elmash / KrKonsp_ЭлМаш_t-МПТ07

31

Величина магнитного потока прямо пропорциональна МДС F и обратно пропорциональна сумме магнитных сопротивлений Σrм всех участков магнитной цепи

Величина основного (полезного) магнитного потока в зазоре, для наведения требуемой ЭДС, определяется выражением (2.14) Еa= С Ф ω.

Величина МДС, необходимая для создания в магнитной цепи требуемого магнитного потока, определяется расчетом магнитной цепи. Для каждого участка магнитной цепи рассчитывают величину магнитного напряжения: Fδ

— воздушного зазора; Fз—зубцового слоя; Fa—сердечника якоря; FП— сердечников пары полюсов; Fя —ярма (станины).

Сложив магнитные напряжения всех участков магнитной цепи, получают величину МДС обмотки возбуждения

1.Расчет ведут на два полюса, так как цепь состоит из пары полюсов.

2.Расчет магнитной цепи машины ведется для режима холостого хода, с пересчетом для получения заданной ЭДС при нагрузке (К=1,15-1,3).

Магнитное напряжение воздушного зазора определяется по формуле

где Bδ —максимальная магнитная индукция в зазоре, Тл; δ—величина зазора, м; Kδ — коэффициент зазора, учитывающий увеличение магнитного сопротивления зазора вследствие зубчатости поверхности якоря (Kδ≥ 1);

(μo—магнитная проницаемость воздуха 12,56 10-7 Гн/м.

Магнитное напряжение остальных участков магнитной цепи, выполненных из стали, определяется по формуле

Fx = Нx lx

Здесь Нx —напряженность магнитного поля; она зависит от магнитной индукции и определяется по кривым намагничивания; lx —длина участка магнитной цепи.

Значение индукции в различных участках цепи определяется по формуле

Вx =Фх /Sx,'

где Фx—магнитный поток на участке; Sx—площадь поперечного сечения участка. В соответствии с рис. 3.2 МДС

Fo= 2 Bδ δ Kδ/μo +2 Нз lз +На lа +НП lП +Ня lя (3.5)

Если полюсные наконечники имеют пазы для компенсационной обмотки, то добавляют шестой участок—зубцовый слой полюсного наконечника.

Наибольшим магнитным сопротивлением обладает зазор. Поэтому значительная часть результирующей намагничивающей силы Fo затрачивается на преодоление магнитного сопротивления зазора. Что касается магнитного сопротивления других участков магнитной цепи, выполненных из стали, то их магнитное сопротивление зависит от степени магнитного насыщения стали. В условиях наибольшего магнитного насыщения находится зубцовый слой, поэтому его магнитное сопротивление больше, чем других участков магнитной цепи, выполненных из стали.

В табл. 3.1 в качестве примера приведены результаты расчета магнитной цепи генератора постоянного тока мощностью 500 кВт, напряжением 460 В. Магнитная цепь этого генератора содержит 2р=8 полюсов.

Расчет магнитной цепи выполнен для четырех значений полезного магнитного потока Ф, равных 0,5Фо; 0,75Фо; Фо и 1,1 Фо. Здесь Фо—магнитный поток, соответствующий номинальному значению ЭДС генератора в режиме холостого хода.

32

Таблица 3.1

МДС обмотки возбуждения на пару полюсов Fо определяет количество витков в полюсной катушке обмотки возбуждения

где iв—величина тока в обмотке возбуждения, A.

Величина тока в обмотке возбуждения, включенной параллельно обмотке якоря, в машинах мощностью от 10 до 1000 кBт принимается равной соответственно от 3,5 до 1% от номинального тока машины, а в машинах мощностью от 1 до 10 кВт ток возбуждения принимается равным от 7 до 3,5%.

- Трансформаторы в зависимости от назначения разделяются на силовые общего применения и специализированные.

Наибольшее применение в электротехнических установках и системах передачи и распределения электроэнергии (рис. 9.1) получили силовые трансформаторы. Они предназначены для преобразования переменного

напряжения и тока без изменения числа фаз, формы кривой напряжения и частоты и имеют мощность 6,3 кВА и более.

К специализированным трансформаторам относятся: преобразовательные; технологические (печные, сварочные; питающие (промышленная электроника, автоматика, связь); измерительные; другие типы: автотрансформаторы, испытательные трансформаторы, трансформаторы для преобразования частоты и т. д.

- Основными частями трансформатора являются его магнитопровод и обмотки.

Магнитопровод с насаженными на него обмотками составляет активную часть трансформатора. Магнитопровод трансформатора, служащий для уменьшения магнитного сопротивления контура для магнитного потока, выполняется из листовой электротехнической стали при толщине листов 0,35 или 0,5 мм. Часть магнитопровода, на которой располагаются обмотки, называется стержнем (рис. 9.4). Стержни соединяются между собой ярмом.

По конструкции магнитопровода трансформаторы разделяются на:, броневой, бронестержневой и стержневой, последний наиболее распространен. По способу соединения стержней с ярмами различают Магнитопроводы стыковые и шихтованные. Шихтованные магнитопроводы получили основное применение. Ступенчатое сечение стержней в мощных трансформаторах обеспечивает лучшее использование площади внутри обмотки, так как периметр ступенчатого стержня приближается к окружности.

Обмотки трансформаторов выполняют из медных проводов круглого и прямоугольного сечения с изоляцией. Основа обмотки обычно – бумажно-бакелитовый цилиндр. По взаимному расположению обмоток ВН и НН и по способу их размещения на стержнях различают обмотки концентрические и дисковые (чередующиеся).

Различают сухие и масляные трансформаторы. Сухие трансформаторы до 2,5 (10) МВА и 35кВ предназначены для работы в сухих закрытых помещениях (В до 80%). Масляные трансформаторы(до2,5Мва), имеютбак, наполненныйтрансформаторныммаслом.

33

Трансформаторное масло, омывая обмотки и магнитопровод, отбирает от них тепло и через стенки бака и трубы радиатора более интенсивно отдает в окружающую среду и, позволяет получить меньшие габариты чем у сухих трров. Кроме того, наличие масла обеспечивает более надежную работу высоковольтных трансформаторов, так как электрическая прочность очищенного минерального масла намного выше, чем воздуха. При t<105o С срок службы трансформатора 20-25 лет. При 113о С - меньше в два раза.

Охлаждающими трубами снабжаются баки при мощности 0,02-1,8 МВА для увеличения охлаждаемой поверхности.

Расширитель применяется для компенсации колебания объема масла при изменении температуры, а также для защиты масла трансформатора от окисления и увлажнения при контакте с воздухом в трансформаторах мощностью свыше 50 кВА при напряжении свыше 6 кВ. Расширитель представляет

собой цилиндрический сосуд, установленный на крышке бака и сообщающийся с ним.

Газовое реле устанавливается в трансформаторах средней и большой мощности. При возникновении в трансформаторе значительных повреждений, сопровождаемых обильным выделением газов (например, при коротком замыкании между витками обмоток), газовое реле срабатывает и замыкает контакты цепи управления выключателя, отключая от сети, предупреждая развитие аварии.

Проходные изоляторы служат для вывода концов обмоток из бака и

чаще всего выполняются из фарфора и монтируются с помощью металлического фланца на крышке бака.

Принцип работы и коэффициент трансформации трансформатора.

Переменный ток I1, создает в магнитопроводе однофазного трансформатора переменный магнитный поток Ф. Основной магнитный поток Ф в магнитопроводе трансформатора, сцеплен с витками обмоток w1 и w2 (рис. 9.1), и благодаря явлению электромагнитной индукции в них наводятся ЭДС, мгновенные и действующие значения которых

e1 = w1 ω Фm sin(ω t – 0,5 π ); E1= 4,44 w1 f Фm, e2 = w2 ω Фm sin(ω t – 0,5 π ); E2= 4,44 w2 f Фm .

где Фm—максимальное значение потока, (ω = 2 π f).

Рис. 9.1. Магнитные потоки в трансформаторе

- Отношение ЭДС обмотки высшего напряжения к ЭДС обмотки низшего напряжения называется коэффициентом трансформации

К= E1 /E2= 4,44 w1 f Фm /4,44 w2 f Фm = w1 / w2.

Следует заметить, что обмотки трехфазных трансформаторов в основном соединяют звездой или треугольником.

При соединении обмоток звездой линейное напряжение больше фазного (UЛ =√¯3 UФ), а при соединении обмоток треугольником линейное напряжение

36

Векторная диаграмма трансформатора

Векторная диаграмма трансформатора – графическое выражение основных уравнений

При значительной емкостной нагрузке трансформатора падение напряжения в емкостной составляющей сопротивления нагрузки и индуктивное падение напряжения рассеяния во вторичной обмотке частично компенсируют друг друга. В результате напряжение Ú'2 может оказаться больше, чем ЭДС Ė'2. Кроме того, реактивная (опережающая) составляющая вторичного тока İ'2р совпадает по фазе с реактивной составляющей тока холостого хода İ0, т. е. оказывает на магнитопровод трансформатора подмагничивающее действие (рис. 27.2,б), что ведет к уменьшению первичного тока İ1 по сравнению с его величиной при активноиндуктивной нагрузке, когда составляющая İ'2р оказывает размагничивающее влияние (см.

рис. 27.2, а).

Рис. 9.5. Векторные диаграммы трансформатора при активно-индуктивной (а) и активноемкостной (б) нагрузках

1.Построение диаграммы (рис. 9.5, а) следует начинать с вектора максимального значения основного магнитного потока ФM –ось абсцисс.

2.Вектор тока İ0 опережает по фазе Фм на угол δ.

3.ЭДС Ė1 и Ė'2 отстают по фазе от потока Фм на 90° (9.3), (9.4).

4.Далее строим вектор İ'2

5.Вектор тока İ1 строим как векторную сумму (9.26,в). Вектор –İ'2 проводим из конца вектора İ0, противоположно вектору İ'2.

6.Для построения Ú'2 необходимо (9.26, б) из вектора Ė'2 вычесть векторы падений напряжения j İ'2 x'2 и İ'2 r'2. С этой целью из конца вектора Ė'2 опускаем перпендикуляр на направление İ'2 и откладываем на нем вектор – j İ'2 x'2, из конца которого параллельно İ'2 откладываем вектор – İ'2 r'2.

Построив вектор —İ'2 Z'2 получаем треугольник внутренних падений напряжения во вторичной цепи. Затем из точки О проводим искомый вектор Ú'2, опережающий İ'2 на угол ϕ2 = arctg(x'н/r'н).

7.Для построения вектора Ú1 на основании уравнения (9.26, а) из конца вектора –Ė1 строим параллельно вектору İ1 вектор İ1r1, а из конца последнего – вектор jİ1x1, опережающий İ1 на угол 90°.

38

3)потери холостого хода Р0 (Po=Io2 ro).

4)параметры ветви намагничивания схемы замещения (см. рис. 28.2)

Опытное короткое замыкание трансформатора представляет такой режим, когда вторичная обмотка замкнута накоротко (zн=0; U2=0), а к первичной обмотке подводят пониженное напряжение UК, при котором токи короткого замыкания в обмотках трансформатора становятся равными номинальным токам: I1К= I1Н и I2К =I2Н. В этом случае снимают показания приборов и строят характеристики короткого замыкания: I1К;

cosϕК; Рк=f(UK) (рис. 28.3).

Напряжение, при котором токи в обмотках короткозамкнутого трансформатора равны номинальным, называется номинальным напряжением короткого замыкания и обычно выражается в процентах от U1н

uк =100 Uк / U1Н

Для силовых трансформаторов uк составляет 5—10% от номинального первичного напряжения. Поэтому магнитный поток, пропорциональный напряжению и намагничивающий ток составляет такую же небольшую величину, которой можно пренебречь. Уравнения ЭДС и токов (9.17) принимают вид

I1к = –I'2к , Úк = İ1к (r1 + r'2)+ j İ1к( x1 + x'2), Или Úк = İ1к rк + j İ1к xк =j İ1к Zк ,

где ZK—сопротивление при опыте короткого замыкания Zк=rк+jxк

Схема замещения трансформатора для опыта короткого замыкания не содержит ветви намагничивания (рис. 28.3).

Рис. 28.3.

Параметры схемы замещения при опыте короткого замыкания:

Так как поток Фм незначителен, то можно считать, при к.з. отдаваемая

мощность равна нулю, а потребляемая идет на электрические потери (в меди).

- Потери и коэффициент полезного действия трансформатора.

трансформаторе имеют место магнитные и электрические потери. Добавочные потери на вихревые токи в обмотках, стенках бака, крепежных изделиях включают в электрические потери.

Po=pc=pг+pвх.- магнитные потери (потери на гистерезис и вихревые токи) определяет

потери холостого хода - постоянные потери.

39

PкН= pЭ = pэ1+ pэ2 = I21 r1 + I'22 r2 = I2к rк75 - электрические потери принимаются равными потерям короткого замыкания – переменные потери.

Тогда КПД трансформатора

Величина КПД зависит от нагрузки трансформатора (рис. 11.12). Кроме того, КПД тем больше, чем выше соsϕ2. Максимальное значение КПД

соответствует такой нагрузке, при которой магнитные потери равны

электрическим P0Н = β'2 PкН.

Отсюда значение коэффициента нагрузки, соответствующее максимальному

КПД, равно β' = P0Н /PкН.

Обычно КПД имеет максимальное значение при β' =0,5—0,7. Благодаря отсутствию в трансформаторе вращающихся частей его КПД выше, чем у электрических машин и сохраняется в пределах 0,4<β<1,4.

В трансформаторах большой мощности КПД достигает 99— 99,5%.

40- Группы соединения обмоток. Если в трансформаторе изменить направление намотки катушки низшего напряжения или же переставить обозначения ее выводов, то ЭДС Ė2 окажется сдвинутой по фазе относительно ЭДС Ė1 на 180°. Сдвиг фаз φ0 между ЭДС Ė1 и Ė2 принято выражать группой соединений. Т.к. φ0 может изменяться от О до 360°, а кратность сдвига составляет 30°, то для обозначения группы соединений φГ выбирается ряд чисел от 0 до 11 (1-12), в котором каждая единица соответствует углу сдвига в 30°

Например, 5-ой группе соответствует φ0=5 30=1500, 6-ой – 1800 .

В основу такого обозначения положено сравнение относительного положения векторов Ė1 и Ė2 с положением стрелок часов. При этом вектор ЭДС обмотки высшего напряжения представляется минутной стрелкой, установленной на цифре 12, а вектор ЭДС обмотки низшего напряжения – часовой стрелкой (рис. 29).

Положение часовой стрелки относительно минутной определяется положением вектора ЭДС обмотки НН относительно вектора ЭДС обмотки ВН. В однофазном трансформаторе можно получить только две группы соединения: группу 0, соответствующую совпадению по фазе Ė1 и Ė2 и группу 6, соответствующую сдвигу фаз между Ė1 и Ė2 на 180°. Из этих групп стандартной является группа 0; она обозначается I/I–0.

Рис. 29. Обозначение группы соединения

В трехфазных трансформаторах разными способами соединения обмоток трехфазных трансформаторах можно образовать двенадцать различных групп соединений (φ0). Из этих групп основными являются четыре: 0, 6, 11, 5.

Схемы соединения обмоток силовых трехфазных трансформаторов общепромышленного назначения, предусмотренные ГОСТом: Y/Y0—0; Y/ — 11; Y0/ —11; Y/Z0—11; /Y0—11.