Добавил:

Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Санкт-Петербургский государственный экономический университет (бывш. ФИНЭК, ИНЖЭКОН)

Предмет:

[НА УДАЛЕНИЕ]

Файл:

КУРС лекций Электротехника, электронное / Курс лекций. Электротехника и электроника. РАЗДЕЛ 2. Электрические машины

.pdf

Скачиваний:

1344

Добавлен:

02.04.2015

Размер:

13.51 Mб

Скачать

☆

1 / 81 2 3 4 5 6 7 8 > Следующая >>>

118
Раздел 2. Электрические машины
Содержание
	Стр.
Раздел 2. Электрические машины.............................................................	118
Содержание...................................................................................................	118

Лекция 2.1	Трансформаторы. Устройство, принцип работы и применение
трансформаторов..........................................................................................		121
2.1.1 Назначение, устройство и принцип действия однофазного
трансформатора .........................................................................................		121
2.1.2 Соотношение электрических величин, коэффициент
трансформации ..........................................................................................		122
2.1.3 Эксплуатационные характеристики силовых и специальных
трансформаторов. Режимы работы трансформаторов. Характеристики
трансформаторов. ......................................................................................		124
2.1.3.1 Внешняя характеристика .........................................................		124
2.1.3.2 Мощность и потери энергии в трансформаторе....................		125
2.1.3.3. Коэффициент полезного действия (КПД) трансформатора 126
Лекция 2.2 Трехфазные и измерительные трансформаторы ...................		128
2.2.1 Трехфазный трансформатор............................................................		128
2.2.2 Специальный трехфазный трансформатор....................................		129
2.2.3 Автотрансформатор..........................................................................		130
2.2.4 Измерительные трансформаторы ...................................................		131
2.2.4.1 Измерительный трансформатор тока......................................		131
2.2.4.2 Измерительный трансформатор напряжения ........................		132
Лекция 2.3 Асинхронные машины. Устройство и принцип работы.......		135
2.3.1 Круговое вращающееся магнитное поле. Асинхронный и
синхронный принципы вращения............................................................		135
2.3.2 Устройство и принцип действия асинхронного двигателя..........		139
2.3.3 Основные параметры асинхронного двигателя и их связь со
скольжением. Электромагнитный момент и механическая
характеристика двигателя.........................................................................		144
2.3.3.1 Магнитный поток двигателя....................................................		144
2.3.3.2 Ток ротора асинхронного двигателя.......................................		144
2.3.3.3 Коэффициент мощности ротора..............................................		145
2.3.3.4 Вращающий момент асинхронного двигателя ......................		145
Лекция 2.4	Пуск, реверс и регулирование частоты вращения
асинхронных двигателей .............................................................................		149
2.4.1 Способы пуска асинхронного двигателя .......................................		149
2.4.1.1 Прямой пуск асинхронного двигателя....................................		151

119
2.4.1.2 Переключение статора короткозамкнутого двигателя,
нормально работающего по схеме «Y», на время пуска на
схему « » ...............................................................................................	152
2.4.1.3 Пуск двигателя с помощью автотрансформатора.................	154
2.4.1.4 Пуск двигателя с фазным ротором..........................................	155
2.4.2 Изменение направления вращения (реверс) ..................................	157
2.4.3 Частота вращения вала асинхронного двигателя и ее
регулирование............................................................................................	158
2.4.3.1 Регулирование частоты вращения изменением числа пар
полюсов..................................................................................................	158
2.4.3.2 Частотное регулирование скорости вращения асинхронных
двигателей..............................................................................................	159
2.4.3.2 Регулирование частоты вращения асинхронного двигателя с
фазным ротором....................................................................................	161
Лекция 2.5 Синхронные машины, устройство и принцип работы и
применение....................................................................................................	163
2.5.1 Устройство и принцип действия синхронного генератора и
двигателя ....................................................................................................	163
2.5.1.2 Синхронные двигатели.............................................................	167
2.5.2 Потери и КПД синхронной машины ..............................................	169
2.5.3 Применение синхронных двигателей.............................................	170
Лекция 2.6 Машины постоянного тока......................................................	173
2.6.1 Принцип работы и устройство, классификация и
применение машин постоянного тока.....................................................	173
2.6.1.1 Работа машины в режиме генератора.....................................	174
2.6.1.2 Работа машины в режиме двигателя.......................................	176
2.6.1.3 Принцип обратимости..............................................................	177
2.6.1.4 Реакция якоря............................................................................	177
2.6.1.5 Устройство машины постоянного тока..................................	180
2.6.1.6 Потери и коэффициент полезного действия МПТ................	182
2.6.1.7 Виды возбуждения машин постоянного тока........................	182
2.6.2 Механические характеристики машин с разным типом
возбуждения...............................................................................................	183
2.6.2.1 Двигатель с независимым возбуждением ..............................	183
2.6.2.2 Двигатель с последовательным возбуждением .....................	184

Лекция 2.7 Пуск, реверс и регулирование частоты вращения двигателей

постоянного тока. .........................................................................................	187
2.7.1 Схемы пуска, реверса двигателей постоянного тока....................	187
2.7.1.1 Пуск ДПТ с независимым возбуждением ..............................	187
2.7.1.2 Реверс двигателя постоянного тока ........................................	188
2.7.2 Регулирование скорости вращения двигателей
постоянного тока по якорю и регулирование по обмотке

120
возбуждения...............................................................................................	190
2.7.2.1 Реостатное регулирование скорости вращения ДПТ по цепи
якоря.......................................................................................................	190
2.7.2.2 Регулирование скорости вращения ДПТ изменением
величины магнитного потока. .............................................................	191
2.7.2.3 Регулирование скорости вращения ДПТ изменением
напряжения на его зажимах.................................................................	193

121

Лекция 2.1 Трансформаторы. Устройство, принцип работы и применение трансформаторов

План лекции

1)Назначение, устройство и принцип действия однофазного транс- форматора.

2)Соотношение электрических величин, коэффициент трансформа-

ции.

3)Эксплуатационные характеристики силовых и специальных трансформаторов. Режимы работы трансформаторов. Характеристики трансформаторов.

2.1.1Назначение, устройство и принцип действия однофазного трансформатора

При использовании электрической энергии часто требуется преобра- зовать величины напряжения U и тока I при постоянной мощности P

U I = P = const .

(1)

Например, чтобы при транспортировке электрической энергии поте- ри напряжения и мощности были минимальными, необходимо передавать энергию минимальным током, так как мощность при этом постоянна, а на- пряжение, соответственно, увеличивается:

P = U I = (U → max) (I → min) = const .

(2)

Другой пример, чтобы в электрической печи выделялось много теп- ла, необходимо питать печь током большой величины, а чтобы и здесь со- хранить мощность постоянной, необходимо соответственно снизить на- пряжение.

Таким образом, мощность P в зависимости от конкретных условий может быть получена при различных токах и напряжениях.

Проблема состоит в том, чтобы одновременно менять в одно и то же число раз ток и напряжение.

P = (	U	)( I n ) = (U n		)(	I	) = const ,	(3)
			2
1					n2
	n1

где n1 , n2 – количество раз.

Эта проблема для переменного тока решается специальным электро- магнитным аппаратом - трансформатором.

Трансформатором называется электромагнитный аппарат, ко- торый с помощью магнитного поля преобразует электрическую энер- гию одного напряжения и тока в электрическую энергию другого на- пряжения и тока при сохранении постоянной частоты и мощности.

122

Работа трансформатора основана на законе электромагнитной ин- дукции. Трансформатор не изменяет формы энергии, он лишь преобразует ее компоненты (U и I).

Трансформаторы делятся на два класса: 1) воздушные, у них нет сер- дечника; 2) со стальным сердечником. Первые применяются в высокочас- тотной технике (высокочастотная закалка, сушка). Вторые – в низкочас- тотной сильноточной промышленной технике.

В простейшем случае трансформатор можно представить следую- щим образом.

Рисунок 1 – Схема простейшего трансформатора

Это обмотка, присоединенная к источнику энергии, которая называ- ется первичной или сетевой или входной обмоткой трансформатора со своими параметрами: U1, I1, W1, E1 – первичными напряжением, током, числом витков и ЭДС, соответственно.

Обмотка, присоединенная к нагрузке, называется вторичной обмот- кой трансформатора, а U2,I2,W2,E2 – вторичными напряжением, током, чис- лом витков, ЭДС. Первичная и вторичная обмотки изолированы друг от друга и насажены на общий, набранный из листов электротехнической ста- ли магнитопровод (сердечник).

Энергия, поступающая от источника в первичную обмотку, переда- ется во вторичную обмотку только переменным магнитным потоком. Что- бы полнее передать этот магнитный поток из первичной катушки во вто- ричную и применяют магнитопровод, который направляет почти полно- стью магнитный поток, созданный первичной катушкой, во вторичную.

2.1.2 Соотношение электрических величин, коэффициент трансформации

Величина ЭДС, индуктируемая в каждой обмотке, определяется на основании закона электромагнитной индукции. Мгновенное значение ЭДС, индуктируемой в первичной обмотке трансформатора, запишется

123

e1 = −	W1dф	, а вторичной обмотки – e2	= −	W2 dф	.	(4)
e1 = −	dt	, а вторичной обмотки – e2	= −	dt	.	(4)
	dt			dt
Если напряжение, подводимое к первичной обмотке, синусоидально,
то и ток и магнитный поток тоже будут синусоидальны
i = Im sinωt ;						(5)
Ф = Фm sinωt .						(6)

Учтем (5) и (6) в (4), тогда мгновенные значения ЭДС обмоток мож- но записать как:

e1 =W1Em sin(ωt + 900 ); e2 = W2 Em sin( ωt + 900 ).

Максимальные значения ЭДС равны:

Em1 =W1ωФm =W1 2πfФm ; Em2 =W2ωФm =W2 2πfФm .

(7)

(8)

Разделив амплитуду ЭДС обмоток на 2 , получим действующие значения ЭДС, индуктируемые в обмотках трансформатора:

W1 2πf

Фm

= 4.44W fФ ;

Em2

W2 2πf

Фm

= 4.44W

fФ .

(9)

В идеализированном трансформаторе (это трансформатор, в котором отсутствуют электрические и магнитные потери) имеют место следующие соотношения:

− W 1

d ф

− W 1

E 1

d t

− W 2

d ф

− W

d t

= K12 = const .

(10)

U 2

Выражение (10)

определяет коэффициент трансформации транс-

форматора и имеет место только в идеальном трансформаторе, в реаль- ном трансформаторе эти соотношения несколько нарушаются. Однако при значениях, близких к номинальным, эти отклонения незначительны.

Коэффициентом трансформации трансформатора K12 называется

отношение витков обмотки высокого напряжения к виткам обмотки низ- кого напряжения или напряжений U1 и U2 при холостом ходе трансформа- тора.

124

При K12 >1 трансформатор является понижающим, при K12 <1 транс- форматор будет повышающим.

Трансформатор может работать в любом режиме, который располо- жен между двумя крайними, называемыми режимом холостого хода и ре-

жимом короткого замыкания.

Холостым ходом трансформатора называют такой режим ра- боты, при котором вторичная обмотка разомкнута или замкнута на сопротивлении бесконечно большой величины.

Ток во вторичной обмотке равен нулю. Магнитный поток создается первичной катушкой и называется магнитным потоком холостого хода. Ток первичной катушки при холостом ходе называется током холостого хода трансформатора I0 = I 1XX

IО ≈ (0, 05 0,10)IНОМ .

(11)

Коротким замыканием трансформатора называется такой ре- жим работы, при котором вторичная обмотка замкнута на сопротив- лении, равном 0. При этом напряжение во вторичной цепи равно ну- лю.

Забегая вперед надо сказать, что: коэффициент полезного действия трансформаторов высокий – 0,95 и более, это значит, что потери в нем ма- лы, поэтому, если пренебречь потерями, можно записать:

S1 ≈ S2 ;	(12)
U1 I1 = U 2 I2 = const .	(13)

Таким образом, трансформатор работает аналогично двухплечному рычагу, показанному на рисунке 2.

U1 = I2

U 2 I1

Рисунок 2 – К принципу работы трансформатора

Токи в обмотках трансформатора обратно пропорциональны напря- жениям.

2.1.3 Эксплуатационные характеристики силовых и специальных трансформаторов. Режимы работы трансформаторов. Характеристики трансформаторов.

2.1.3.1 Внешняя характеристика

При увеличении нагрузки напряжение на вторичной обмотке транс- форматора снижается. Данная зависимость характеризуется внешней ха-

рактеристикой трансформатора.

125

Внешней характеристикой трансформатора называется зави- симость вторичного напряжения от вторичного тока трансформатора при постоянном первичном напряжении.

Рисунок 3 – Внешняя характеристика трансформатора

Процентное изменение напряжения трансформатора:

U		=	U2 xx − U2ном	100% .	(14)
	%
			U2 xx

Для современных трансформаторов					U% = (2÷3)% .

Внешняя характеристика зависит от cosϕ2 . Чем меньше cosϕ2 , тем характеристика “ниже” при индуктивном характере нагрузки.

2.1.3.2 Мощность и потери энергии в трансформаторе

Мощность, подводимая к трансформатору (первичная) и снимаемая

на его выходе (вторичная), определяются так
P1 =U1 I1 cosϕ1 – мощность, отданная нагрузке;	(15)
P2 = U2 I2 cosϕ2 – вторичная мощность.	(16)
Баланс мощности трансформатора
P1 = P2 + P ,	(17)

где P – потери в трансформаторе.

В трансформаторе два материала: медь обмотки и железный сердеч- ник, следовательно, два вида потерь энергии.

1. Потери на нагревание меди обмоток (электрические потери):

P	= P + P		= r I 2		+ r I 2 .		(18)
М	1	2	1	1	2	2

2. Потери на нагревание железного сердечника за счет гистерезиса и вихревых токов (железные потери):

PВ=ƒ(В)2, PГ=ƒ(В)2;

P	= Р	В	+ Р	Г	= f ( B )2 .	(19)
Ж		В		Г

126

Потери в обмотках трансформатора PМ (электрические) зависят от величины токов, протекающих по обмоткам:

PM = f (I12 , I22 )H – называются переменными потерями.

Потери в магнитопроводе (железе) PЖ зависят от частоты тока ƒ1 и магнитной индукции B2:

PM = f (I12 , B22 )H – называются постоянными, так как ƒ и B посто-

янны при неизменном первичном напряжении.

2.1.3.3. Коэффициент полезного действия (КПД) трансформатора

1.1. КПД трансформатора определяется отношением активных мощностей на выходе и входе трансформатора:

η		=	P2	100% =	P2		100% ,	(20)
	%				P2 +
			P1			P

где P = PM + PЖ;					PМ = PМ1 + PМ2;			PЖ = PГ + PВ .

Энергетическая диаграмма трансформатора имеет следующий вид.

Рисунок 4 – Энергетическая диаграмма трансформатора

PЭМ = P1 –

PМ1

– PЖ = E2.I2 = E2

'I2' – электромагнитная мощность.

P2 = PЭМ – PМ2 – мощность, отдаваемая нагрузке.

P1 −

PM −

PЖ

100% = (1−

PM − PЖ

)100% .

(21)

Если ввести понятие коэффициента загрузки β, равного

β =

(22)

I2H

где S – текущая мощность трансформатора;

Sн– номинальная мощность трансформатора;

I1 , I2 –текущие значения токов в трансформаторе;

I1H , I2 H – номинальные токи в трансформаторе.

С учетом коэффициента загрузки КПД трансформатора можно запи- сать следующим образом:

				β 2	P +	P
η%	= 1 −				M	Ж		100% .	(23)
		β S		cosφ	+ β 2	P +
			H				P
				2		M	Ж

127

Видим, что КПД трансформатора зависит от cosϕ2 и степени загруз-

ки.

Рисунок 5 – График потерь и КПД трансформатора от нагрузки

Максимальный КПД наступает при условии, что

β Э =	PЖ	, при равенстве PМ = PЖ.	(24)

	PM

Контрольные вопросы

1.Устройство трансформатора (эскизы основных частей, материал и их назначение, охлаждение трансформаторов).

2.Принцип работы однофазного трансформатора.

3.Соотношения между электрическими величинами в трансформа- торе. Коэффициент трансформации. Три режима работы.

4.Потери энергии в трансформаторах.

5.Внешние характеристики трансформаторов.

1 / 81 2 3 4 5 6 7 8 > Следующая >>>

Соседние файлы в папке КУРС лекций Электротехника, электронное