n1

При соединении нагрузки в «звезду» соответствующий линейный ток I л равен соответствующему фазовому току нагрузки Iф (рис. 11.8)

I л = Iф ,

а соответствующее линейное напряжение U л больше соответствующего фазового напряжения нагрузки Uф в 3 раз

U л = 3Uф .

При соединении нагрузки в «треугольник» линейные токи не равны фазовым и определяются через них по первому закону Кирхгофа (рис. 11.9):

I&A = I&AB − I&CA , I&B = I&BC − I&AB , I&C = I&CA − I&BC .

В результате линейный ток I л больше фазового тока по модулю в 3 раз:

I л = 3Iф .

Линейное напряжение равняется фазовому напряжению нагрузки:

U л = Uф .

Рис. 11.8 Схемы соединения генератора и нагрузки «звездой» (а), генератора «треугольником» и нагрузки «звездой» (б)

52

ЛЕКЦИЯ № 12 ТРАНСФОРМАТОРЫ

12.1. Общие сведения

Трансформатор представляет собой электрический аппарат, основанный на явлении взаимоиндукции и предназначенный для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения, но той же самой частоты.

Простейший трансформатор имеет стальной сердечник и две обмотки, изолированные как от сердечника, так и друг от друга (рис. 12.1).

Первичная обмотка Сердечник Вторичная

обмотка

Рис. 12. 1. Схема устройства трансформатора

Обмотка трансформатора, которая подключается к источнику напряжения, называется первичной обмоткой, а та обмотка, к которой подключается потребители (лампы накаливания, электродвигатели, нагревательные приборы и т.д.) или линии электропередачи, ведущие к потребителям, называется вторичной обмоткой.

Трансформаторы применяют в линиях электропередачи, в технике связи, в автоматике, измерительной технике и других областях.

В соответствии с назначением различают: силовые трансформаторы для питания электрических двигателей и осветительных сетей; специальные трансформаторы для питания сварочных аппаратов, электропечей и других потребителей особого назначения; измерительные трансформаторы для подключения измерительных приборов.

По числу фаз трансформаторы делятся на однофазные и трехфазные. Трансформаторы, используемые в технике связи, подразделяют на низкочастотные и высокочастотные.

Расчетные мощности трансформаторов различаются от долей вольт-ампер до десятков тысяч киловольт-ампер; рабочие частоты - от единиц герц до сотен килогерц.

Трансформатор - простой, надежный и экономичный электрический аппарат. Он не имеет движущихся частей и скользящих контактных соединений, его КПД достигает 99%. КПД трансформатора η, определяемый как отношение мощности на выходе Р2 к мощности на входе Р1, зависит от нагрузки. Современные

54

трансформаторы рассчитывают таким образом, что максимум КПД достигается при нагрузке, равной примерно половине номинального значения.

Переменный ток, проходя по первичной обмотке, создает переменный магнитный поток, который сцепляется с витками вторичной обмотки и наводит в них эдс

Е2.

Так как магнитный поток переменный, то индуктированная эдс во вторичной обмотке трансформатора также переменная и частота ее равна частоте тока в первичной обмотке.

Переменный магнитный поток, проходящий по сердечнику трансформатора, пересекает не только вторичную обмотку, но и первичную обмотку трансформатора. Поэтому в первичной обмотке также будет индуктироваться эдс Е1.

Величины эдс, индуктирующиеся в обмотках трансформатора, зависят от частоты переменного тока, числа витков каждой обмотки и величины магнитного потока в сердечнике, т.е. E = 4,44 fwФm . При определенной частоте и неизменном

магнитном потоке величина эдс каждой обмотки зависит только от числа витков этой обмотки. Эту зависимость между величинами ЭДС и числами витков обмоток трансформатора можно выразить формулой:

E1 = w1 , E2 w2

и E2 - ЭДС первичной и вторичной обмоток;

и w2 - числа витков первичной и вторичной обмоток.

Вольтметры V1 и V2, включенные к зажимам первичной и вторичной обмоток (рис.4.1), покажут нам напряжение U1 и U2 этих обмоток.

Если обозначить напряжение вторичной обмотки при холостом ходе (нагрузка zí не подключена) через U2 , то для трансформатора обычной конструкции при

холостом ходе можно написать U1 ≈ E1 и U2 ≈ E2 .

Однако практически разница между ЭДС и напряжениями так мала, что зависимость между напряжениями и числами витков обеих обмоток можно выразить формулой

Из этой формулы видно, что во сколько раз число витков в первичной обмотке больше (или меньше) числа витков вторичной обмотки, во столько же раз напряжение первичной обмотки больше (или меньше) напряжения вторичной обмотки.

Разница между эдс и напряжением в первичной обмотке трансформатора становится особенно малой тогда, когда вторичная обмотка разомкнута и ток в ней равен нулю (холостая работа), а в первичной обмотке протекает только небольшой ток, называемый током холостого хода. При этом напряжение на зажимах вторичной обмотки равно наводимой а ней эдс.

Число, показывающее, во сколько раз напряжение в первичной обмотке больше (или меньше) напряжения во вторичной обмотке, называется коэффициентом трансформации трансформатора и обозначается буквой К

55

Номинальное напряжение обмоток высшего и низшего напряжений, указанное на заводском щитке трансформатора, относится к режиму холостого хода.

В паспорте каждого трансформатора всегда даны номинальные напряжения обеих обмоток, относящиеся к режиму холостого хода. Поэтому коэффициент трансформации можно легко определить.

Трансформатор, у которого число витков на вторичной обмотке меньше, чем на первичной, служит для понижения напряжения. Такие трансформаторы называются понижающими, и коэффициент трансформации у них больше единицы.

Трансформатор, у которого число витков на вторичной обмотке больше, чем на первичной, служит для повышения напряжения. Такие трансформаторы называются повышающими, и коэффициент трансформации у них меньше единицы.

До сих пор мы исходили из предположения, что магнитный поток трансформатора целиком замыкается через сердечник. В действительности дело обстоит несколько иначе. Большая часть магнитных потоков, создаваемых первичной и вторичной обмотками трансформатора, замыкается через сердечник, другая – мень-

Потоки рассеяния индуцируют в своих обмотках ЭДС, величины которых могут быть определены по формулам:

ES1 = 2πfLS1I1 , ES2 = 2πfLS2 I2

где LS1 и LS2 - индуктивности рассеяния обмоток. Обозначая

56

xS1 = 2πfLS1,

xS2 = 2πfLS2 ,

получим:

ES1 = xS1I1, ES2 = xS2 I2,

где xS1 и xS2 - индуктивные сопротивления рассеяния обмоток.

12.2. Холостая работа трансформатора

Режим, при котором вторичная обмотка трансформатора разомкнута, а на зажимы первичной обмотки подано переменное напряжение, называется холостым ходом или холостой работой трансформатора.

Магнитный поток, возбуждаемый первичной обмоткой, индуктирует во вторичной обмотке ЭДС величина которой равна:

E2 = 4,44 fw2Фm ;

тот же самый магнитный поток индуктирует в первичной обмотке ЭДС

E1 = 4,44 fw1Фm ,

которая в трансформаторе без потерь уравновешивает приложенное напряжение

U1.

57

В реальном трансформаторе необходимо учитывать потери и рассеяние магнитного потока. Потери будут иметь место в стали и в меди трансформатора. К потерям в стали относятся потери на гистерезис и вихревые токи, возникающие в стальном сердечнике. Электрические потери в меди обмоток трансформатора слагаются из потерь на тепло в его обмотках при нагревании их током. От других машин и аппаратов трансформатор отличается замкнутой магнитной системой и отсутствием вращающихся частей. Поэтому потери в нем малы и КПД трансформаторов больших мощностей достигает 99% и выше.

12.3. Нагрузка трансформатора

Нагрузкой трансформатора называется режим, при котором вторичная обмотка замкнута на какое-либо сопротивление. При этом во вторичной обмотке будет проходить ток I2 , который создает свой магнитный поток Ô2 . Таким образом,

при нагрузке трансформатора в нем будут действовать намагничивающие силы (сокращенно н. с.)_ двух обмоток, а в сердечнике его будет магнитный поток, по-

Магнитный поток трансформатора Ф и намагничивающий ток IO совпадают по фазе (рис. 12.4). Электродвижущие силы E1 и E′2 отстают по фазе на 90º от магнитного потока Ф. Так как нагрузка активная и трансформатор не имеет потерь, то ток I′2 совпадает по фазе с ЭДС E′2 . При нагрузке трансформатора геометри-

ческая сумма намагничивающих сил первичной и вторичной обмоток будет почти равна намагничивающей силе первичной обмотки при холостом ходе.

Iw1 + Iw2 = I0 w1 .

В линиях электропередачи используют трехфазные силовые трансформаторы. Магнитопровод такого трансформатора имеет три стержня, на каждом из которых размещается по две (первичная и вторичная) обмотки одной фазы. Как первичные, так и вторичные обмотки трехфазного трансформатора могут соединятся по схеме "звезда" или "треугольник".

58

Вопросы для самопроверки

1.Что называется трансформатором?

2.Как устроен однофазный трансформатор?

3.Какие обмотки имеются в однофазном трансформаторе?

4.Что такое коэффициент трансформации?

5.Что такое повышающий трансформатор?

6.Что такое понижающий трансформатор?

7.Какие магнитные потоки существуют в трансформаторе?

8.Как понимается выражение "холостой ход" трансформатора?

9.Как понимается выражение "нагрузка" трансформатора?

10.Объясните векторную диаграмму холостого хода трансформатора.

11.Объясните векторную диаграмму идеального трансформатора при активной нагрузке.

12.Как устроен трехфазный трансформатор?

ЛЕКЦИЯ № 13 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА

13.1. Устройство электрических машин постоянного тока. Обратимость машин

По назначению электрические машины постоянного тока делятся на генераторы и двигатели.

Генераторы вырабатывают электрическую энергию, которая поступает в энергосистему и используется для питания различных потребителей. Двигатели создают механический вращающий момент на валу, который используется для привода различных механизмов и транспортных средств.

Электрические машины обратимы. Это значит, что одна и та же машина может работать и как генератор, и как двигатель. Поэтому можно говорить об устройстве машин постоянного тока, не рассматривая отдельно устройство генератора или двигателя. Свойство обратимости не следует противопоставлять определенному назначению машины, которая обычно проектируется и используется либо как двигатель, либо как генератор. Значительно реже находят применение машины, предназначенные для работы как в генераторном, так и в двигательном режимах (стартер-генераторы и другие).

Генератор и двигатель отличаются расчетными и конструктивными особенностями. Поэтому использование двигателя в качестве генератора или генератора в качестве двигателя приводит к ухудшению эксплуатационных характеристик машин, в частности к снижению коэффициента полезного действия. В любой машине постоянного тока четко выделяются подвижная и неподвижная части. Подвижную (вращающуюся) часть машины, в которой индуктируется электродвижущая сила, принято называть ротором или якорем, а неподвижную, в которой создается магнитное поле возбуждения, - статором или индуктором.

Статор машины постоянного тока называют также станиной. Станину изготовляют из магнитопроводящего материала (обычно литая сталь); он выпол-

59

няет две функции, являясь, во-первых, магнитопроводом, по которому проходит магнитный поток возбуждения машины, и, во-вторых, основной конструктивной деталью, в которой размещаются все остальные детали. Изнутри к станине крепятся полюсы. Полюс машины состоит из сердечника, полюсного наконечника и катушки. При прохождении по катушкам постоянного тока в полюсах индуктируется магнитный поток возбуждения. Помимо главных полюсов в машинах повышенной мощности (более 1 кВт) устанавливаются дополнительные полюсы меньших размеров, предназначенные для улучшения коммутационной работы машины. Катушки дополнительных полюсов включают последовательно с обмоткой якоря.

Обмотка вращающегося якоря соединяется с помощью коллектора и щеток с неподвижными клеммами, через которые машина включается в электрическую сеть. Сердечник якоря и коллектор крепятся на одном валу. Стальной вал якоря опирается на подшипники, закрепленные в боковых щитках машины. В свою очередь боковые щитки крепятся болтами к статору.

Для уменьшения вихревых токов и связанных с ними тепловых потерь сердечник якоря набирают из тонких листов электротехнической стали, изолированных друг от друга лаковым покрытием. В теле якоря сверлят вентиляционные каналы, по которым проходит охлаждающий воздух. В пазы сердечника якоря укладывают проводники обмотки якоря, соединенные с коллекторными пластинами.

Коллектор набирают из медных пластин, разделенных миканитовыми прокладками. Поверхность медных пластин специально обрабатывают, чтобы повысить их устойчивость к истиранию.

Электрическое соединение вращающейся обмотки якоря с неподвижными клеммами машины осуществляется с помощью щеток, скользящих по коллектору.

Щетки вставляются в специальные обоймы щеткодержателя и прижимаются к коллектору спиральными или пластинчатыми пружинами. Щеткодержатели крепятся к траверсе, которую вместе со щетками можно поворачивать относительно статора на некоторый угол в ту или другую сторону.

В качестве основы для изготовления щетки используют графит. Чтобы получить заданные свойства (определенную электропроводность, повышенную сопротивляемость к истиранию), в щетку добавляют порошки металлов (медь, свинец).

На рис. 13.1. показан внешний вид машины постоянного тока серии П, выпускаемой отечественной промышленностью. Машины этой серии рассчитыва-

ют на различную мощность от 0,3 до 200 кВт. Двигатели серии П рассчитаны на напряжение 110 или 220 В, а генераторы - 115 или 230 В.

Поперечный разрез машины постоянного тока схематически изображен на рис. 13.2, где видны статор, создающий магнитный поток возбуждения, и якорь, в пазах которого размещены проводники его обмотки.

Между полюсным наконечником и якорем имеется воздушный зазор, ис-

60