателе. К трехфазной обмотке, имеющей фазы А (окрашиваемой условно по правилам Российского Морского Регистра Судостроения – РМРС) в желтый цвет, фазы В - в зеленый цвет, фазы С - в фиолетовый цвет. Для запоминания рекомендуется запомнить женское имя «Жозефина». На берегу фаза С окрашивается в красный цвет. Для запоминания рекомендуется запомнить более жесткое женское имя «Жозека». Фазы имеют начало, обозначенный буквой b (begin) и конец – e (end). Ротор асинхронного двигателя с короткозамкнутыми стержнями изображен внутри рисунка справа.

К статору асинхронного двигателя приложено трехфазное напряжение, которое в генераторе (слева) создается за счет вращения магнитного потока. Приводом вращения на рисунке изображен дизель. Напряжение уравновешивается ЭДС. Поэтому в статоре асинхронного двигателя должен образоваться вращающийся магнитный поток, а для его образования (поскольку имеется зазор между ротором и статором) должен пойти ток. Этот ток на рисунке асинхронного двигателя создает такой же, как и в генераторе, вращающийся магнитный поток (проверяется это с помощью правила буравчика). Справа по внешней окружности ток идет от нас, слева к нам. Слева в генераторе этот ток будет обратного действия (согласно с правилом рассмотрения контуров), он будет размагничивать ротор генератора. Справа ток генератора идет к нам, слева – от нас. Регулятор напряжения должен поддержать магнитный поток на прежнем уровне.

Ротор асинхронного двигателя не должен иметь ток, так как момент равен нулю. Следовательно, магнитный поток не должен пересекать стержни ротора. Поэтому ротор должен вращаться вместе с магнитным потоком, что и наблюдается на практике. В этом случае говорят о том, что ротор вращается с синхронной частотой вращения φ_r=φ.

Далее рассмотрим, что произойдет, если на валу электродвигателя создать момент - «загрузить ящик номинальным грузом», рис. 36.

Рис. 36

Момент механический должен быть уравновешен моментом электромагнитным. Поэтому в роторе должен быть ток, который во взаимодействии с магнитным потоком создаст движущий момент «m». Следовательно, в роторе должен возникнуть ток. Причем для взаимодействия с магнитным потоком этот ток должен иметь поперечное направление и в верхней части ротора быть направлен на нас (проверятся с помощью правила левой руки). Ток в роторе должен быть таким, чтобы удовлетворялось соотношение равновесия моментов ^.

Но, чтобы этот ток имел место, в роторе должна образоваться ЭДС, а для этого ротор должен отстать от магнитного потока, чтобы магнитный поток скользил по ротору. Чем меньше проводимость меди стержней ротора, тем больше скольжение. Обычно при номинальном моменте скольжение равно 3%, то есть 1,5 Герца. Но ток ротора, казалось бы, должен создать свой поперечный магнитный поток. Но этого, согласно с принципом компенсации всех наведенных МДС, быть не может. Поэтому в статоре сразу же пойдет ток противоположного направления. Если сопоставить этот ток с напряжением, то он оказывается в фазе с напряжением сети. То есть это активный ток.

Активный ток пойдет в статор синхронного генератора с обратным направлением в верхней и нижней полуокружности. В верхней полуокружности ток пойдет «на нас», в нижней - «от нас». Но ток статора, казалось бы, должен создать свой поперечный магнитный поток вправо. Но этого, согласно с принципом компенсации всех наведенных МДС, быть не может, так как должен остаться только магнитный поток, создающий противоэдс напряжению шин. Обратим внимание, что это напряжение шин А, В, С одинаковое, как для синхронного генератора, так и для асинхронного двигателя. Значит и магнитные потоки у них одинаковые.

Чтобы компенсировать активный ток статора ротор должен повернуться. Относительно магнитного потока на так называемый нагрузочный угол Ɵ.

Тогда появится МДС в поперечном направлении против МДС от активного тока статора. При этом на валу ротора синхронного генератора создастся момент, который будет действовать в другую сторону по отношению с направлением вращения. То есть активный ток статора создаст тормозной момент на валу дизеля. Благодаря регулятору частоты вращения дизеля он будет скомпенсирован движением рейки топливного насоса (как правило) внутрь корпуса топливного насоса высокого давления (ТНВД). Движение внутрь корпуса насоса сопровождается с увеличением подачи топлива на такт работы дизеля. Это и является причиной увеличения движущего момента на валу дизеля, приводящего к механическому равновесию. Когда наступит это равновесие система генератор – двигатель перейдет в установившийся режим. Таким образом, положение рейки топливного насоса определяется моментом на валу асинхронного двигателя и не зависит от частоты вращения дизеля. Если двигателей много, то можно говорить о суммарном моменте потребителей.

Всю эту взаимосвязь необходимо «прочувствовать» на практических занятиях. Будем считать, что она усвоена, и это ускорит рассмотрение других систем.