Лекции

ской стали. Сердечник представляет собой пустотелый цилиндр. На изолированную поверхность цилиндра наматывается первичная обмотка АХ. Движок ЛАТРа выполняется в виде ролика, перемещающегося по виткам обмотки. В некоторых случаях автотрансформатор имеет ряд преимуществ, в том числе по габаритам в сравнении с обычным трансформатором.

Рассмотрим электрическую схему автотрансформатора, нагруженного на

трансформатора аx, равен разности токов I2 – I1, следовательно, при одинаковой плотности токов вторичной обмотки с плотностью токов обычного трансформатора можно уменьшить сечение провода вторичной обмотки ах автотрансформатора. Этим достигается экономия обмоточного провода.

Недостатки автотрансформатора: обмотка низкого напряжения должна иметь ту же изоляцию, что и обмотка высокого напряжения, поскольку они электрически связаны; нет развязки по току, что важно в радиотехнике.

31

1.14. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ

Измерительные трансформаторы используют главным образом для подключения электроизмерительных приборов в цепи переменного тока высокого напряжения. При этом электроизмерительные приборы оказываются изолированными от цепей высокого напряжения, что обеспечивает безопасность работы обслуживающего персонала. Кроме того, измерительные трансформаторы дают возможность расширять пределы измерения приборов, т.е. измерять большие токи и напряжения с помощью сравнительно несложных приборов, рассчитанных для измерения малых токов и напряжений. В ряде случаев измерительные трансформаторы служат для подключения к цепям высокого напряжения обмоток реле, обеспечивающих защиту электрических установок от аварийных режимов.

Измерительные трансформаторы подразделяют на два типа: трансформаторы напряжения и трансформаторы тока.

Измерительные трансформаторы напряжения (ТН).

Обычные вольтметры электромагнитной системы измеряют напряжение до 1000 В. Если требуется измерить большее напряжение или получить сигнал пропорциональный высокому напряжению, то применяют ТН (рис. 1.38).

Во вторичную обмотку ТН включают вольтметр V, т.е. трансформатор напряжения работает на холостом ходе. Тогда коэффициент трансформации будет

обмотки ТН заземляется.

Поскольку Кн и К различаются, то возникает погрешность по напряжению, а т.к. фаза приведенного вторичного напряжения не совпадает с фазой первичного, возникает угловая погрешность, которая появляется между векторами U1 и -U’20 (рис. 1.39). Погрешности по напряжению и угловая возникают из-за падения напряжения в обмотках.

Трансформатор напряжения работает в режиме, близком к режиму холостого хода, поскольку внутреннее сопротивление вольтметра V очень велико. Для уменьшения погрешностей необходимо уменьшать падение напряжения от тока холостого хода первичной обмотки. Это производят двумя путями.

32

γлой. Все это позволяет уменьшить намагничивающую

плотность тока выбирают малой, т.е. выбирают большее сечение провода, обеспечивающее малое сопротивление R1. Малое падение напряжения на индуктивном сопротивлении рассеяния Хр1 обеспечивается тем, что при малых амплитудах магнитной индукции насыщение сердечника отсутствует и потоки рассеяния минимальны.

Измерительный трансформатор тока (ТТ).

Здесь учли, что Кн=W1/W2 . Ток I2 измеряется по амперметру, коэффициент трансформации Кн известен, таким образом вычисляем ток I1 в измеряемой цепи.

В действительности МДС холостого хода не равна нулю и при определении тока возникает погрешность по току и угловая погрешность (рис. 1.41). Для уменьшения этих погрешностей нужно снижать результирующую МДС I0W1 ,

33

т.е. снижать ток холостого хода. Меры снижения тока холостого хода те же самые, что и для трансформаторов напряжения.

γПоэтому в отсутствии амперметра вторичная обмотка

Замкнутый сердечник может размыкаться и внутрь клещей помещают провод с током, который надо измерить. Клещи снабжены многопредельным амперметром и, таким образом, можно измерять силу тока без разрыва цепи.

Применение измерительных трансформаторов для измерения больших мощностей или энергий.

При измерении больших мощностей токовую обмотку ваттметра подключают к вторичной обмотке трансформатора тока вместо амперметра, а обмотку напряжения ваттметра к вторичной обмотке трансформатора напряжения. Тогда ваттметр показывает активную мощность Р2, пропорциональную активной

где U1 – напряжение, а I1 – ток первичной цепи, cosϕ1 – коэффициент мощности первичной цепи. Тогда

Здесь сделано допущение, что ϕ1=ϕ2 .

Обычно КнU>1, а КнI<1, тогда коэффициент пропорциональности по мощ-

ности КР= КнU/ КнI>>1.

На результат измерения мощности Р1 влияют не только погрешности трансформатора по напряжению и току, но и угловые погрешности, в результате чего ϕ1≠ϕ2 .

1.15.ПИК-ТРАНСФОРМАТОРЫ

Вэлектронной технике для регулирования управляемых вентилей (тиристоров, тиратронов, ртутных вентилей и т.д.) необходимо иметь импульсы напряжения резко заостренной (пикообразной) формы. Такие импульсы можно

34

получить от синусоидально изменяющегося напряжения с помощью пиктрансформаторов.

Пик-трансформатор представляет собой обычный двухобмоточный трансформатор с сильнонасыщенным сердечником. Первичную обмотку его подключают к сети переменного тока через большое активное сопротивление rдоб (рис. 1.42, а). При достаточно большом активном сопротивлении по первичной обмотке пик-трансформатора протекает синусоидальный ток i1. При этом магнитный поток Ф не изменяется по синусоиде, так как он возрастает пропорционально току только при малых его значениях, когда сердечник нена-

сыщен (рис. 1.42, б).

Рис. 1.42. Схема включения (а) и временные диаграммы (б) пик-трансформатора

В результате кривая изменения магнитного потока Ф имеет плоскую форму, а во вторичной обмотке индуктируется пикообразное напряжение u2. Пик напряжения возникает тогда, когда магнитный поток Ф и ток i1 проходят через ноль и скорость их изменения максимальна, в соответствии с (1.9):

При включении трансформатора через активное сопротивление сдвиг фаз ϕ1=0 и напряжение u1 и ток i1 совпадают по фазе. Таким образом, пик напряжения u2 образуется, когда напряжение u1 проходит через ноль. Если же требуется, чтобы этот пик возникал при максимальном значении u1, то в цепь первичной обмотки включают индуктивное сопротивление, тогда угол ϕ1≈π/2, и напряжение u1 опережает ток i1 на этот угол.

Для повышения крутизны пика u2 магнитопроводы пик-трансформаторов изготовляют из пермаллоя, имеющего высокую начальную магнитную проницаемость и кривую намагничивания с резко выраженным насыщением.

Магнитную систему пик-трансформатора часто выполняют с магнитным шунтом, который сильно увеличивает потоки рассеяния, а, следовательно, и индуктивное сопротивление обмоток (т.е. угол ϕ1≈π/2). В таком трансформаторе первичная обмотка располагается на сравнительно толстом стержне 1, а вторичная – на тонком 3 (рис. 1.43).

35

При этом магнитный поток Ф1 в стержне 1 имеет синусоидальную форму и замыкается в основном через магнитный шунт 2. Стержень 3 со вторичной обмоткой будет быстро насыщаться и поток Ф2 будет иметь плоскую форму. В результате во вторичной обмотке воз- u1 i1 никает пик напряжения u2 в момент

Фпрохождения тока i1 и потока Ф1 через ноль, а напряжения u1 через максимум

1.16. РЕАКТОРЫ

Реактивные катушки со стальным сердечником в сущности не являются трансформаторами, однако по своему устройству аналогичны им. Они имеют только одну обмотку и применяются в электрических цепях в качестве токоограничивающих индуктивных сопротивлений и потребителей реактивной мощности. При больших мощностях такие реактивные катушки принято называть реакторами.

В последние годы в электроприводах усиленно внедрялись системы с преобразователями со статическими нелинейными элементами. Большая установленная мощность нелинейных элементов привела к появлению в энергосистемах токов высших гармоник, вредно влияющих на работу электрических машин и электрооборудования. Для ограничения напряжений и токов высших гармоник применяются реакторы-фильтры.

36

2. АСИНХРОННЫЕ МАШИНЫ

Асинхронные машины – это машины переменного тока, у которых частота вращения ротора зависит от нагрузки.

2.1. КЛАССИФИКАЦИЯ АСИНХРОННЫХ МАШИН

По числу фаз питающей сети асинхронные машины можно разделить на трехфазные, однофазные и двухфазные, а по назначению – на генераторы, двигатели и специальные асинхронные машины (асинхронные тахогенераторы, фазорегуляторы, управляемые или исполнительные двигатели).

По конструкции ротора асинхронные машины подразделяют на асинхронные машины с короткозамкнутым ротором, фазным ротором и ротором специального исполнения (с полым немагнитным или магнитным ротором, с глубокопазным, с двухклеточным ротором и т.д.).

Большей частью асинхронные машины применяются как двигатели. Генераторный режим используется как один из режимов работы двигателя.

2.2. УСТРОЙСТВО ТРЕХФАЗНЫХ АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ (АД)

Асинхронный двигатель (АД) в основном состоит из двух частей: неподвижной части – статора и подвижной части – ротора. Статор служит для создания вращающегося магнитного потока. В роторе происходит преобразование электрической энергии в механическую при индуктировании ЭДС и тока в роторной обмотке вращающимся магнитным потоком и возникновения электромагнитного вращающего момента.

Конструктивная схема АД представлена на рис. 2.1.

2

7

8

A

9

Рис. 2.1. Конструктивная схема асинхронного двигателя

37

Трехфазный статор состоит из шихтованного сердечника 1 с пазами. Пазы расположены по окружности статора, образуя зубцы 2 статора. В пазы уложена трехфазная обмотка 3, лобовые части которой отогнуты для удобства размещения ротора.

Трехфазная статорная обмотка состоит из трех одинаковых фаз (обмоток), начала которых сдвинуты по окружности статора на 120о электрических градусов. Связь между электрическими и геометрическими градусами следующая

Поясним это следующим образом. Есть два ротора – магнита. У первого ротора – два полюса, а у второго – четыре. При повороте двухполюсного ротора на 360 геометрических градусов в проводнике статора будет индуктироваться одна волна ЭДС. Период ЭДС – 360 электрических градусов.

При повороте четырехполюсного ротора на 360 геометрических градусов в проводнике статора будут индуктироваться уже две волны ЭДС, что составит 720 электрических градусов. Отсюда следует приведенная формула (2.1), где р – число пар полюсов.

Таким образом, геометрические градусы характеризуют угол смещения ротора или обмоток, а электрические градусы – изменение электрической величины, в данном случае ЭДС. В любом случае фазы трехфазной обмотки должны быть сдвинуты на 120 электрических градусов. Это означает, что, если каждая фаза обмотки образует одну пару полюсов, то фазы должны быть сдвинуты на 120 геометрических градусов относительно друг друга.

Если каждая фаза образует две пары полюсов, то фазы должны быть сдвинуты на 60 геометрических градусов.

Ротор состоит из шихтованного сердечника 4 с пазами, в которые под давлением заливают алюминиевый сплав, так что в пазах образуются стержни 5, замкнутые с двух сторон кольцами 6 из того же сплава. Ротор называется короткозамкнутым, т.к. стержни и кольца образуют короткозамкнутую обмотку типа «беличье колесо».

Проводники статорной обмотки электрически изолируются от сердечника пазовой изоляцией 7 из электрокартона или лавсановой пленки. Если обмотка двухслойная, то между ними прокладывается межслоевая изоляция 8.

Статорная обмотка удерживается от выпадания пазовым клином 9 из фибры или пластмассы.

Фазный ротор (рис.2.2) состоит из шихтованного сердечника 10 с пазами. В пазы укладывается трехфазная проволочная или шинная обмотка с лобовой частью 11.

Рис. 2.2. Конструктивная схема фазного ротора

38

Пусковой реостат выполняется проводом меньшего се-

чения и допускает большую плотность тока, чем регулировочный реостат. Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором прост по устрой-

ству и в эксплуатации. АД с фазным ротором сложнее по устройству и в эксплуатации, но позволяет уменьшить пусковой ток двигателя, увеличить пусковой момент и регулировать частоту вращения ротора, обычно он применяется в подъемно-транспортном электрооборудовании.

2.3. СТАТОРНЫЕ ОБМОТКИ

Принцип построения статорных обмоток машин переменного тока. Трехфазная статорная обмотка состоит из трех одинаковых фазных обмо-

ток, сдвинутых по окружности статора относительно друг друга на 120 электрических градусов. Двухфазные обмотки сдвинуты на 90 электрических градусов.

Число пар полюсов р трехфазной статорной обмотки такое же, как и одной фазы.

Фаза статорной обмотки состоит из полюсных групп катушек. Каждая полюсная группа образует один полюс. Полюсных групп, в большинстве случаев, столько, сколько образуемых полюсов. В каждой полюсной группе катушки обычно соединяются последовательно друг с другом. Полюсные группы также соединяются последовательно.

Катушка или секция статорной обмотки выполняется медным изолированным проводом на шаблоне отдельно, а затем катушки укладываются в пазы статора по определенной схеме. Катушка или секция имеет шаг y1 близкий к полюсному делению статора τ1:

где πD – длина окружности внутренней расточки статора, 2р – число полюсов.

39

Значит полюсное деление статора τ1 – это расстояние между серединами соседних разноименных полюсов; τ1 и y1 можно измерять в единицах длины или пазовых делениях. Пазовое деление – это расстояние по внутренней расточке статора между серединами соседних зубцов.

Если шаг катушки y1=τ1 , то его называют диаметральным или статорной обмоткой с диаметральным шагом. Если y1<τ1 , то шаг называется укороченным, если y1>τ1 , то – удлиненным.

Удлиненный шаг обычно не применяют из-за большего расхода обмоточного провода. Укороченный шаг дает экономию обмоточного провода, однако большое укорочение не применяют ввиду уменьшения ЭДС катушки в генераторе и уменьшения вращающего электромагнитного момента в двигателях.

Статорные обмотки бывают однослойные и двухслойные. В однослойной обмотке сторона катушки полностью занимает весь паз. В двухслойной обмотке сторона катушки занимает половину паза.

Концы каждой фазы маркируются и фазы могут соединяться в звезду или треугольник. Если линейное напряжение сети 380 В, то фазы соединяются в звезду, а если линейное напряжение 220 В, то в треугольник.

Для построения схемы статорной обмотки обычно используют следующие данные:

–число фаз статора m1;

–число пазов статора z1;

–число пар полюсов p;

–шаг катушки или секции y1;

–слойность обмотки;

–число пазов на полюс и фазу

показывающее, сколько пазов надо израсходовать при построении схемы, чтобы образовать один полюс одной фазы;

– соединение фаз (звезда или треугольник).

Схема трехфазной однослойной двухполюсной статорной обмотки. Пусть исходными данными для построения схемы данной обмотки будут

следующие:

–число фаз статора m1 = 3;

–число пазов статора z1 = 12;

–число пар полюсов p = 1;

Далее определим величину полюсного деления: τ1 = z1/2р = 12/2.1 = 6 пазовых делений.

На основании этих данных выберем укороченный шаг катушки: y1 = 5τ1/6 = 5.6/6 = 5 пазовых делений.

Определим число пазов на полюс одной фазы:

40