книги из ГПНТБ / Лебедев, Н. Н. Электротехника и электрооборудование учеб. пособие [для монтаж. и строит. спец. техникумов]

Яя — сопротивление обмотки якоря, Ом.

В начальный момент пуска электродвигателя, когда якорь еще неподвижен и его противоэлектродвижущая сила равна нулю, ток в якоре может достичь большой величины. По закону Ома он будет ра­ вен напряжению, деленному на сопротивление обмотки якоря. В связи с этим для пуска электродвигателей постоянного тока применяют реостаты, ограничивающие силу тока в якоре в момент пуска.

Схемы включения электродвигателей с параллельным и последо­ вательным возбуждением представлены на рис. 8.9. Следует иметь ввиду, что обмотка возбуждения двигателя параллельного возбуждения должна включаться так, чтобы она всегда находилась под полным на­ пряжением сети (см. рис. 8.9, а).

§ 8.5. Механические характеристики электродвигателей постоянного тока

Механической характеристикой электродвигателя, как уже указы­ валось в § 7.6, называется зависимость его скорости вращения от раз­ виваемого им момента, т. е. п — f (М). Характеристика может быть выражена математической формулой и изображена графически.

Величину вращающегося момента двигателя постоянного тока оп­ ределяют по формуле

130

С.увеличением нагрузки двигателя вследствие торможения якоря

иуменьшения его скорости начинает уменьшаться противоэлектродвижущая сила и поэтому величина тока возрастает, что видно из при­ веденной выше формулы (8.1).

Скорость двигателя при изменении тока в якоре можно выразить уравнением:

где п — число оборотов в минуту.

Из формулы (8.3), определяющей скоростную характеристику, вид­ но, что скорость вращения электродвигателя постоянного тока прямо пропорциональна подводимому к нему напряжению U и обратно про­ порциональна магнитному потоку полюсов Ф.

Если в формулу (8.3) подставить значение тока / я из формулы (8.2):

,М

‘я *= n s , получим математическое выражение механической характеристики двигателей постоянного тока:

Все три формулы: (8.2), (8.3) и (8.4) справедливы для всех электро­ двигателей постоянного тока. Вместе с тем свойства двигателей парал­ лельного и последовательного возбуждения, определяемые этими фор­ мулами, весьма различны. Дело в том, что в двигателях параллельного возбуждения (см. схему рис. 8.9, а) ток, протекающий через обмотку возбуждения, имеющую напряжение сети, не зависит от нагрузки дви­ гателя. Следовательно, и магнитный поток в этих двигателях является величиной постоянной, не зависящей от нагрузки двигателя. В двига­ телях же последовательного возбуждения через обмотку возбуждения проходит весь ток электродвигателя (см. рис. 8.9, б), в связи с чем маг­ нитный поток электродвигателя возрастает вместе с нагрузкой (пример­ но пропорционально росту величины тока / я).

При учете этого обстоятельства анализ формулы (8.4) показывает, что у двигателей параллельного возбуждения рост нагрузки (враща­ ющего момента М) вызывает лишь незначительное уменьшение скорости вращения; у двигателей же последовательного возбуждения при уве­ личении нагрузки скорость вращения резко снижается.

Графически естественная механическая характеристика двигателей параллельного возбуждения изображается прямой линией, слегка на­ клонной к горизонтальной оси, а двигателей последовательного воз­ буждения — ниспадающей кривой типа гиперболы.

Таким образом, естественная механическая характеристика электро­ двигателя параллельного возбуждения — жесткая; она подобна такой же характеристике асинхронного электродвигателя (устойчивой его работе). У двигателя же последовательного возбуждения ествественная механическая характеристика — мягкая.

На рис. 8.10 приведены искусственные (реостатные) механические характеристики двигателей параллельного (а) и последовательного (б)

возбуждений, полученные введением дополнительного сопротивления в цепь якоря. Из рисунка видно, что у двигателей параллельного воз­ буждения введение дополнительного сопротивления в цепь якоря из­ меняет характеристику: они становятся мягче; то же и у двигателей по­ следовательного возбуждения. Мягкость характеристики возрастает с увеличением вводимого сопротивления..У двигателей параллельного возбуждения искусственные характеристики могут быть получены так­ же изменением магнитного потока возбуждения включением в его цепь дополнительного сопротивления. Характеристики при этом остаются жесткими.

Рис. 8.10. Механические характеристики электродвигате­ лей постоянного тока;

о —с параллельным возбуждением; б — с последовательным возбуждением; естественные характеристики без дополни­ тельного сопротивления; Rt — R* — искусственные характеристи­ ки с добавочными сопротивлениями реостата Ri<.Ri<.Rs<Rt

Из рассмотрения механической характеристики двигателей после­ довательного возбуждения можно сделать некоторые выводы. Эти двигатели, во-первых, развивают большой вращающийся момент при малых оборотах (в частности, при пуске в ход) и, во-вторых, обладают большой перегрузочной способностью. Вместе с тем с уменьшением нагрузки на валу число оборотов двигателя быстро возрастает и при малых нагрузках (меньше % нормальной) он приобретает скорость, опасную для его целостности. Вхолостую, т. е. без нагрузки, электро­ двигатели последовательного возбуждения вообще нельзя пускать: они идут, как принято говорить, в «разнос». Это является их отрица­ тельным свойством.

Такого рода электродвигатели больше всего подходят для привода подъемно-транспортных устройств. Их широко применяют в электри­ ческой тяге (трамваи, троллейбусы, электрифицированные железные дороги). А в строительной практике двигатели последовательного воз­ буждения используют на мощных экскаваторах с питанием от двига­ тель-генераторов и на электрических погрузчиках с питанием от ак­ кумуляторов. Управляют крупными двигателями с последовательным возбуждением контроллерами (контроллеры, см. гл. 12).

132

§ 8.6. Регулирование скорости электродвигателей постоянного тока

Регулирование скорости двигателей постоянного тока, как видно из формулы (8.3), может быть достигнуто следующими способами: вве­ дением сопротивления в цепь якоря; изменением магнитного потока; изменением напряжения, подводимого к двигателю.

В в е д е н и е м с о п р о т и в л е н и я в цепь якоря можно ре­ гулировать скорость двигателя только в сторону ее уменьшения. Этот способ применим для подъемников, лебедок, поршневых компрессоров, насосов и т. п. Однако он связан со значительными потерями электро­ энергии, обусловленными нагревом добавочного сопротивления, через которое протекает весь ток якоря.

Большее применение имеет регулирование скорости вращения дви­ гателя и з м е н е н и е м м а г н и т н о г о п о т о к а (его уменьше­ нием). Таким способом можно регулировать скорость вращения дви­ гателя только в сторону ее увеличения. У двигателя параллельного возбуждения для этой цели включают реостат в цепь обмотки возбуж­ дения; увеличивая сопротивление реостата, снижают ток возбуждения и уменьшают этим самым магнитный поток; скорость вращения двига­ теля увеличивается.

У двигателя последовательного возбуждения реостат включают па­ раллельно обмотке возбуждения (шунтируют ее реостатом); уменьшая в данном случае сопротивление реостата, снижают величину тока, про­ текающего через обмотку, уменьшают при этом магнитный поток, соз­ даваемый обмоткой; скорость вращения двигателя увеличивается.

Регулирование скорости вращения и з м е н е н и е м н а п р я ­ ж е н и я , подводимого к электродвигателю, рассматривается в следую­ щем параграфе при описании электропривода по системе генератордвигатель.

§ 8.7. Электропривод по системе генератор-двигатель (Г-Д)

Для экономичного регулирования скорости вращения двигателей постоянного тока в широких пределах и плавного их пуска применяет­ ся система генератор-двигатель (Г-Д). В электроприводе по системе Г-Д можно получить пределы регулирования скорости приводного электро­ двигателя до 20:1.

На рис. 8.11 приведена схема системы генератор-двигатель, в кото­ рой генератор постоянного токд Г, приводимый во вращение от асин­ хронного электродвигателя АД (или любого двигателя иного вида), электрически соединен с двигателем постоянного тока Д. Вал двигате­ ля Д жестко соединен с валом рабочей машины, число оборотов кото­ рой подлежит регулированию. Как генератор, так и электродвигатель постоянного тока имеют независимое возбуждение от отдельного воз­ будителя В. Возбудитель представляет собой генератор постоянного тока с параллельным возбуждением, который насажен на один вал с электродвигателем переменного тока. Пуск приводного электродви­ гателя постоянного тока Д производится без пускового реостата повы-

133

шением напряжения на зажимах генератора Г. К зажимам пускового приводного электродвигателя Д можно подвести направление любой малой величины увеличением сопротивления в цепи обмотки возбуж­ дения ВГ генератора постоянного тока. С увеличением тока возбужде­ ния генератора увеличивается напряжение на его зажимах, а следова­ тельно, и на зажимах электродвигателя Д, вследствие чего его скорость возрастает. Таким образом, управляют пуском и регулируют скорости вращения двигателя Д только изменением тока возбуждения генерато­ ра, а при необходимых случаях и двигателя без реостатов. Этим упро­

---нитный поток Ф. Уменьшение подводи­

Систему Г-Д применяют в строительстве для привода крупных эк­ скаваторов и бурильных установок.

В тех случаях, когда система Г-Д не может создать усилий, достаточ­ ных для преодоления больших перегрузок, используют управление электроприводом по системе ТГ-Д (трехобмоточный генератор-двига­ тель), в которой генератор постоянного тока имеет три обмотки воз­ буждения. независимого возбуждения, параллельного возбуждения и последовательного возбуждения, а приводной электродвигатель_ одну обмотку независимого возбуждения. При соответствующем под­ боре ампер-витков последовательной обмотки возбуждения генератора ее магнитный поток при перегрузке приводного электродвигателя выше допустимой становится равным и направленным противоположно сум­ марному потоку обмоток независимого и параллельного возбуждения.

Это размагничивает генератор. Напряжение генератора и момент приводного электродвигателя снижаются до нуля и электродвигатель останавливается. Когда вращающий момент становится ниже макси­ мально допустимого, электродвигатель снова начинает вращаться 1аким образом, защита рабочей машины и электропривода от разруше­ ния и работа агрегата осуществляются автоматически.

ГЛАВА ДЕВЯТАЯ

ТРАНСФОРМАТОРЫ

§ 9.1. Общие сведения

Трансформаторами называют аппараты, работающие на переменном токе, предназначенные для преобразования электрической энергии од­ ного напряжения в энергию другого напряжения. Те из них, которые преобразуют низшее напряжение в высшее, называются п о в ы с и ­ т е л ь н ы м и , а осуществляющие обратный процесс, т. е. понижа­ ющие напряжение электроэнергии, —п о н и з и т е л ь н ы м и . Тран­ сформаторы могут иметь различные назначения. Так, в условиях строи­ тельства трансформаторы применяются: для передачи электроэнергии, сварочных работ, электропрогрева бетона, работы электроинструмен­ тов и в измерительных целях. Трансформаторы для передачи электро­ энергии н а з ы в а ю т с и л о в ы м и .

Силовые трансформаторы играют существенную роль в энергети­ ческом хозяйстве страны. Без них была бы невозможной передача электроэнергии на сколько-нибудь значительные расстояния. Извест­ но, что мощность электрического тока — постоянного и переменного — пропорциональна произведению напряжения на ток. Известно также, что выбор сечения проводов при передаче электрической энергии зави­ сит от тока, проходящего по проводам; чем больше ток, тем с большим сечением приходится выбирать провода во избежание чрезмерных по­ терь в них напряжения и энергии.

Отсюда следует, что при передаче электрической энергии необхо­ димо, чтобы ток получился возможно меньшим, а это может быть до­ стигнуто лишь за счет повышения напряжения. Положим, требуется передать электроэнергию для питания участка строительства, где об­

б) при напряжении 10 000 В (10 кВ): :

320-1000

23 А.

1,73-10000-0,8

Из сравнения полученных результатов вытекает вывод, что при на­ пряжении 380 В передача заданной электрической мощности даже на небольшое расстояние порядка 1—2 км технически трудно осуществима, так как при токе 610 А сечения проводов для такой передачи оказались бы чрезвычайно большими. При напряжении же 10 кВ (именно на та­ ком напряжении организуются магистральные электрические сети на

135

стройках), при токе 23 А, передачу необходимой мощности можно осу­ ществить просто и экономично небольшим сечением проводов.

Чем больше передаваемая мощность и чем на большее расстояние не­ обходимо ее передать, тем выше требуется напряжение электропереда­ чи. Расчеты показывают, что повышение напряжения в п раз увеличи­ вает возможности передачи электроэнергии в п2раза.

Генераторы районных электростанций вырабатывают электроэнер­ гию при напряжении порядка 10 000 В (10 кВ). А дальше у электро­ энергии может быть два пути. Близлежащие к электростанции районы снабжаются энергией при данном генераторном напряжении. На месте потребления это напряжение преобразуется при помощи понизительных трансформаторов в напряжение 380 и 220 В. Для перадачи электроэнер­ гии к промышленным предприятиям и городам, расположенным на да­ леком расстоянии от электростанции, напряжение энергии предвари­ тельно повышается на повысительных трансформаторах до 110 , 220, 330, 500 кВ. В районах использования электроэнергия высокого на­ пряжения снова преобразуется. Посредством понизительных транс­ форматоров напряжение обычно понижается два раза: сначала до 35, 10 или 6 кВ для местных электросетей, а затем уже на месте потреб­ ления — до 380 или 220 В.

Таким образом, силовые трансформаторы многократно участвуют в передаче потока электроэнергии по стране.

Государственным стандартом (ГОСТом) установлены линейные на­ пряжения трехфазного переменного тока для электроприемников до 1000 В: 220, 380 и 660 В. Учитывая потерю напряжения в сетях до электроприемников, понизительные трансформаторы по ГОСТу должны иметь номинальные напряжения (на низшей стороне) соответственно 230, 400 и 690 В. Далее ГОСТ предусматривает напряжения свыше

1000 В: 3, 6, 10, 20, 35, ПО, 150, 220, 330, 500 и 750 кВ*.

На строительных площадках сравнительно редко приходится иметь дело с установками напряжением выше 10 кВ. Поэтому в дальнейшем изложении будут описаны трансформаторы, работающие при напряже­ нии до 10 кВ включительно.

§ 9.2. Принципиальное устройство трансформаторов

Трансформаторы могут быть однофазными и трехфазными. Для спе­ циальных целей изготовляют также многофазные трансформаторы.

Принцип действия трансформаторов основан на явлении взаимной индукции, сходном с явлением электромагнитной индукции.

На замкнутом стальном сердечнике (рис. 9.1) имеются две обмотки: АВ — с одним количеством и CD — с другим количеством витков. Если первую обмотку присоединить к цепи переменного тока с напряжением Uly то по проводам обмотки будет протекать переменный электрический ток, который создаст в сердечнике переменный магнитный поток. Под воздействием этого потока во второй обмотке CD будет наводиться пе­

* Напряжения 660 (690) В и 20 кВ , введенные ГОСТом, пока еще мало при­ меняют.

136

ременная э. д. с. той же частоты, что и в первой обмотке А В .Если кон­ цы обмотки CD соединить проводом, то по образованной замкнутой це­ пи будет протекать переменный электрический ток.

Обмотка АВ называется п е р в и ч н о й обмоткой трансформато­ ра, а обмотка CD — в т о р и ч н о й .

Работу трансформатора при разомкнутой вторичной обмотке назы­ вают х о л о с т ы м х о д о м . Переменный магнитный поток, созда­ ваемый током / 1х (индекс х — холостой ход), протекающим по первич­ ной обмотке, пронизывает обе обмотки: и первичную и вторичную. Сле­ довательно, он наводит в обеих обмотках электродвижущие силы, эф­ фективные значения которых Е2 и Ех согласно закону электромагнит-’ ной индукции по величине прямо пропор­

обмотки U2.

Электродвижущая сила Ег является по существу известной э. д. с. самоиндукции. При незначительном активном сопротивлении первич­ ной обмотки эта э. д. с. практически равна подведенному к обмотке на­ пряжению и г (отличается от него на малую величину падения напря­ жения в активном сопротивлении обмотки).

Таким образом, приближенно можно считать, что при холостом ходе трансформатора электродвижущие силы Е 2 и Ех соответственно равны напряжениям U2 и Ux. Отсюда отношение Е 21Е1 в формуле (9.1) может быть заменено отношением U2IU1. После такой подстановки получается

Следовательно, напряжение U2, действующее между концами вто­ ричной обмотки трансформатора при его холостом ходе, будет во столь­ ко раз больше или меньше напряжения, подведенного к первичной об­ мотке, во сколько раз число витков вторичной обмотки больше или меньше числа витков первичной обмотки.

Обмотка понизительного трансформатора с большей величиной на­ пряжения называется обмоткой высшего напряжения или первичной обмоткой и обозначается буквами ВН, а обмотка с меньшей величиной напряжения — обмоткой низшего напряжения или вторичной обмот­ кой — НН. Отношение первичного напряжения к вторичному при­ близительно равно отношению числа витков первичной обмотки z% к числу витков вторичной обмотки w2 и называется коэффициентом трансформации. В каталогах трансформаторов коэффициент транс­

137

10/0,23 и т. д.

При подключении к вторичной обмотке трансформатора того или иного сопротивления Z (какого-либо электроприемника) трансформатор начинает работать под нагрузкой. Каково же будет соотношение токов во вторичной и первичной обмотках?

Трансформаторы являются весьма экономичными аппаратами. При их работе имеются, как у всякой электрической.машины, потери энер­ гии, а именно, потери на нагревание проводов обмоток и потери в стали сердечника, но потери эти невелики — порядка 2—3% от мощности трансформатора. Поэтому с некоторым приближением можно считать, что мощности, развиваемые током во вторичной и первичной обмотках трансформатора, равны между собой. А отсюда следует:

Мы рассмотрели принципиальное устройство однофазного трансфор­ матора. В настоящее время силовые трансформаторы, работающие при напряжениях до 10 кВ, изготовляют, как правило, трехфазными. По принципу действия они не отличаются от однофазных. Магнитопровод трехфазного трансформатора имеет три стержня, на каждый из кото­ рых надевают катушки обмоток одной фазы низшего и высшего напря­ жения. Фазы обмоток высшего и низшего напряжений могут быть со­ единены по-разному. Нормальным соединением обмоток понизительных трансформаторов с высшим напряжением 10 или 6 кВ и низшим напря­ жением 400 или 230 В, выпускаемых нашей промышленностью, является

Соединение звезда — звезда с выведенной нейтралью обозначается У/У0, соединение звезда — треугольник — У/Д.

§ 9.3. Конструктивное устройство силовых трансформаторов напряжением до 10 кВ

Основным конструктивным типом силового трансформатора на­ пряжением до 10 кВ включительно является трехфазный трансформа­ тор с естественным масляным охлаждением. Устройство такого транс­ форматора показано на рис. 9.2.

Во всяком силовом трансформаторе имеются: стальной сердечник, собранный из тонких стальных листов, являющийся магнитопроводом, и обмотки — первичная и вторичная. Для присоединения проводов к концам обмоток служат специальные проходные изоляторы, называ­

13в

емые в ы в о д а м и в ы с ш е г о и н и з ш е г о н а п р я ж е ­ ния, которые пропускают через крышку трансформатора и при помощи фланцев укрепляют на ней болтами. Сердечник вместе с насаженны­ ми на него катушками обмоток и крышкой с выводами составляет выемную (активную) часть трансформатора.

Во всех трансформаторах предусматривается возможность измене­ ния коэффициента трансформации в пределах + 5% напряжения, ука-

занного в паспорте. Это необходимо, чтобы поддерживать номинальное (нормальное) напряжение (400 или 230 В) на выводах низшей стороны трансформатора при колебаниях напряжения в высоковольтной сети, от которой подводится питание к первичной его обмотке (например, вместо 6 кВ подается напряжение 6,3 или 5,7 кВ). Обмотка высшего напряжения для этой цели имеет два ответвления: одно из них — от­ ключающее некоторое количество витков (на случай понижения^подво­

139