уч. пособие Электротехника. Часть 2

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

3.11.Вопросы для самопроверки к разделу 3

Между какими величинами определят взаимосвязь закон полного тока?

Что определяет величина, которая называется магнитная проницаемость среды?

Чем относительная магнитная проницаемость среды отличается от абсолютной?

Что такое магнитный поток?

Что такое индуктивность?

В чем разница между магнитным потоком и потокосцеплением?

Если в катушке с одним и тем же сердечником увеличить число витков в 3 раза, во сколько раз изменится индуктивность катушки?

Почему в сердечники из магниточувствительных материалов с высокой магнитной проницаемостью среды добавляют воздушные зазоры, магнитная проницаемость среды которых мала?

Почему при расчете катушки индуктивности с разрывом потоками

Почему напряжения первичной и вторичной обмоток трансформатора пропорциональны числу витков в них?

Что такое постоянный магнит?

Почему магнитная проницаемость среды изменяется в зависимости от величины напряженности магнитного поля?

Чем обусловлено явление насыщения в ферромагнетиках?

Что такое постоянный магнит?

Перечислите, из каких типов потерь складываются потери энергии в катушке индуктивности?

61

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

4.Электрические машины

4.1.Классификация электрических машин

Электрическая машина - это электромеханическое устройство, которое предназначено для преобразования механической энергии в электрическую (электрический генератор) или электрической энергии в механическую (электрический двигатель).

Генераторы служат на выработки электрической энергии, а электродвигатели служат для приведения в движение транспортных средств, рабочих механизмов спускоподъемных установок, вращения валов вентиляторов и компрессоров и т.д.

Электрические машины применяются также для преобразования рода тока (например, переменного тока в постоянный), частоты и числа фаз переменного тока, постоянного тока одного напряжения в постоянный ток другого напряжения.

Электрическая машина имеет два основных элемента – статор и ротор. Статор – это неподвижная часть электрической машины. Ротор – подвижная часть электрической машины.

Трансформатор также является электрической машиной, несмотря на то, что не имеет движущихся частей, однако его теория изучается вместе с теорией электрических машин, так как основные соотношения между величинами, характеризующими рабочий процесс трансформатора, применимы и к электрическим машинам. Трансформатором называется статический электромагнитный аппарат, который служит для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения, но той же частоте.

Принцип действия электрических машин основан на законах электрических и магнитных явлений: законе электромагнитной индукции и законе Ампера.

Классификация электрических машин Электрические машины можно классифицировать по ряду

признаков – назначению, роду тока, принципу действия и типу возбуждения, мощности, степени защиты (IP) и т.п.

По назначению электрические машины делятся на: Электрические генераторы - преобразуют механическую

энергию в электрическую энергию;

62

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Электрические двигатели - преобразуют электрическую энергию в механическую энергию;

Электромашинные преобразователи (инверторы) - преобразуют переменный ток в постоянный ток и наоборот, изменяют величину напряжения, частоту и число фаз;

Электромашинные компенсаторы – генерируют реактивную мощность в электрических установках для улучшения энергетических показателей источников и приѐмников электроэнергии;

Электромеханические преобразователи сигналов - генерируют, преобразуют и усиливают различные сигналы.

По роду тока электрические машины делятся на машины постоянного и машины переменного тока. На рисунке 4.1 представлена классификация электрическим машин постоянного тока.

ЭМ постоянного тока

С электромагнитным возбуждением С постоянными

магнитами

Независимым

Параллельным

Последовательны

Рис. 4.1. Машины постоянного тока

В машинах постоянного тока, как правило, есть коллектор. Коллектор служит для получения на щетках машины ЭДС, постоянно действующей в одном направлении. Также коллектор служит для переключения токов в частях обмотки ротора (якоря) таким образом, чтобы результирующая электромагнитных сил,

63

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

получающихся от взаимодействия магнитного поля электромагнитов статора и токов в обмотке ротора, действовала на ротор все время в одном направлении.

На рисунке 4.2 представлена классификация машин переменного тока.

Рис. 4.2. Машины переменного тока

Машины переменного тока в основном разделяются на синхронные и асинхронные. При работе машин переменного тока возникает вращающееся магнитное поле. Ротор синхронной машины вращается со скоростью, равной скорости вращения магнитного поля. Скорость вращения ротора асинхронной машины отличается от скорости вращения поля.

Асинхронные машины как правило используют как двигатели, а синхронные как двигатели и генераторы. Практически все генераторы переменного тока синхронные.

64

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

4.2.Трансформатор

4.2.1.Устройство трансформатора

Основным преобразовательным устройством является трансформатор. Трансформатором называется электротехническое устройство, служащее для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения той же частоты.

По назначению трансформаторы делятсяна:

силовые;

специальные;

измерительные;

радиотехнические.

Ксиловым относятся трансформаторы, передающие потребителю электрическую энергию, к специальным – сварочные и выпрямительные, к измерительным – трансформаторы тока и напряжения, служащие для подключения электроизмерительных приборов, к радиотехническим - маломощные трансформаторы и трансформаторы, работающие на повышенной частоте.

По роду тока – однофазные и трехфазные.

По способу охлаждения – на масляные, сухие и с твердым наполнителем.

По форме магнитопровода – стержневые, броневые, тороидальные (рисунок 4.3).

Рис.4.3. Магнитная система трансформатора: (а) – стержневые, (б) – броневые, (в) - тороидальные

По числу обмоток – двухобмоточные, трѐхобмоточные, многообмоточные.

По конструкции обмоток – с концентрическими и чередующимися (дисковыми) обмотками.

65

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Конструкция трансформатора состоит из двух основных частей - магнитопровода и обмоток (рис.4.3; 3). Магнитопровод набирается из тонких листов электротехнической стали изолированных друг от друга. Часть магнитопровода, на котором располагается обмотка, называется стержнем (рис.4.3; 2), а часть, замыкающая стержни – ярмом (рис.4.3; 1). Преимущество тороидальных трансформаторов – отсутствие в магнитной системе (рис. 3; 4) воздушных зазоров, что значительно уменьшает магнитное сопротивление магнитопровода.По своему устройству магнитопровод подразделяется на П-образный, Ш-образный и О-

изолированным проводом с дополнительной изоляцией между слоями. Обмотка трансформатора с большим числом витков называется обмоткой высшего напряжения (ВН), а с меньшим - низшего (НН). Таким образом, у повышающего трансформатора обмоткой низкого напряжения будет первичная, а высокого вторичная и, наоборот, у понижающего.

Принцип работы простейшего трансформатора с двумя обмотками был рассмотрен в предыдущем разделе «Магнитные цепи».

Напомним основные моменты о принципе работы трансформатора.

При подключении первичной обмотки к источнику синусоидального напряжения u Umax sin( t u ) по обмотке

течет ток i1 = Imaxsin( t+ u), создающий намагничивающую силу F=i1w1 , под действием которой возникает магнитный поток Ф =

Фmsin( t+ ф).

По закону электромагнитной индукции во вторичной цепи ин-

Подставим выражение для потока Ф и возьмем производную

66

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Из формулы (4.2) видно, что ЭДС отстает от магнитного потока на угол 90о, а амплитуда ЭДС вторичной обмотки

Действующее значение ЭДС равно

где - частота сети. Тогда Е2 = 4,44 W2*Фm*

4.2.2.Режимы работа трансформатора

Вработе трансформатора можно выделить три режима: холостого хода, когда вторичная обмотка разомкнута, короткого замыкания, когда вторичная обмотка замкнута накоротко и рабочий режим под нагрузкой.

На электрической схеме трансформатор изображается следующим образом (рисунок 4).

Врежиме холостого хода

напряжение вторичной обмотки U2хх=Е2, тогда ток в первичной обмотке определится как I1o = U1/Z1o, где Z1о = R1o

трансформатора –I1н, при этомI2 = 0.

Ввиду малости первичного тока потери мощности в первичной катушке составляют не более одного процента от номинальной мощности трансформатора и их можно принять равными нулю так же, как и во вторичной: Р1о 0, Р2=0.

67

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Таким образом, в режиме холостого хода потери мощности наблюдаются только в магнитопроводе и называются магнитными потерям. Причина этих потерь — систематическое перемагничивание магнитопровода переменным магнитным полем. Это перемагничивание вызывает в магнитопроводе два вида магнитных потерь: потери от гистерезиса, связанные с затратой энергии на уничтожение остаточного магнетизма в ферромагнитном материале магнитопровода, и потери от вихревых токов, наводимых переменным магнитным полем в пластинах магнитопровода.. Магнитные потери определяются по формуле:

С целью уменьшения магнитных потерь магнитопровод трансформатора выполняют из магнитно-мягкого ферромагнитного материала — тонколистовой электротехнической стали. При этом магнитопровод делают шихтованным в виде пакетов из тонких пластин (полос), изолированных с двух сторон тонкой пленкой лака.

Магнитные потери от гистерезиса прямо пропорциональны частоте перемагничивания магнитопровода, т. е. частоте переменного тока, а магнитные потери от вихревых токов пропорциональны квадрату этой частоты. Величина магнитных потерь зависит также и от магнитной индукции в стержнях и ярмах магнитопроводав степени угла магнитного запаздываания - . Значение угла составляет (5 10)- электрических градусов. При неизменном первичном напряжении магнитные потери постоянны, т.е. не зависят от нагрузки трансформатора.

Векторная диаграмма (рисунок 4.5) может быть построена на основании уравнения для первичной обмотки:

68

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Рис. 4.5. Векторная диаграмма для режима холостого хода

Так как I10*R1 и I10*X1 E1 , то параметры холостого хода или параметры магнитной системы можно определить из следующих выражений

Режим короткого замыкания для трансформатораявляется аварийным, так как при U2 = 0 и Zн = 0 ток в первичной обмотке будет в 15-20 раз больше тока номинального рабочего режима. Поэтому опыт короткого замыкания производят только с целью определения параметров первичной и вторичной обмоток.

Опыт производят при условии, что I2k =I2н, тогда I1k = I1н.

Тогда U1k U1н.

Напряжение короткого замыкания для первичнойобмотки задается в паспортных данных трансформатора в процентах от вторичного напряжения U1k% = (U1k/ U2k)*100% и составляет примерно 5% для трансформаторов с масляным охлаждением и (2 2.5)% для трансформаторов с воздушным охлаждением.

Так как напряжение короткого замыкания в первичной обмотке во много раз меньше номинального, то U1 4,44W1*Фm* и Фmкз Фmн, то потери в стали при коротком замыкании будут стремиться к нулю.

Мощность при к.з. рассеивается только в обмотках трансформатора и идет на нагрев меди в них.

69

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Такие потери часто называют электрическими потерями. Они являются переменными, так как их величина зависит от нагрузки трансформатора

Общее сопротивление короткого замыкания Zк.з, коэффициент мощности и коэффициент трансформации определяются из отношений:

Схема замещения трансформатора в режиме короткого замыкания и векторная диаграмма имеют вид в соответствии с уравнением

Для составления схемы замещения и удобства расчета рабочих режимов используют метод приведения параметров вторичной обмотки трансформатора к первичной. Тогда W1 = W2– число витков обмотки приведенного трансформатора, где W2 = KW2

70