тема: "Трансформаторы"

Работа однофазного трансформатора вхолостую

Трансформаторами в электротехнике называют такие аппараты, в которых электрическая энергия переменного тока от одной неподвижной катушки из проводника передаётся другой неподвижной катушки из проводника, не связанной с первой электрически. Звеном, передающим энергию от одной катушки к другой, является магнитный поток, сцепляющийся с обеими катушками и непрерывно меняющийся по величине и по направлению.

На рисунке №1а изображен простейший трансформатор, состоящий из двух катушек расположенных коаксиально одна над другой. К катушки подводится переменный ток от генератора переменного тока: эта катушка называется первичной катушкой (первичной обмоткой). От вторичной катушки соединяется цепь с приёмниками электрической энергии. Действие трансформатора заключается в прохождении тока в первичной обмотке создавая магнитное поле, силовые линии которого пронизывают не только создаваемую их катушку но и вторичную обмотку. Примерная картина распределения силовых линий, создаваемых первичною катушкою, изображённой на рисунке №1b. Как видно на рисунке, все силовые линии замыкаются вокруг проводников первой катушки, но часть из них (1,2,3,4) замыкаются также вокруг проводников второй катушки. Таким образом, вторая катушка является магнитно связной с первой катушкой при посредстве магнитных силовых линий. Степень магнитной связи первой и второй катушек, при коаксиальном расположений их, зависит от расстояния между ними: чем дальше катушки друг от друга, тем меньше магнитная связь между ними, ибо тем меньше силовые линии первой катушки сцепляется с второй катушкой. Так как через первую катушку проходит переменный ток, то есть ток, меняющийся во времени по какому-то закону, например по закону синуса, то и магнитное поле, им создаваемое, также будет меняться по тому же закону. В результате изменения тока в первой катушки обе катушки пронизываются магнитным потоком, непрерывно меняющим свою величину и своё направление. Согласно основному закону электромагнитной индукции при всяком изменении пронизывающего катушку магнитного потока в катушке индуктируется переменная электродвижущая сила. В нашем случае в первой катушке индуктируется электродвижущая сила самоиндукции, а во второй катушке индуктируется электродвижущая сила взаимоиндукции.

Если концы второй катушки соединить с цепью приёмников электрической энергии то в этой цепи появится ток, следовательно, приёмники получат электрическую энергию. В тоже время к первой катушке от генератора направится энергия, почти равная энергии, отдаваемой в цепь второй катушки. Таким образом, электрическая энергия от одной катушки будет передаваться в цепь второй катушки, совершенно не связанной с первой катушкой гальванически (металлически). Средством передачи энергии в этом случае является только переменный магнитный поток. Магнитная связь двух обмоток оценивается отношением магнитного потока, сцепляющегося с обеими обмотками, к потоку, создаваемому одной катушкой. Из рисунка №1b, что только часть силовых линий первой катушки замыкается только вокруг второй катушки. Другая часть силовых линий замыкается только вокруг первой катушки. Эти силовые линии в передачи электрической от первой катушки ко второй совершенно не участвуют, они образуют так называемое поле рассеяния.

Для того чтобы увеличить магнитную связь между первичной и вторичной обмотками и одновременно уменьшить магнитное сопротивление для прохождения магнитного потока, обмотки технических трансформаторов располагают на совершенно замкнутых железных сердечниках.

Первым примером выполнения трансформаторов может служить схематически изображенный на рисунке №2 однофазный трансформатор так называемого стержневого типа. У него первичные и вторичные расположены на железных стержнях соединённых с торцом железными накладками называемые ярмами. Таким образом два стержня и два ярма образуют замкнутое железное кольцо, в котором и проходит магнитный поток, сцепляющийся с первичной и вторичной обмотками, Это железное кольцо называемое сердечником трансформатора.

Вторым примером выполнения трансформаторов может служить схематически изображенный на рисунке №3 однофазный трансформатор так называемого броневого типа. У этого трансформатора первичные и вторичные обмотки, состоящие каждая из ряда плоских катушек, расположены на сердечнике, образуемом двумя стержнями двух железных колец, Кольца окружая обмотки, покрывают их почти целиком как бы бронёй, поэтому трансформатор и называется броневым. Магнитный поток, проходящий внутри обмоток разбивается на две равные части, замыкающиеся каждая в своём железном кольце. Применением замкнутых железных магнитных цепей у трансформаторов добиваются значительного снижения потока рассеяния. У таких трансформаторов потоки, сцепляющиеся с первичною и вторичною обмотками, почти равны друг другу.

Трёхфазные и измерительные трансформаторы.
Автотрансформаторы. КПД трансформатора
В линиях электропередачи используют в основном трёхфазные силовые трансформаторы. Магнитопровод трёхфазного трансформатора имеет три стержня, на каждом из которых размещаются две обмотки одной фазы.
Особенностью трёхфазного трансформатора является зависимость коэффициента трансформации линейных напряжений от способа соединения обмоток. Применяются главным образом три способа соединения обмоток трёхфазного трансформатора: соединение первичных и вторичных обмоток звездой (рис а); соединение первичных обмоток звездой, вторичных - треугольником (рис б); соединение первичных обмоток треугольником, вторичных обмоток звездой (рис в).
Способы соединения обмоток трёхфазного трансформатора.
Обозначим отношение чисел витков обмоток одной фазы буквой R,что соответствует коэффициенту трансформации однофазного трансформатора и может быть выражено через отношение фазных напряжений:
R=w_2/w₁=U_Ф2/U_Ф1
Обозначим коэффициент трансформации линейных напряжений буквой с:
При соединении обмоток по схеме звезда- звезда
с=U_Л2/U_Л1=U_Ф2/(U_Ф1)=R
При соединении обмоток по схеме звезда-треугольник
с= U_Л2/U_Л1= U_Ф2/(U_Ф1)=R/
При соединении обмоток по схеме треугольник- звезда
с=U_Л2/U_Л1=U_Ф2/U_Ф1=R
Таким образом, при одном и том же числе витков обмоток трансформатора можно в увеличить или уменьшить его коэффициент трансформации, выбирая соответствующую схему соединения обмоток.
Принципиальная схема автотрансформатора изображена на рисунке.
У автотрансформатора часть витков первичной обмотки используется в качестве вторичной обмотки, поэтому помимо магнитной связи имеется электрическая связь между первичной и вторичной цепями. В соответствии с этим энергия из первичной цепи во вторичную передаётся как с помощью магнитного потока, замыкающегося по магнитопроводу, так и непосредственно по проводам.
Поскольку формула трансформаторной ЭДС применима к обмоткам автотрансформатора так же, как и к обмоткам трансформатора, коэффициент трансформации автотрансформатора выражается известными отношениями
R=w₂/w₁=E₂/
E₁=U₂/
U₁=
I₁/
I₂.
Вследствие электрического соединения обмоток через часть витков, принадлежащую одновременно первичной и вторичной цепям, проходят токи I₁ и
I₂, которые направлены встречно и при небольшом коэффициенте трансформации мало отличаются друг от друга по значению. Поэтому их разность оказывается небольшой и обмотку w₂ можно выполнить из тонкого провода.
Автотрансформаторы применяют для пуска мощных двигателей переменного тока, регулирования напряжения в осветительных сетях, а также в других случаях, когда необходимо регулировать напряжение в небольших пределах.
Измерительные трансформаторы напряжения и тока используют для включения измерительных приборов, аппаратуры автоматического регулирования и защиты в высоковольтные цепи.
Измерительные трансформаторы напряжения служат для включения вольтметров и обмоток напряжения измерительных приборов (рис а). Поскольку обмотки имеют большое сопротивление и потребляют маленькую мощность, можно считать, что они работают в режиме холостого хода.
Измерительные трансформаторы тока используют для включения амперметров и токовых катушек измерительных приборов (рис б). Эти катушки имеют очень маленькое сопротивление, поэтому трансформаторы тока практически работают в режиме короткого замыкания.

Результирующий магнитный поток в магнитопроводе трансформатора равен разности магнитных потоков, создаваемых первичной и вторичной обмотками.
КПД трансформатора, как и всякой другой машины, определяется отношением полезной мощности ко всей подведённой. Полезной мощностью для трансформатора является мощность, снимаемая с вторичной обмотки, , а подведённой - мощность , идущая из сети в первичную обмотку. Так как в трансформаторе равен 0,96-099, то непосредственное определение его по формуле не даёт точных результатов из-за того, что ошибка в измерении соизмерима с погрешностью прибора.
Электрические потери в трансформаторе складываются из потерь в меди , вызванных нагреванием проводников обмоток трансформатора, и потерь в стали , вызванных гистерезисом и вихревыми потоками в сердечнике.
В таком случае КПД трансформатора может быть выражен упрощённой формулой
Потери мощности в меди определяются как сумма потерь в первичной и вторичной обмотках: .
Потери мощности в стали определяются величиной и частотой изменения магнитного потока и от нагрузки не зависят.
При работе трансформатора в рабочем режиме. Напряжение на вторичной обмотке считают равным номинальному напряжению , потери в стали постоянными . На практике при работе трансформатора ток во вторичной обмотке не всегда равен номинальному току . Поэтому вводится коэффициент нагрузки и КПД трансформатора определяется по следующей формуле: .
Исследовав функцию на максимум, убеждаемся, что максимальный КПД трансформатора получается при равенстве потерь в меди и в стали, т.е. если ,то
.
Так как обычно , то максимальный КПД трансформатора получается при коэффициенте нагрузки 0,6…0,7, значит,

Общие понятия о трансформаторах

Трансформатор представляет собой статический преобразователь электромагнитной энергии с двумя (или более) индуктивно связанными обмотками, предназначенный для преобразования одной или нескольких систем переменного тока в одну или несколько других систем переменного тока. Преобразование энергии в трансформаторе осуществляется переменным магнитным полем с использованием магнитопровода.
Напряжения первичной и вторичной обмоток, как правило, неодинаковы. Если первичное напряжение меньше вторичного, трансформатор называется повышающим, если больше вторичного - понижающим. Любой трансформатор может быть использован и как повышающий, и как понижающий. Повышающие трансформаторы применяют для передачи электроэнергии на большие расстояния, а понижающие - для ее распределения между потребителями.
В зависимости от назначения различают силовые трансформаторы, трансформаторы для специальных применений (преобразовательные, возбужденческие, согласующие и т.п.) и измерительные трансформаторы ( тока и напряжения).
Силовые трансформаторы преобразуют переменный ток одного напряжения в переменный ток другого напряжения для питания электроэнергией потребителей. В зависимости от назначения они могут быть повышающими или понижающими. В распределительных сетях применяют, как правило, трехфазные двухобмоточные понижающие трансформаторы, преобразующие напряжение 6 и 10 кВ в напряжение 0,4 кВ.
Измерительные трансформаторы напряжения - это промежуточные трансформаторы, через которые включаются измерительные приборы при высоких напряжениях. Благодаря этому измерительные приборы оказываются изолированными от сети, что делает возможным применение стандартных приборов (с переградуированием их шкалы) и тем самым расширяет пределы измеряемых напряжений.
Трансформаторы напряжения используются как для измерения напряжения, мощности, энергии, так и для питания цепей автоматики, сигнализаций и релейной защиты линий электропередачи от замыкания на землю.
В ряде случаев трансформаторы напряжения могут быть использованы как маломощные понижающие силовые трансформаторы или как повышающие испытательные трансформаторы (для испытания изоляции электрических аппаратов).
Классификация трансформаторов напряжения
Трансформаторы напряжения различаются:
а) по числу фаз - однофазные и трехфазные;
б) по числу обмоток - двухобмоточные и трехобмоточные;
в) по классу точности, т. е. по допускаемым значениям погрешностей;
г) по способу охлаждения - трансформаторы с масляным охлаждением (масляные), с естественным воздушным охлаждением (сухие и с литой изоляцией);
д) по роду установки - для внутренней установки, для наружной установки и для комплектных распределительных устройств (КРУ).
Для напряжений до 6 кВ трансформаторы напряжения изготовляют сухими, т. е. с естественным воздушным охлаждением. Для напряжений выше 6 кВ применяют масляные трансформаторы напряжения.
Трансформаторы внутренней установки предназначены для работы при температуре окружающего воздуха от -40 до + 45°С с относительной влажностью до 80 %.
В однофазных трансформаторах напряжения на 6 к 10 кВ преимущественно применяеться литая изоляция. Трансформаторы с литой изоляцией полностью или частично (одни обмотки) залиты изоляционной массой (эпоксидной смолой). Такие трансформаторы, предназначенные для внутренней установки, выгодно отличаются от масляных: имеют меньшие массу и габаритные размеры и почти не требуют ухода в эксплуатации.
Трехфазные двухобмоточные трансформаторы напряжения имеют обычные трехстержневые магнитопроводы, а трехобмоточные - однофазные броневые. Трехфазный трехобмоточный трансформатор представляет собой группу из трех однофазных однополюсных единиц, обмотки которых соединены по соответствующей схеме. Трехфазные трехобмоточные трансформаторы напряжения старой серии (до 1968-1969 гг.) имели бронестержневые магнитопроводы. Трехфазный трансформатор меньше по массе и габаритам, чем группа из трех однофазных трансформаторов. При работе трехфазного трансформатора для резерва нужно иметь другой трансформатор на полную мощность
В масляных трансформаторах основной изолирующей и охлаждающей средой является трансформаторное масло.
Масляный трансформатор состоит из магнитопровода, обмоток, бака, крышки с вводами. Магнитопровод собирают из изолированных друг от друга (для уменьшения потерь на вихревые токи) листов холоднокатаной электротехнической стали. Обмотки изготовляют из медного или алюминиевого провода. Для регулирования напряжения обмотка ВН имеет ответвления, соединяющиеся с переключателем. В трансформаторах предусмотрено два вида переключении ответвлений: под нагрузкой - РПН (регулирование под нагрузкой) и без нагрузки, после отключения трансформатора от сети - ПБВ (переключение без возбуждения). Наиболее распространен второй способ регулирования напряжения как наиболее простой.
Кроме указанных трансформаторов с масляным охлаждением (ТМ) выпускаются трансформаторы в герметичном исполнении (ТМГ), в которых масло не сообщается с воздухом и, следовательно, исключается его ускоренное окисление и увлажнение. Масляные трансформаторы в герметичном исполнении полностью заполнены трансформаторным маслом и не имеют расширителя, а температурные изменения его объема при нагревании и охлаждении компенсируются изменением объема гофров стенок бака. Эти трансформаторы заполняются маслом под вакуумом, вследствие чего повышается электрическая прочность их изоляции.
Сухой трансформатор, так же как и масляный, состоит из магнитопровода, обмоток ВН и НН, заключенных в защитный кожух. Основной изолирующей и охлаждающей средой является атмосферный воздух. Однако воздух является менее совершенной изолирующей и охлаждающей средой, чем трансформаторное масло. Поэтому в сухих трансформаторах все изоляционные промежутки и вентиляционные каналы делают большими, чем в масляных.
Сухие трансформаторы изготовляют с обмотками со стеклоизоляцией класса нагревостойкости В (ТСЗ), а также с изоляцией на кремнийорганических лаках класса Н (ТСЗК). Для уменьшения гигроскопичности обмотки пропитывают специальными лаками. Применение в качестве изоляции обмоток стекловолокна или асбеста позволяет значительно повысить рабочую температуру обмоток и получить практически пожаробезопасную установку. Это свойство сухих трансформаторов дает возможность применять их для установки внутри сухих помещений в тех случаях, когда обеспечение пожарной безопасности установки является решающим фактором. Иногда сухие трансформаторы заменяют более дорогими и сложными в изготовлении совтоловыми.
Сухие трансформаторы имеют несколько большие габаритные размеры и массу (ТСЗ) и меньшую перегрузочную способность, чем масляные, и используются для работы в закрытых помещениях с относительной влажностью не более 80%. К преимуществам сухих трансформаторов относят их пожаробезопасность (отсутствие масла), сравнительную простоту конструкции и относительно малые затраты на эксплуатацию.

Внешняя характеристика трансформатора

Под внешней характеристикой понимается зависимость выходного напряжения от тока нагрузки с учетом его характера (активная - R, активно- емкостная - RC, активно - индуктивная - RL). Схема замещения трансформатора принимает вид:

По второму закону Кирхгофа запишем уравнение для схемы замещения трансформатора: U₂ = U₁ - I Z_k = U₁ - I (jX_k + R_k).

Для объяснения закона внешних характеристик для различных видов нагрузок построим векторную диаграмму для фиксированного значения тока нагрузки I=const.

При построении векторной диаграммы принимается такая условность: по часовой стрелке отставание вектора тока от вектора напряжения. При индуктивной нагрузке ток отстает от напряжения на угол поэтому вектор напряжения U₁ повернут против часовой стрелки по отношению к вектору тока I;при емкостной нагрузке напряжение U₁ отстает от тока I₁ на угол поэтому вектор напряжения U₁ повернут по часовой стрелки по отношению к вектору тока I.

При активной нагрузке вектор напряжения U₁ повернут против часовой стрелки по отношению к вектору тока I на небольшой угол из- за малой величины индуктивности нагрузки.

Вектор ( - R_kI) противоположен по направлению к вектору тока I. Так как X_k - индуктивность рассеяния трансформатора, то вектор (-jX_kI) перпендикулярен по отношению к вектору (-R_kI) и имеет поворот против часовой стрелки.

Каждый из векторов U₂₍₁₎ , U₂₍₂₎ , U₂₍₃₎ получается в результате суммирования двух векторов U₁ и ( - I Z_k). Из векторной диаграммы видно, что при активной и индуктивной нагрузках происходит уменьшение напряжения во вторичной цепи трансформатора с увеличением тока I. Если нагрузка имеет емкостный характер, то напряжение увеличивается. При проектировании трансформатора необходимо учитывать характер нагрузки. Например, индуктивная нагрузка требует увеличивать количество витков во вторичной цепи с учетом понижения напряжения при работе под нагрузкой. Конденсаторы используются для компенсации реактивной составляющей в трансформаторах, они включаются в трехфазных трансформаторах параллельно в каждой фазе или между фазами, как показано на рисунке.

Энергетические показатели трансформатора

К энергетическим показателям трансформатора относятся: КПД трансформатора и коэффициент мощности.

КПД трансформатора - это отношение активной (полезной) мощности в нагрузке к потребляемой (активной) мощности трансформатора, т.е.

где, P_маг=P_гист+Р_{вих.токи} - потери в магнитопроводе трансформатора. Они являются постоянными потерями, не зависящими от тока нагрузки, и включают в себя два вида потерь: потери на "гистерезис" (перемагничивание сердечника трансформатора) и потери на "вихревые" токи (круговые токи Фуко, перпендикулярные направлению основного магнитного потока).

Потери в магнитопроводе зависят от следующих параметров:

P_маг=B_x²f²G ,

где - коэффициент, зависящий от типа ферромагнитного материала;

G - вес магнитопровода (в кг);

B_x - величина магнитной индукция (определяемая положением рабочей точки на кривой намагничивания трансформатора).

С увеличением частоты преобразования возрастают магнитные потери, поэтому используют материалы с малыми удельными потерями и понижают рабочее значение магнитной индукции Вх.

Потери на гистерезис определяются площадью петли гистерезиса:

Учитывая , что Р_ОБ=I²R_об - потери в обмотках.Получим соотношение для КПД в зависимости от коэффициента нагрузки I₂/I_2ном.

Потери в магнитопроводе определяются из опыта "холостого хода" и равны P_маг=P₁₀. Мощность в нагрузке P₂ можно представить в виде

Потери в обмотках трансформатора равны:

где P_1К - потери определяемые из опыта "короткого замыкания".

Таким образом выражение для КПД принимает вид:

КПД будет иметь максимальное значение при

Отсюда,

При проектировании трансформатора необходимо добиваться равенства потерь в магнитопроводе потерям в обмотках для обеспечения эффективной работы трансформатора. При расчета трансформатора за критерии оптимизации выбираются: КПД, габаритные размеры, стоимость и температурный режим работы трансформатора. При Pмаг>Pоб (<��������������������������������������������������������������������������������������������������������������

�������������������������������

������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

��������������������������������������������������������������������������

�����������������������

������������������������

���������_{�����}�������������������������������

���������������������������������������_{�����}���

��������������������������������������������������������������������������������������������������������

�����28 …. 0,34);

Площадь окна равна: Sок = c_*h [см²].

Подставим (1), (2), (3) в выражение для электромагнитной мощности и получим выражение для габаритной мощности:

P_габ = 2 К_ф К_маг К_ок B_mf j S_маг S_ок.

При заданной мощности трансформатора определяют типоразмеры трансформатора, затем по уравнению ЭДС рассчитывается количество витков первичной и вторичной цепей.

Трехфазные трансформаторы

Это система, объединяющая три источника переменного тока, ЭДС которых сдвинуты друг относительно друга на 120°.Трансформирование трехфазного тока можно осуществить тремя однофазными трансформаторами, соединенными в трансформаторную группу. Обмотки первичной и вторичной цепей соединяются одним из способов: "звезда", "треугольник", "зигзаг".

На рисунке изображены временные зависимости для фазных и линейных ЭДС трехфазного трансформатора.

Рассмотрим способ соединения "звезда".

На рисунке изображена векторная диаграмма напряжений и условное обозначение схемы соединения обмоток трансформатора.

Точка на схеме трансформатора обозначает конец вектора ЭДС или начало обмотки.

При соединении звездой линейные (I_л) и фазные токи (Iф) одинаковы, потому что для тока, проходящего через фазную обмотку, нет иного пути, кроме линейного провода. Линейные напряжения (U_л) больше фазных (Uф) в раза.

Соединение в звезду выполняется с нулевым выводом или без него, что является достоинством схемы соединения

Соединение в "треугольник":

При соединении треугольником U_л = Uф, потому что каждые два линейных провода присоединены к началу и концу одной из фазных обмоток, а все фазные обмотки одинаковы. Линейные токи I_л = Iф.

Мощности при соединениях звездой и треугольником определяются выражениями:

Полная

активная

реактивная

где j - угол сдвига фаз между напряжением и током.

Группа соединения трехфазного трансформатора.

При определении группы соединения обмоток трансформатора пользуются циферблатом часов. Линейный вектор обмотки высшего напряжения (ВН) соответствует минутной стрелке циферблата часов и устанавливается на цифру 12, часовая стрелка соответствует линейному вектору ЭДС обмотки низкого напряжения (НН) и ее поворот по отношению к обмотке ВН определяет номер группы и угол поворота = n_*30⁰, где n - группа.

Определим группу соединения обмоток трансформатора для соединения "звезда-звезда". Для построения диаграммы условно объединяем одноименные выводы обмоток первичной (с) и вторичной (С) цепей трансформатора. Из построения видно, что номер группы соединения равен

n = 180°/30° = 6 .

Определим группу соединения обмоток трансформатора для соединения "звезда-треугольник". Для построения диаграммы условно объединяем одноименные выводы обмоток первичной (а) и вторичной (А) цепей трансформатора. Из построения видно, что номер группы соединения равен n = j/30° =30°/30° = 1 .

Соединение вторичных обмоток трансформатора в зигзаг

Соединение зигзагом применяют чтобы нагрузку вторичных обмоток распределить более равномерно между фазами первичной сети, а также для расщепления фаз при создании многопульсных выпрямителей и в других случаях.

Для соединения зигзагом вторичная обмотка каждой фазы составляется из двух половин: одна половина расположена на одном стержне, другая - на другом. Конец полуобмотк, например х₁ соединен с концом y₂ и т.д. Начала полуобмоток а₂, в₂ и с₂ соединены и образуют нейтраль. К началам а₁, в₁, с₁ присоединяют линейные провода вторичной сети. При таком соединении э.д.с. обмоток, расположенных на разных стержнях, сдвинуты на угол 120⁰ _.

Вектор E₃ является суммой двух векторов e''₃ и e''₁ . Вектор e''₁ параллелен e'₁ и противоположен по направлению. Вектор e'₃ совпадает с направлением фазы с. Угол поворота вектора ЭДС вторичной цепи по отношению к первичной зависит от соотношения витков W₂₁/W₂₂.

Конструкция трехфазных трансформаторов

Трехфазные трансформаторы изготавливаются в виде отдельных однофазных трансформаторов, объединенных в группу при повышенной мощности (свыше 60000 кВА). Такой тип получил название - трансформатор с раздельной магнитной системой. Трансформатор, у которого обмотки расположены на трех стержнях, называется трансформатором с объединенной магнитной системой.

В трехстержневом трансформаторе вследствие магнитной несимметрии магнитопровода, намагничивающие токи отдельных фазных обмоток не равны: намагничивающие токи крайних фаз (I_ОА и I_ОС) больше тока средней фазы (I_ОВ).

Для уменьшения магнитной несимметрии трехстержневого манитопровода, т.е. уменьшения магнитного сопротивления потокам крайних фаз, сечение ярма делают больше.

Параллельная работа трансформаторов

Для увеличения мощности трансформаторы включают параллельно. Существуют условия параллельного включения трансформаторов:

1) Трансформаторы должны иметь одинаковые значения напряжения "холостого хода" или коэффициенты трансформации. При несоблюдении этого условия возникает уравнительный ток (I_УР), обусловленный разностью вторичных напряжений DU,

где R_вн1, R_вн2 - внутренние сопротивления трансформатора. При этом трансформатор с более высоким вторичным напряжением "холостого хода" оказывается перегруженным.

2) Трансформаторы должны принадлежать к одной группе соединений. Если это условие не выполняется, то появляется уравнительный ток, обусловленный разностной ЭДС трансформатора:

3) Трансформаторы должны иметь одинаковые значения напряжения короткого замыкания.Трансформатор с меньшим напряжением короткого замыкания перегружается.

Специальные трансформаторы

Трансформаторы напряжения

Измерительный трансформатор напряжения (ТН) применяется при измерениях в сетях переменного тока напряжением свыше 220 В. ТН представляет собой понижающий трансформатор с таким соотношением витков в первичной и вторичной обмотках, чтобы при номинальном первичном напряжении вторичное напряжение составляло 100В.

ТН работает в режиме, близком к режиму "холостого хода", т.е. I₂ = 0. Класс точности прибора зависит от выбора рабочей точки на петле гистерезиса (Bm=0,1….0,2 Тл , I₁ ). Для этого увеличивают количество витков первичной цепи. Соотношение витков в трансформаторе подбирается таким образом, чтобы получить во вторичной цепи U=100 B. Для обеспечения надежной работы ТН обязательно заземляется вторичная цепь и корпус трансформатора. Система уравнений для трансформатора имеет вид:

Так как U₁ = -E₁ , U₂ = E_2НОМ, то напряжение в первичнолй обмотке определяется выражением:

Трансформатор тока

Измерительный трансформатор тока (ТТ) применяется для включения амперметров и обмоток тока ваттметров, счетчиков энергии и фазометоров в цепях переменного тока, чаще всего в сильно точных (с большим значением тока).

ТТ работает в режиме, близком к "короткому замыканию". Первичная обмотка ТТ выполняется из провода большого сечения и включается в сеть последовательно (количество витков первичной цепи равно1). Вторичная обмотка - многовитковая.

Уравнение МДС имеет вид: I₁W₁ + I₂W₂ = I₀W₁;

Точность тока измерительной цепи определяется выбором точки на петле гистерезиса (Bm=0,1…0,2Тл, I₀ =0). Количество витков во вторичной цепи подбирается таким образом, чтобы во вторичной цепи протекал ток 5 А, откуда

Данный трансформатор является опасным при эксплуатации, так как нельзя размыкать вторичную цепь под нагрузкой. При размыкании цепи произойдет рост потерь в магнитопроводе в квадратичной зависимоти (В²), что приведет к пробою изоляции и обслуживающий персонал может попасть под высокое напряжение.

Конец формы

Коэффициент полезного действия

Коэффициент полезного действия (кпд), характеристика эффективности системы (устройства, машины) в отношении преобразования или передачи энергии; определяется отношением полезно использованной энергии к суммарному количеству энергии, полученному системой; обозначается обычно h = W_пол/W_cyм.

В электрических двигателях кпд - отношение совершаемой (полезной) механической работы к электрической энергии, получаемой от источника; в тепловых двигателях - отношение полезной механической работы к затрачиваемому количеству теплоты; в электрических трансформаторах - отношение электромагнитной энергии, получаемой во вторичной обмотке, к энергии, потребляемой первичной обмоткой. Для вычисления кпд разные виды энергии и механическая работа выражаются в одинаковых единицах на основе , и др. аналогичных соотношений. В силу своей общности понятие кпд позволяет сравнивать и оценивать с единой точки зрения такие различные системы, как атомные реакторы, электрические генераторы и двигатели, теплоэнергетические установки, полупроводниковые приборы, биологические объекты и т. д.

Из-за неизбежных потерь энергии на трение, на нагревание окружающих тел и т. п. кпд всегда меньше единицы. Соответственно этому кпд выражается в долях затрачиваемой энергии, т. е. в виде правильной дроби или в процентах, и является . Кпд тепловых электростанций достигает 35-40%, двигателей внутреннего сгорания - 40-50%, динамомашин и генераторов большой мощности-95%, трансформаторов-98%. Кпд процесса составляет обычно 6-8%, у он достигает 20-25%. У тепловых двигателей в силу кпд имеет верхний предел, определяемый особенностями термодинамического цикла (), который совершает рабочее вещество. Наибольшим кпд обладает .

Различают кпд отдельного элемента (ступени) машины или устройства и кпд, характеризующий всю цепь преобразований энергии в системе. Кпд первого типа в соответствии с характером преобразования энергии может быть механическим, термическим и т. д. Ко второму типу относятся общий, экономический, технический и др. виды кпд. Общий кпд системы равен произведению частных кпд, или кпд ступеней.

В технической литературе кпд иногда определяют т. о., что он может оказаться больше единицы. Подобная ситуация возникает, если определять кпд отношением W_пол/W_затр, где W_пол - используемая энергия, получаемая на "выходе" системы, W_затр - не вся энергия, поступающая в систему, а лишь та её часть, для получения которой производятся реальные затраты. Например, при работе полупроводниковых термоэлектрических обогревателей () затрата электроэнергии меньше количества теплоты, выделяемой термоэлементом. Избыток энергии черпается из окружающей среды. При этом, хотя истинный кпд установки меньше единицы, рассмотренный кпд h = W_пол/W_затр может оказаться больше единицы.

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЦЕПИ ПОСТОЯННОГО ТОКА

НЕКОТОРЫЕ ОСОБЕННОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЗАКОНОВ ОМА И КИРХГОФА ПРИ РАСЧЕТЕ И АНАЛИЗЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ

Как известно, согласно закону Ома в замкнутой неразветвленной электрической цепи (см. рис. 1.1, а)(1,3)

А в любом пассивном элементе цепи, например с сопротивлением r₂ (рис. 1.1,a),

(1.4)

I = U₂/r₂ .

Выражение (1.3) справедливо при совпадающих направлениях ЭДС Е и тока I, а выражение (1.4) - при совпадающих направлениях напряжения, U и тока I, что и следует учитывать при нанесении на схеме стрелок, указывающих положительные направления, в случае использования закона Ома.

Согласно первому закону Кирхгофа алгебраическая сумма токов ветвей, соединенных в любой узловой точке электрической цепи, равна нулю, т. е.

(1.5)

ΣI = 0.

Со знаком « + » в уравнение следует включать токи, положительные направления которых обращены к узлу, со знаком « - » - положительные направления которых обращены от узла (можно и наоборот). Например, для узла А (рис. 1.2)

I₁ + I₂ + I₃ - I₄ - I₅ = 0.

Согласно второму закону Кирхгофа в любом замкнутом контуре электрической цепи алгебраическая сумма ЭДС равна алгебраической сумме напряжений на всех резистивных элементах контура, т. е.

(1.6)

ΣЕ = ΣIr.

Рис. 1.2. К пояснению первого закона Кирхгофа

Часто в электрических цепях встречаются элементы, между выводами которых имеются те или иные напряжения U (например, напряжение сети, напряжение, снимаемое с делителя напряжения, и т. д.).

Учитывая это, вместо (1.6) удобнее использовать следующую форму записи второго закона Кирхгофа:

(1.7)

ΣЕ = ΣIr + ΣU.

При этом ЭДС, напряжения и токи, положительные направления которых совпадают с направлением обхода контура при составлении уравнения (1.7), следует включать в уравнение со знаком « + », а те, положительные направления которых не совпадают с направлением обхода контура, - со знаком «-» (можно и наоборот).

При подстановке в уравнения (1.5)-(1.7) числовых значений ЭДС, напряжений и токов следует учитывать, что указанные величины могут быть как положительными, так и отрицательными, что повлияет па окончательные знаки перед ЭДС, напряжениями и токами.

Следует заметить, что уравнение (1.7) может быть применено и к такому контуру, который замкнут в геометрическом смысле. Это значит, что часть контура может проходить по стрелке, указывающей положительное направление напряжения между какимилибо точками. Таким образом, можно всегда записать уравнение для напряжения между двумя любыми точками электрической цепи.

При составлении уравнений по второму закону Кирхгофа следует включать в них либо ЭДС и падение напряжения во внутренних сопротивлениях активных элементов, либо только их напряжения.

Например, для электрической цепи рис. 1.1, а по второму закону Кирхгофа можно написать

E = Ir₀ + I(r₁ + r₂ + r₃)

либо

0 = I(r₁ + r₂ + r₃) - U_ab .

Исключением является случай, когда уравнение составляется для контура, проходящего через активный элемент и стрелку, указывающую положительное направление напряжения этого же элемента. Только в этом случае в уравнение войдут ЭДС,

Рис. 1.3. К пояснению второго закона Кирхгофа

падение напряжения во внутреннем сопротивлении и напряжение данного элемента. Так, для той же цепи рис. 1.1,а получим E = Ir₀ + U_ab .

Пример 1.1. В замкнутом ковтуре рис. 1.3 Е₁ = 100 В, Е₂ = 50 В, U₁ =120 В, U₂ = 80 В, r₀₁ = r₀₂ = 1 Ом, r₁ = 9 Ом, r₂ = 4 Ом, r₃ = 15 Ом, I₁ = 2 А, I₂ = 1 А, I₄ = 3 А.

Определить ток I₃ в ветви аже и напряжение U_ев между точками е и в.

Решение. Выбрав положительное направление тока I₃ таким, как показано на рис 1.3, и обходя контур по часовой стрелке, на основании второго закона Кирхгофа получим

E₁ - Е₂ = I₁(r₁ + r₀₁) - I₂(r₂ + r₀₂) + I_Зr₃ - U₁ + U₂.

После решения относительно тока I₃ и подстановки числовых значений найдем I₃ = 5 А. Так как ток I₃ > 0, то он направлен, как показано на рис. 1.3.

При указанном на рис 1 3 положительном направлении напряжения U_еe по второму закону Кирхгофа для контура вгдев получим - Е₂ = - I₂(r₂ + r₀₂) +U₂ + U_ев. В результате вычислений найдем U_ев = -125 В.

Поскольку U_ев < 0, то φ_е < φ_в и действительное направление напряжения между точками е и в будет противоположным указанному на рисунке.

НАЗНАЧЕНИЕ, УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ТРАНСФОРМАТОРА

С целью экономичной передачи электроэнергии на дальние расстояния и распределения ее между разнообразными потребителями появляется необходимость в ее трансформации. Последнее осуществляется с помощью повышающих и понижающих трансформаторов.

Трансформатор - статический электромагнитный аппарат, его действие основано на явлении взаимной индукции, он предназначен для преобразования электрической энергии переменного тока с параметрами U₁, I₁ в энергию переменного тока с параметрами U₂, I₂ той же частоты.

Принцип индуктивной связи двух обмоток впервые открыт Фарадеем в 1831 г. В период 1870-1880 гг. был создан однофазный трансформатор с разомкнутым магнитопроводом, а в 1880-1890 г. была осуществлена разработка трансформатора с замкнутым магнитопроводом, который усиливал магнитную связь между обмотками и обеспечивал повышенные технико-экономические показатели трансформатора.

Трансформатор (рис. 8.1) состоит из ферромагнитного магнитопровода 1, собранного из отдельных листов электротехнической стали, на котором расположены две (w₁, w₂) обмотки, выполненные из медного или алюминиевого провода. Обмотку, подключенную к источнику питания, принято называть первичной, а обмотку, к которой подключаются приемники, - вторичной. Все величины, относящиеся к первичной и вторичной обмоткам, принято соответственно обозначать индексами 1 и 2.

Рис. 8.1. К пояснению устройства и принципа действия трансформатора

Если первичную обмотку трансформатора с числом витков w₁ включить в сеть переменного тока, то напряжение сети U₁ вызовет в ней ток I₁ и МДС I₁w₁ создаст переменный магнитный поток Ф. Переменный магнитный поток Ф создаст в обмотке w₁ ЭДС Е₁, а в обмотке w₂ ЭДС Е₂. Когда есть нагрузка, электрическая цепь вторичной обмотки оказывается замкнутой и ЭДС Е₂ вызовет в ней ток I₂. Таким образом, электрическая энергия первичной цепи с параметрами U₁, I₁ и частотой f будет преобразована в энергию переменного тока вторичной цепи с параметрами U₂, I₂ и f.

Мгновенные значения ЭДС первичной и вторичной обмоток, как следует из явления электромагнитной индукции, имеют выражения

e₁ = - w₁ dФ/dt, e₂ = - w₂ dФ/dt,

их действующие значения (при синусоидальном изменении) соответственно равны

(8.1)

E₁ = 4,44w₁fФ_m;

(8.2)

Е₂ = 4,44w₂fФ_m.

Разделив значения ЭДС первичной цепи на соответствующее значение ЭДС вторичной цепи, получим

(8.3)

Величина n называется коэффициентом трансформации трансформатора. Электрическая энергия из первичной цепи во вторичную в трансформаторе передается посредством переменного магнитного потока, поскольку гальваническая связь между первичной и вторичной обмотками трансформатора отсутствует. Отношение значений ЭДС Е₁ и Е₂ равно отношению чисел витков первичной и вторичной обмоток.

Для выяснения соотношения между первичным и вторичным напряжениями необходимо высказать следующие соображения.

Вопервых, кроме основного магнитного потока Ф или просто магнитного потока трансформатора, как далее мы его будем называть, который полностью располагается в ферромагнитном сердечнике и пронизывает все витки первичной и вторичной обмоток, ток первичной обмотки создает магнитный поток рассеяния Ф_р1. Поток рассеяния Ф_р1 в отличие от основного охватывает витки только первичной обмотки и, как это видно на рис. 8.1, располагается главным образом в немагнитной среде (воздушном пространстве или трансформаторном масле, окружающем обмотку). Этот поток создает в первичной обмотке ЭДС Е_р1. Во-вторых, первичная обмотка обладает определенным активным сопротивлением. Поэтому, как вытекает из уравнения электрического состояния первичной цепи

(8.4)

U₁ = - E₁ - E_p1 + I₁r₁,

значения напряжения U₁ и ЭДС Е₁ не равны. ЭДС Е₁ меньше напряжения U₁ на значение падения напряжения, обусловленное ЭДС Е_р1 и активным сопротивлением обмотки.

Однако эта разность невелика, и если ею пренебречь, то можно допустить, что

U₁ ≈ - E₁, или | U₁ | ≈ | E₁|, или U₁ ≈ - E₁.

При работе трансформатора с нагрузкой в его вторичной обмотке действует ток I₂. Ток вторичной обмотки участвует в создании основного магнитного потока Ф, а также создает поток рассеяния Ф_р2, расположенный в немагнитной среде, как Ф_р1, и наводящий в этой обмотке ЭДС Е_р2.

Напряжение U₂, как вытекает из уравнения электрического состояния вторичной цепи

(8.5)

U₂ = Е₂ + Е_р2 - I₂r₂,

меньше ЭДС Е₂ на значение падения напряжения, обусловленное ЭДС Е_р2 и активным сопротивлением обмотки. Однако эта разность невелика, и если ею пренебречь, то можно считать, что

U₂ ≈ Е₂.

Рис 8.2 Условные обозначения однофазного трансформатора

Подставив в уравнение (8.3) вместо Е₁ и Е₂ соответственно напряжения U₁ и U₂, получим

w₁

≈

U₁

= n,

w₂

U₂

откуда следует, что U₂ = U₁w₂/w₁ = U₁/n

Поэтому можно считать, что коэффициент трансформации трансформатора представляет собой отношение значений первичного напряжения к вторичному. Соотношение между первичным и вторичным токами можно определить из равенства первичной и вторичной мощностей. Действительно, если пренебречь потерями активной мощности в обмотках и реактивной мощностью, обусловленной главным магнитным потоком и потоками рассеяния трансформатора, то

U₁I₁ = U₂I₂,

откуда

U₁/U₂ = I₂/I₁ = n

и, следовательно,

I₂ = I₁n.

Однофазные трансформаторы на схемах электрических цепей изображаются так, как это указано на рис 8.2, а - в. Начало и конец первичной обмотки обозначаются большими буквами: начало А, конец X, вторичной обмотки - малыми буквами: начало а, конец х. Предполагается, что направление намотки от начала к концу относительно магнитопровода обеих обмоток одинаковое или по часовой, или против часовой стрелки.

ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ

Передача электрической энергии большой мощности на большие расстояния технически возможна и экономически целесообразна при малых сечениях проводов линии передачи и малых потерях энергии в них. Сечение проводов и потери мощности в них определяются током, а ток при заданной мощности, как известно, зависит от напряжения:

S = UI.

Естественно, чем выше напряжение, тем меньше ток, сечение проводов и потери мощности.
Напряжение синхронных генераторов электрических станций относительно невелико: 15000 - 24000 В, сечение проводов и потери мощности в проводах линии передачи при этом напряжении были бы слишком велики. Поэтому на электрических станциях с помощью трансформаторов напряжение повышают до 110000 - 750000 В и электроэнергию передают при таком напряжении к местам потребления. Энергия столь высокого напряжения не может быть непосредственно использована подавляющим числом потребителей, поскольку они рассчитаны по технико-экономическим соображениям и условиям безопасности для работы при относительно низком напряжении - порядка 220 - 380-500 В. Следует отметить, что имеется довольно широкая группа потребителей, работающих при напряжении 10 (6) кВ. Поэтому в местах потребления электрической энергии (в конце линии передачи) напряжение понижают до требуемых значений также с помощью трансформаторов. Это - одна из основных областей применения трансформаторов, где без них обойтись невозможно.

Трансформаторы широко используются во всякого рода измерительных устройствах, радиоприемниках, телевизорах, осциллографах, для местного освещения и т. п. В этих случаях трансформатор преобразует имеющееся стандартное напряжение электрической сети в напряжение другого значения, которое необходимо для питания отдельных элементов электротехнических устройств. Во многих случаях трансформаторы имеют несколько обмоток. Трансформаторы используются в сварочных и электротермических установках. Трансформаторы широко используются при измерении тока, напряжения и мощности в электрических цепях с большим напряжением или с большими токами. Они называются измерительными. Существует много специальных трансформаторов, работающих во всякого рода автоматических установках, напряжение на их обмотках во многих случаях несинусоидальное. В этой книге рассматриваются трансформаторы, работающие в цепях синусоидального тока.

РЕЖИМ ХОЛОСТОГО ХОДА ТРАНСФОРМАТОРА

Режим холостого хода трансформатора имеет место, когда разомкнута цепь его вторичной обмотки, в обмотке нет тока и она не оказывает влияния на режим работы первичной обмотки. В режиме холостого хода процессы, происходящие в трансформаторе, аналогичны процессам в катушке с ферромагнитным магнитопроводом, которые подробно рассмотрены в разд. Б гл. 6. Дополнительно к материалу, упомянутому в гл. 6, применительно к трансформатору необходимо добавить следующее.

Магнитопровод трансформаторов собирается из отдельных листов электротехнической стали толщиной 0,35 - 0,5 мм, между которыми есть изоляционная прослойка в виде лака, окалины или клея. Потери электрической энергии в магнитопроводе невелики и, следовательно, невелик и ток I_а , обусловленный этими потерями. Воздушный зазор магнитопровода, определяемый качеством обработки отдельных листов и качеством сборки, относительно невелик. Листы слоев магнитопровода собираются внахлестку: последующий слой перекрывает воздушные промежутки в стыках листов предыдущего слоя, что приводит к существенному уменьшению эквивалентного воздушного зазора магнитопровода трансформатора (подробнее - в § 8.12). По этой причине намагничивающий ток I_р трансформатора и ток холостого хода трансформатора, равный

I₁₀ = √I_р² + I_a²,

невелики. Ток холостого хода составляет всего 5 - 10% номинального значения.

Необходимо отметить, что ток I_а значительно меньше I_р . Поэтому при анализе работы и в расчетных формулах часто принимают

I₁₀ ≈ I_р .

Рис. 8.3. Кривая намагничивания трансформаторной стали

Следует обратить внимание на то, что петля перемагничивания электротехнической стали магнитопроводов трансформаторов относительно «узкая» (рис. 8.3) и значение амплитуды магнитной индукции В_m для обычных трансформаторов выбирается в пределах 1,2-1,6 Тл, что соответствует примерно точке кривой намагничивания, лежащей на «колене», поэтому в пределах изменения В от В = 0 до В = В_m зависимость тока от магнитной индукции примерно линейная. Поскольку магнитный поток и, следовательно, магнитная индукция изменяются синусоидально, намагничивающий ток также будет изменяться по закону, близкому к синусоидальному. В дальнейшем будем считать, что ток холостого хода изменяется по синусоидальному закону. На рис. 8.4 изображены схема замещения (а) и векторная диаграмма (б) трансформатора при холостом ходе (Е₂ на рисунке не показана). В схеме замещения r₀ - активное сопротивление, потери мощности в котором равны потерям мощности в магнитопроводе трансформатора, х₀ - индуктивное сопротивление первичной обмотки, обусловленное основным магнитным потоком, r₁ - активное сопротивление первичной обмотки, x₁ - индуктивное сопротивление первичной обмотки, обусловленное потоками рассеяния. Уравнение электрического состояния первичной цепи трансформатора при холостом ходе

(8.6)

U₁ = - E₁₀ + I₁₀r₁ + jI₁₀x₁.

Напряжение на выводах вторичной обмотки при холостом ходе трансформатора

U₂₀ = E₂.

Рис. 8.4. Схема замещения (а) и векторная диаграмма (б) холостого хода трансформатора

Рис. 8.5. Схема опыта холостого хода трансформатора

Опыт холостого хода. Для выяснения соответствия действительных значений тока холостого хода, потерь мощности в магнитопроводе и коэффициента трансформации расчетным данным вновь спроектированного и изготовленного трансформатора проводят опыт холостого хода. Этот опыт иногда проводят для выяснения указанных выше параметров трансформаторов, паспортные данные которых отсутствуют. Схема опыта холостого хода изображена на рис. 8.5. В соответствии с паспортными данными трансформатора устанавливают напряжение на первичной обмотке, равное номинальному значению, после чего записывают показания приборов. Амперметр измеряет ток холостого хода I₁₀, ваттметр - потери мощности в трансформаторе ΔР₀ ≈ ΔР_ст . Отношение показаний вольтметров равно коэффициенту трансформации трансформатора n ≈ U₁/U₂. Поскольку ток холостого хода и активное сопротивление первичной обмотки малы, потери в ней незначительны и намного меньше потерь в магнитопроводе трансформатора. По этой причине можно считать, что ваттметр измеряет мощность потерь в магнитопроводе трансформатора. На основании опытных данных можно определить r₀, x₀, z₀, а также значения тока I_р и I_а . Если пренебречь r₁ и х₁ (так как r₁ << r₀ и х₁ << х₀), то

r₀ = ΔP₀/I²₁₀; z₀ = U₁/I₁₀;

ТРЕХФАЗНЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ

Создание трехфазных трансформаторов относится к периоду 1889 - 1891 гг. Первые промышленные образцы трансформаторов созданы выдающимся русским электротехником М. О. Доливо-Добровольским.

Трехфазный трансформатор состоит из трех однофазных, магнитопроводы которых объединены в один общий трехстержневой (рис. 8.17, д). Действительно, если три однофазных двухобмоточных трансформатора расположить, как изображено на рис. 8.17, а, а их первичные обмотки соединить звездой (рис. 8.17, б) и подключить к трехфазной сети, то в них возникнут токи холостого хода. Токи будут иметь одинаковое значение, но будут сдвинуты относительно друг друга на 120° (рис. 8.17, в). Магнитные потоки, создаваемые токами, также будут сдвинуты на 120°. Сумма магнитных потоков, так же как и токов, будет равна нулю. Если объединить три стержня ABC однофазных трансформаторов в один, то в этом стержне магнитного потока не будет и надобность в нем отпадает. В результате образуется трехфазный трансформатор (рис. 8.17, г). Однако изготовление такого трансформатора технически и технологически затруднено. Действительно, гораздо удобнее расположить стержни магнитопровода в одной плоскости, как изображено на рис. 8.17, д. По существу ничего не изменится. Однако при этом немного уменьшится длина магнитопровода для среднего стержня В. Это несколько нарушит симметрию магнитопровода трансформатора и приведет к тому, что намагничивающий ток (ток холостого хода) обмотки среднего стержня В будет несколько меньше, чем обмоток стержней А и С. Однако асимметрия не имеет практического значения.

Рис. 8.17.
К пояснению образования трехфазного трансформатора

Итак, трехфазный двухобмоточный трансформатор (рис. 8.17, д) имеет один трехстержневой магнитопровод с двумя обмотками на каждом из стержней. Каждая фаза трехстержневого трансформатора представляет собой по существу однофазный трансформатор. Поэтому анализ работы и расчет трехфазных трансформаторов при равномерной нагрузке каждой фазы аналогичны однофазным и схема замещения изображается для одной фазы.

Начала и концы первичных обмоток обозначаются большими буквами - соответственно АХ, BY, CZ, вторичных обмоток - малыми буквами ах, by, cz. Фазы вторичных обмоток, так же как и первичных, могут быть соединены звездой или треугольником.

ПАРАЛЛЕЛЬНАЯ РАБОТА ТРАНСФОРМАТОРОВ

Для преобразования электрической энергии высокого напряжения на территории отдельных промышленных предприятий, цехов или рядом с ними устанавливаются трансформаторы, понижающие напряжение до 220, 380 или 500 В, при котором работают большинство потребителей.

С целью сокращения длины проводов низковольтных сетей, а они имеют значительное сечение, и бесперебойного снабжения электроэнергией приемников целесообразно устанавливать не один трансформатор на один цех или промышленное предприяие, а несколько и включить их параллельно. При аварийном выходе из строя или профилактическом ремонте одного из них остальные обеспечат электроэнергией приемники. С той же целью бесперебойного снабжения промышленных предприятий на электрических станциях устанавливаются несколько трансформаторов, включенных параллельно. На рис. 8.18, а изображена схема двух параллельно включенных трехфазных трансформаторов.

Рис. 8.18. Параллельное соединение трехфазных трансформаторов (а), векторные диаграммы (б) к пояснению группы соединения обмоток трансформатора Y/Y

Для нормальной работы параллельно включенных трансформаторов необходимо, чтобы при холостом ходе в их обмотках не возникало так называемых уравнительных токов - это будет при условии, если линейные напряжения первичных и вторичных обмоток трансформаторов соответственно одинаковы по модулю и вторичные линейные напряжения совпадают по фазе, т. е. U_ab(1) = U_ab(2). Действительно, из уравнения электрического состояния вторичной цепи параллельно включенных трансформаторов, составленного по второму закону Кирхгофа,

U_a(1) - U_b(1) + U_b(2) - U_a(2) - I_yp(Z_a(1) + Z_b(1) + Z_a(2) + Z_b(2)) = 0

вытекает, что

I_yp =

U_ab(1) - U_ab(2)

,

4Z

и если U_ab(1) = U_ab(2), то I_ур = 0.

Указанные условия выполняются, если трансформаторы имеют одинаковые схемы соединения первичных и вторичных обмоток и схемы образованы одинаковым способом - звездой: нулевая точка выполнена путем объединения или концов (рис. 18. а), или начал обмоток; треугольником: начало обмотки фазы А соединено с концом обмотки фазы В, начало обмотки фазы В - с концом обмотки фазы С и начало обмотки фазы С - с концом обмотки фазы А (рис. 8.19, а), или конец обмотки фазы А с началом обмотки фазы В и т. д. Все это выражено в группе соединения трансформатора, указанной в его паспорте. Группа соединения определяется углом между векторами линейных напряжений первичной и вторичной обмоток трансформатора. В паспорте трансформатора группа соединений указывается не значением угла, а временем, которое будут показывать часы, когда угол между стрелками часов соответствует углу между линейными напряжениями первичной и вторичной обмоток.

Рис. 8.19. К пояснению группы соединения при соединении обмоток трансформатора Y/Δ

Рис. 8.20. Упрощенная схема замещения двух параллельно включенных трансформаторов

Для этого совмещают вектор линейного напряжения первичной обмотки с минутной стрелкой часов и устанавливают ее на цифре 12, а вектор линейного напряжения вторичной обмотки совмещают с часовой стрелкой. Например, при соединении обмоток Y/Y, как изображено на рис. 8.18, а, векторы линейных напряжений совпадают (рис. 8.18, б) - это соответствует 12 часам. Группа соединения трансформатора 12, и на его паспорте будет написано Y/Y-12. Когда первичная обмотка соединена звездой, а вторичная - треугольником, как изображено на рис. 8.19, а, из векторной диаграммы рис. 8.19, б следует, что будет группа соединения 11.

В Советском Союзе выпускаются трансформаторы трех групп соединения Y/Y-12, Y/Y_N-12, Y/Δ-11.

Для того чтобы нагрузка между параллельно работающими трансформаторами распределялась пропорционально их номинальным мощностям, трансформаторы должны иметь одинаковое значение напряжения короткого замыкания.

Из упрощенной схемы замещений двух параллельно включенных трансформаторов (рис. 8.20) следует, что

U_к = I'₂₍₁₎z_к(1) = I'₂₍₂₎z_к(2) ,

откуда

I'₂₍₁₎

=

z_к(2)

=

I₂₍₁₎

.

I'₂₍₂₎

z_к(1)

I₂₍₂₎

Если трансформаторы имеют одинаковые значения U_к

U_к(1) = I_2н(1)z_к(1) = U_к(2) = I'_2н(2)z_к(2) = U_к ,

то

I'₂₍₁₎

=

I₂₍₁₎

=

I_2н(1)

.

I'₂₍₂₎

I₂₍₂₎

I_2н(2)

Параллельно включенные трансформаторы имеют одинаковые значения первичных и вторичных напряжений, поэтому

I₂₍₁₎

=

I_2н(1)U_2н √3

=

S_н(1)

.

I₂₍₂₎

I_2н(2)U_2н √3

S_н(2)

Условия нормальной параллельной работы однофазных трансформаторов те же, что и трехфазных. Линейное напряжение однофазного трансформатора есть напряжение между началом и концом соответствующей обмотки.

. АВТОТРАНСФОРМАТОРЫ

Автотрансформатор - однообмоточный трансформатор. От двухобмоточного отличается тем, что вторичная обмотка является частью первичной и, естественно, обмотки имеют не только магнитную, но и гальваническую связь. Автотрансформаторы бывают однофазные и трехфазные. На рис. 8.21 изображена схема однофазного автотрансформатора. В автотрансформаторе электрическая энергия из первичной цепи во вторичную передается и через гальваническую связь, и посредством переменного магнитного потока. Автотрансформатор целесообразно применять при малых коэффициентах трансформации (n ≤ 2). При малых коэффициентах трансформации на изготовление обмотки требуется значительно меньше (по массе) провода, чем на изготовление двухобмоточного трансформатора (при n = 2 примерно в 2 раза). При этом несколько снижается масса магнитопровода. По этой причине автотрансформатор значительно дешевле, меньше весит и имеет больший КПД, чем двухобмоточный. Однако автотрансформатор нельзя применять там, где по условиям техники безопасности или другим причинам недопустима гальваническая связь между первичной и вторичной обмотками.

Рис. 8.21. Схема автотрансформатора

Автотрансформатор часто используется в лабораторной практике, при проведении всякого рода экспериментальных исследований, в качестве регулятора напряжения. Такой автотрансформатор имеет подвижный скользящий контакт а (рис. 8.21), который касается обмотки, для чего последняя лишена изоляции по ходу подвижного скользящего контакта.

Напряжение U₂ определяется, как и для обычного двухобмоточного трансформатора, из соотношения

w₁

=

E₁

≈

U₁

.

w₂

E₂

U₂

откуда

U₂ = U₁ w₂/w₁.

Ток нагрузкиI₃ = U₂/z_н .

Ток I₁ определяется из уравнения МДС. Если пренебречь током холостого хода, а это не вносит существенных погрешностей, то

(8.17)

I₁(w₁ - w₂) + I₂w₂ = 0.

Подставив значение тока I₂, равного

I₂ = I₁ + I₃,

получим

I₁ = - I₃ w₂/w₁, или I₁ = I₃ w₂/w₁.

Значение тока I₁ можно определить также из закона сохранения энергии. Если пренебречь потерями мощности в трансформаторе, то

U₁I₁ = U₂I₃ = U₁

w₂

I₃, откуда

w₁

I₁ = I₃w₂/w₁.

Рис. 8.22. Схема включения потребителя с реостатом (а) и с автотрансформатором (б) к примеру 8.3

Ток I₂ определяется из уравнения (8.17):

I₂ = - I₁

w₁ - w₂

= - I₃

w₂

(

w₁ - w₂

),

w₂

w₁

w₂

или I₂ = I₃

w₁ - w₂

,

w₁

Определим значения токов I₁,I₂ и I₃ для автотрансформатора при n = 2:

w₂ = w₁/2; U₂ = U₁w₂/w₁; I₃ = U₂/z_н = U₁/2z_н ;

I₁ = I₃

w₂

=

U₁

w₁/2

=

U₁

;

w₁

2z_н

w₁

4z_н

I₂ = I₃

w₁ - w₂

=

U₁

w₁ - w₁/2

=

U₁

.

w₁

2z_н

w₁

4z_н

Расчеты показали, что численно I₂ = I₁. Следовательно, автотрансформатор при n = 2 имеет обмотку с w₁ витками, провод которой должен быть рассчитан на ток I₁. Если использовать вместо автотрансформатора двухобмоточный трансформатор, то его первичная обмотка с тем же числом витков w₁, что и обмотка автотрансформатора, должна быть рассчитана на ток I₁, а вторичная с числом витков w₂ = w₁/2 должна быть рассчитана на ток I₂ = I₁w₁/w₂ = 2I₁.

Из этого следует, что для изготовления автотрансформатора потребуется примерно в 2 раза (по массе) меньше провода, чем для изготовления двухобмоточного трансформатора.

Пример 8.3. Для регулирования напряжения приемника переменного тока можно использовать реостат или автотрансформатор (рис. 8.22, а, б). Определить потери мощности в реостате и автотрансформаторе при условии, что U₁ = 220 В, U_п = U₂ = 100 В, ток потребителя I = 5 А, если принять, что КПД автотрансформатора η = 0,9.

Решение 1. Потери мощности в реостате

ΔP_р = U₁I - U₂I = 220 • 5-100 5 = 600 Вт

2. Потери мощности в автотрансформаторе

ΔР_тр = U₂I₂/η - U₂I₂ =

100 5

- 100 5 = 55 Вт

0,9

ТЕХНИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ ТРАНСФОРМАТОРОВ

В каталогах и в паспорте трансформатора сообщаются технические данные, необходимые для нормальной эксплуатации трансформатора. В них даны: тип трансформатора; номинальная мощность S_ном , кВ•А; линейное номинальное напряжение первичной U_1ном , кВ, и вторичной U_2ном, кВ, обмоток; потери мощности при холостом ходе ΔР₀ = ΔР_ст , кВт; потери мощности при коротком замыкании ΔР_к, кВт; напряжение короткого замыкания, % номинального соответствующей обмотки u_к ; КПД при полной и половине номинальной нагрузке при cos φ₂ = l и группа соединения. Например, ТМ-100/6 означает: ТМ - трансформатор с трансформаторным маслом, естественным воздушным охлаждением, 100 - номинальная мощность, кВ • А, 6 - номинальное напряжение обмотки высшего напряжения, кВ. Номинальная мощность
S_ном = √3U_2номI_2ном - мощность, которую может отдавать трансформатор длительно (весь срок работы) при любом cos φ₂, нагреваясь при этом до допустимой температуры. Активная же мощность, которую может длительно отдавать трансформатор, зависит от коэффициента мощности потребителя, так как она равна Р = S_ном cos φ₂. В СССР приняты следующие напряжения высоковольтных сетей: 3, 6, 10, 20, 35, 110, 150, 220, 330, 500 и 750 кВ, низковольтных сетей 127, 220, 380, 500, 660 В. В соответствии с этим установлены номинальные напряжения трансформаторов - они выше на 5 % напряжения сетей. Например, U_1ном = 6,3 кВ, U_2ном = 400 В; U_1ном = 10,5 кВ, U_2ном = 525 В.

На основании технических данных можно определить номинальные токи первичной и вторичной обмоток и параметры схемы замещения одной фазы трехфазного трансформатора.

Номинальный ток, А,

I_1ном ≈ I'_2ном =

S_ном • 10³

.

√3U'_2н

Полное сопротивление обмоток трансформатора

z_к = U_1к,ф /I_ном,ф ;

активное сопротивление обмоток r_к = ΔР_к /3I²_1ном,ф; индуктивное сопротивление х_к = √z_к² - r_к².

Параметры намагничивающей ветви схемы замещения: полное сопротивление z₀ = U_1номф /I_10ф; активное r₀ = ΔР₀/3I²_10ф; индуктивное х₀ = √z₀² - r₀².

Для трансформаторов малой мощности в паспорте указываются номинальная мощность и номинальные напряжения.

Пример 8.4. Трехфазный трансформатор при токе нагрузки 1450 А и cos φ = 0,8 имел допустимую установившуюся температуру. Определить номинальную мощность трансформатора и активную мощность, отдаваемую трансформатором, если номинальное вторичное напряжение составляет 400 В.

Решение. 1. Номинальная мощность трансформатора

S_ном = √3U_2номI_2ном = 1,73 • 400 • 1450 = 1000 кВ • А.

2. Активная мощность, отдаваемая трансформатором,

Р = S_ном cos φ = 1000 • 0,8 = 800 кВт.

КОНСТРУКТИВНОЕ ИСПОЛНЕНИЕ ТРАНСФОРМАТОРОВ

Трансформаторы малой мощности до 50 - 1000 Вт применяются в радиоприемниках, телевизорах, магнитофонах, осциллографах, многих измерительных устройствах, системах регулирования и т. п. Они бывают однообмоточные, двухобмоточные и многообмоточные. На рис. 8.24 изображен трансформатор малой мощности.

Рис. 8.24. Однофазный трансформатор малой мощности:

1 - магнитопровод;
2 - каркас;
3 - первичная обмотка;
4 - изоляционная прокладка между первичной и вторичной обмотками;
5 - вторичная обмотка

Магнитопровод трансформатора может иметь Ш или П-образную форму (рис. 8.25, а, б).

Площадь сечения окна магнитопровода всегда имеет прямоугольную форму с соотношением сторон б/а = 1,5 ÷ 2,5 (см. рис. 8.24). При такой форме магнитопровод имеет наименьшую массу и, следовательно, меньше потери энергии в нем по сравнению с квадратной формой окна. Обмотка выполняется из медного провода круглого или прямоугольного сечения, чаще всего с эмалевой изоляцией. В отдельных случаях применяются и другие изоляционные материалы. Обмотка укладывается плотными рядами на заранее изготовленный каркас (рис. 8.25, в) из электрокартона, текстолита или пластмассы. Между отдельными обмотками прокладывается слой изоляции из бумаги, лакоткани или другого изоляционного материала. После изготовления обмоток производится сборка трансформатора. Если магнитопровод имеет П-образную форму (рис. 8.25, б), то часть пластины К вставляется в обмотку поочередно то сверху, то снизу, а в возникшие промежутки между ними сверху и снизу вставляются части пластины М. При такой сборке последующий слой перекрывает место стыка предыдущего слоя. Сборка магнитопровода трансформатора, имеющего Ш-образную форму магнитопровода (рис. 8.25, а), производится в том же порядке. Естественно, что в этом случае пластина К вставляется в обмотку своей средней частью.

Трансформатор с Ш-образным магнитопроводом называют броневым, поскольку его обмотки с двух сторон охвачены магнитопроводом. Сборка магнитопровода внахлестку - последующий слой перекрывает стыки (воздушные промежутки) предыдущего слоя - существенно уменьшает эквивалентный воздушный зазор магнитопровода, что приводит к значительному снижению тока холостого хода трансформатора. Кроме того, такая сборка значительно повышает механическую прочность трансформатора и удобство крепления его магнитопровода.

Рис. 8 25. Формы магнитопроводов трансформаторов малой мощности (а, б, г) и каркас катушки трансформатора (в)

Для придания магнитопроводу необходимой механической прочности и устранения «гудения» после сборки пластины магнитопровода стягиваются с помощью поперечных пластин и болтов.

Рис. 8.26. Расположение линий магнитного потока в месте стыка пластин магнитопровода

Рис. 8.27. К пояснению зависимости длины витка обмотки трансформатора от формы площади сечения стержня магнитопровода при одном и том же значении площади.

Окружность а' соответствует прямоугольной форме сечения а; окружность б' соответствует квадратной форме сечения б; окружность в' соответствует крестообразной форме сечения в, окружность г' соответствует ступенчатой форме сечения г

Рис. 8.28. Пластины магнитопровода трехфазного трансформатора

Уменьшение эквивалентного воздушного зазора можно объяснить тем, что магнитный поток обходит воздушный промежуток стыка через рядом расположенные пластины, не имеющие в этом месте стыка (рис. 8.26). В последнее время стали широко применяться магнитопроводы из склеенных пластин, состоящие из двух половин (рис. 8.25, г). Поверхности соприкосновения каждой половины для уменьшения зазора шлифуются. Такие две части вставляются в обмотки и крепятся. Для уменьшения потоков рассеяния, а следовательно, индуктивных сопротивлений обмоток на каждом каркасе в случае П-образной формы (рис. 8.25, б, г) укладывается по половине витков первичной и вторичной обмоток. После сборки половины обмоток соединяются последовательно согласно. В трансформаторах с Ш-образной формой магнитопровода все обмотки находятся на одном каркасе. Трансформатор малой мощности имеет естественное воздушное охлаждение.

Для проведения всякого рода исследований иногда требуются трансформаторы малой мощности с отличными от стандартных напряжениями первичной и вторичной обмоток. В этом случае можно рассчитать и изготовить трансформатор своими силами. В качестве магнитопровода можно использовать магнитопровод старых не годных к употреблению трансформаторов.

Инженерам-машиностроителям едва ли придется обслуживать установки с трансформаторами средней и большой мощности. Поэтому здесь будет рассмотрено конструктивное исполнение трансформаторов средней (20 - 500 кВ•А) и большой (до 500000 - 1000000 кВ•А) мощности в самом общем виде.

Рассмотрим конструктивное исполнение трехфазных трансформаторов. Форма магнитопроводов всех трансформаторов одинаковая - трехстержневая (см. рис. 8.17, д). Магнитопровод имеет три стержня, на которых располагаются первичные и вторичные обмотки трех фаз и два ярма Д, Е, объединяющие стержни в единый магнитопровод. Площадь сечения стержней определяется из уравнения U ≈ E = 4,44f_wB_mS_ст. Форма площади сечения, как вытекает из этой формулы, казалось бы, не оказывает никакого влияния на конструкцию и параметры трансформатора. Однако форма сечения существенно влияет на затраты меди для обмоток, массу, стоимость и параметры трансформатора. Сечения проводов обмоток трансформаторов средней и большой мощности исчисляются десятками и сотнями квадратных миллиметров: это шины квадратной или прямоугольной формы. Намотать такой провод на сердечник с прямоугольной формой сечения, так чтобы он прилегал к сторонам сердечника, невозможно. При изгибе провода под прямым углом произошла бы недопустимая деформация провода, да и намотать обмотку значительно проще на шаблон с круглым сердечником, чем с прямоугольным. По этим причинам катушки трансформаторов средней и большой мощности всегда круглые. Это определяет и форму сечения стержней трансформатора. Проще и дешевле изготовить магнитопровод с прямоугольной или квадратной формой площади сечения (рис. 8.27, а, б). Однако при этом, как это видно из рис. 8.27, длина витка и, следовательно, затраты обмоточного материала будут гораздо больше, чем при крестовидной (рис. 8.27, в) и тем более при ступенчатой (рис. 8.27, г) форме площади сечения. Кроме того, между обмоткой и стержнем будут большие пустоты, в результате чего возникнут значительные потоки рассеивания и обмотки будут иметь недопустимо большие индуктивные сопротивления.

Рис. 8.29. Силовой трехфазный трансформатор ТМ-320/10:
1 - магнитопровод,
2 - обмотка высшего напряжения;
3 - обмотка низшего напряжения;
4 - стальной бак; заполненный трансформаторным маслом,
5 - проходные изоляторы для вывода концов обмотки высшего напряжения;

6 - проходные изоляторы для вывода концов обмотки низшего напряжения;
7 - переключатель для изменения коэффициента трансформации;
8 - охлаждающие трубы;
9 - расширительный бачок;
10 - измеритель масла;
11 - заливочное отверстие с пробкой

Все это привело к тому, что по экономическим и техническим соображениям трансформаторы средней мощности выполняются с крестовидной, а большой мощности - со ступенчатой формой площади сечения стержней. Ярма имеют прямоугольную форму площади сечения. Магнитопровод собирается из отдельных тонких листов (0,35 - 0,5 мм) электротехнической стали внахлестку по тем же причинам, что и в трансформаторах малой мощности. Каждый слой магнитопровода состоит из отдельных листов (рис. 8.28), при сборке отдельные части последующего слоя располагаются так, что они перекрывают стыки листов предыдущего слоя. Магнитопровод с обмотками располагается в стальном баке, наполненном трансформаторным маслом. Трансформаторное масло выполняет роль охлаждающей среды и изолятора как между витками, так и между обмоткой и магнитопроводом.

Рис. 8.30. К пояснению изменения коэффициента трансформации трехфазного трансформатора

На рис. 8.29 изображен трансформатор мощностью 320 кВ • А. Бак трансформатора герметически закрыт, а изменение объема масла, вызванное колебаниями температуры, компенсируется маслорасширительным бачком 9. В магнитопроводе и обмотках трансформаторов образуются значительные потери энергии, нагревающие трансформатор. И если поверхность бака недостаточная, трансформатор будет перегреваться. Поэтому бак трансформаторов снабжается радиаторами в виде труб 8, существенно увеличивающими поверхность охлаждения. В трансформаторах большой мощности и этого недостаточно. Действительно, допустим, мощность трансформатора 270000 кВ • А и КПД 98%, следовательно, потери мощности в нем составляют 5400 кВт. Такие трансформаторы охлаждаются с помощью водяных маслоохладителей, через которые пропускается горячее масло трансформатора. Выводы концов обмоток трансформатора осуществляются с помощью проходных фарфоровых изоляторов 5, 6 (рис. 8.29).

В условиях эксплуатации иногда значение напряжения первичной обмотки оказывается ниже нормального и тогда напряжение на вторичной (напряжение приемников) будет ниже номинального. Это существенно ухудшает их работу. Для поддержания вторичного напряжения в пределах номинального трансформаторы снабжаются устройством для изменения коэффициента трансформации. Обмотка высшего напряжения каждой фазы имеет три вывода (рис. 8.30), которые подключены к переключателю 7 (рис. 8.29). Переключатель может замыкать концы Х₁, Y₁, Z₁, или Х₂, Y₂, Z₂, или Х₃, Y₃, Z₃. В результате будет изменяться коэффициент трансформации и, следовательно, напряжение на вторичной обмотке при неизменном первичном. Следует заметить, что трансформаторы содержат большое количество трансформаторного масла (до нескольких десятков тонн) и представляют большую пожарную опасность. Для ограничения последствий возникшего пожара под трансформатором всегда есть бетонная маслосборная яма, накрытая сеткой, на которую насыпан гравий. В случае утечки и возгорания масла оно через гравий стекает в маслосборную яму, а пламя изза сетки и гравия в яму не проникает. Возникший пожар быстро ликвидируется.

УСТРОЙСТВО АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ ТРЕХФАЗНОГО ТОКА

Асинхронный двигатель трехфазного тока представляет собой электрическую машину, служащую для преобразования электрической энергии трехфазного тока в механическую. Благодаря простоте устройства, высокой надежности в эксплуатации и меньшей стоимости по сравнению с другими двигателями асинхронные двигатели трехфазного тока нашли широкое применение в промышленности и сельском хозяйстве. С их помощью приводятся в движение металлорежущие и деревообрабатывающие станки, подъемные краны, лебедки, лифты, эскалаторы, насосы, вентиляторы и другие механизмы.

На рис. 10.1 изображен продольный (а) и поперечный (б) разрезы асинхронного двигателя трехфазного тока, а также части сердечников ротора и статора с пазами и обмотками (в).

Двигатель имеет две основные части: неподвижную - статор и вращающуюся - ротор. Статор состоит из корпуса 1, представляющего собой основание всего двигателя. Он должен обладать достаточной механической прочностью и выполняется из стали, чугуна или алюминия. С помощью лап 8 двигатель крепится к фундаменту или непосредственно к станине производственного механизма. Существуют и другие способы крепления двигателя к производственному механизму.

В корпус 1 вмонтирован сердечник 2 статора, представляющий собой полый цилиндр, на внутренней поверхности которого имеются пазы 3 с обмоткой статора 4. Часть обмотки 4', находящаяся вне пазов 3, называется лобовой; она отогнута к торцам сердечника статора. Так как в сердечнике статора действует переменный магнитный поток и на статор действует момент, развиваемый двигателем, сердечник должен изготовляться из ферромагнитного материала достаточной механической прочности. Для уменьшения потерь от вихревых токов сердечник статора собирают из отдельных листов (толщиной 0,35 - 0,5 мм) электротехнической стали и каждый лист изолируют лаком или другим изоляционным материалом.

Рис 10.1 Продольный (а) и поперечный (б) разрезы асинхронного двигателя, части сердечников ротора и статора с пазами и обмоткой (в)

Обмотка статора выполняется в основном из изолированного медного провода круглого или прямоугольного сечения, реже - из алюминиевого провода. В качестве изоляции проводов друг от друга используют бумагу, хлопчатобумажную ткань, пропитанные различными лаками, слюду, стекловолокно и различные эмали. Для изоляции проводов обмотки от сердечника статора служат электроизоляционный картон, слюда, асбест, стекловолокно.

Рис. 10.2. Разрез паза с обмоткой статора асинхронного двигателя при номинальном напряжении до 500 В (а) и 6000 В (б)

В последнее время для изоляции обмоток асинхронных двигателей низкого напряжения применяют лавсан с электроизоляционным картоном, для двигателей высокого напряжения - пленки на слюдяной основе. На рис. 10.2 изображены разрезы пазов с обмоткой статоров асинхронных двигателей низкого (а) и высокого (б) напряжения.

Обозначения на рис. 10.2, а: 1 - провод с эмалевой изоляцией марки ПЭТВ-1; 2, 3 - пазовая и межсекционная изоляции из пленкоэлектрокартона на лавсане толщиной 0,27 мм. Обозначения на рис. 10.2, б: 1 - провод медный; 2 - витковая изоляция из поликарбонатовой пленки; 3, 4- пазовая и межсекционная изоляции из слюдяной ленты на термореактивном лаке; 5 - клин из дерева твердых пород.

Обмотка статора состоит из трех отдельных частей, называемых фазами. Фазы могут быть соединены между собой звездой или треугольником. Начала обмоток будем обозначать на схемах буквами А, В, С, концы - X, Y, Z. Обмотки двигателей малой и средней мощности изготовляют на напряжения 380/220 и 220/127 В. Напряжение, указанное в числителе, соответствует соединению обмоток звездой, в знаменателе - треугольником. Таким образом, один и тот же двигатель при соответствующей схеме соединения его обмоток может быть включен в сеть на любое указанное в паспорте напряжение. Существуют двигатели на 500, 660 и 1140 В.

Двигатели высокого напряжения изготовляют на напряжения 3000 и 6000 В.
На корпусе двигателя имеется доска с зажимами, с помощью которых обмотка присоединяется к трехфазной сети. К каждому зажиму подключен соответствующий вывод обмотки. Для зажимов приняты следующие обозначения: зажимы, к которым подключены начала обмоток, обозначают буквами С1, С2 и С3, концы обмоток - соответственно С4, С5 и С6.

Сердечник 5 ротора (см. рис. 10.1) представляет собой цилиндр, собранный, так же как и сердечник статора, из отдельных листов электротехнической стали, в котором имеются пазы 6 с обмоткой 7 ротора.

Рис. 10.3. Короткозамкнутый ротор (а), короткозамкнутая обмотка ротора («беличья клетка») (б)

Рис. 10.4. Фазный ротор (с контактными кольцами)

Обмотки ротора бывают двух видов - короткозамкнутые и фазные. Соответственно этому различают асинхронные двигатели с короткозамкнутым и фазным ротором (с контактными кольцами). На рис. 10.3, а изображен короткозамкнутый ротор, на рис. 10.3, б - короткозамкнутая обмотка. Короткозамкнутая обмотка состоит из стержней 1, расположенных в пазах, и замыкающих колец 2. Стержни присоединены к замыкающим кольцам, в результате чего обмотка оказывается короткозамкнутой. Стержни и замыкающие кольца в одних двигателях изготовляют из меди, в других - из алюминия, в третьих - из бронзы и т. д. Алюминиевую обмотку получают путем заливки в пазы жидкого алюминия. По внешнему виду (рис. 10.3, б) короткозамкнутая обмотка напоминает беличье колесо, поэтому ее иногда называют «беличьей клеткой». На рис. 10.4 изображен фазный ротор (с контактными кольцами).
Фазную обмотку ротора выполняют так же, как и обмотку статора. Она всегда соединяется звездой. Начала фаз обмотки присоединяют к контактным кольцам 1 (рис. 10.4), которые изготовляют из стали или латуни и располагают на валу двигателя. Кольца изолированы друг от друга, а также от вала двигателя. К кольцам прижимаются пружинами металлографитные щетки 2, расположенные в неподвижных щеткодержателях. С помощью контактных колец и щеток в цепь ротора включается дополнительный резистор r_д , который является или пусковым (для увеличения пускового момента и одновременного уменьшения пускового тока) или регулировочным (для изменения частоты вращения ротора двигателя).
Вал ротора 9 (см. рис. 10.1) изготовлен из стали и вращается в шариковых или роликовых подшипниках 10. Подшипники укреплены в подшипниковых щитах 11, которые изготовлены из чугуна или стали и прикрепляются к корпусу болтами.

Рис. 10.5 Развернутая схема обмотки статора асинхронного двигателя (а), секции обмотки (б)

Соединение отдельных проводников одной фазы обмотки между собой и взаимное расположение обмоток всех трех фаз статора можно проследить с помощью развернутой схемы обмотки статора двухполюсного асинхронного двигателя, изображенной на рис. 10.5, а. Обозначения на рисунке: πD - длина внутренней окружности сердечника статора; l - длина сердечника статора, цифры от 1 до 24 - пазы.

Фаза А - X начинается с проводника, лежащего в пазу 1. Первый проводник с помощью лобовой части обмотки Л₁ соединен с проводником, лежащим в пазу 13, последний в свою очередь с помощью лобовой части обмотки Л₂ соединен с проводником, лежащим в пазу 2, и т. д. Конец обмотки соединен с проводником, лежащим в пазу 16. Таким образом, фаза А - X занимает восемь пазов. Аналогичным образом соединяются проводники фаз В - Y и С - Z. Из рисунка видно, что начала и концы одной фазы двухполюсного двигателя сдвинуты в пространстве относительно другой на восемь пазов, что составляет 1/3 окружности, т. е. 120°.

Часть обмотки, выделенная на рис. 10.5, а жирной линией, называется секцией. Обычно секция состоит не из одного витка, как на рис, 10.5, а, а из нескольких витков (рис. 10.5, б). Такие секции изготовляют на шаблонах, потом их изолируют и придают им нужную форму. Секции укладывают в пазы и закрепляют с помощью деревянных клиньев. После того как все секции уложены, их соединяют в соответствии с развернутой схемой обмотки статора двигателя. Наряду с однослойными обмотками (см. рис. 10.5, а), когда в пазу расположена одна сторона одной секции, применяют двухслойные обмотки, в каждом пазу которой расположены две стороны двух секций.

Тепловая энергия, возникающая в двигателе в результате потерь электрической энергии в его обмотках и магнитопроводе, нагревает двигатель. Для увеличения теплоотдачи ротор снабжен крыльчаткой 12 (см. рис. 10.1), прикрепленной к замыкающим кольцам короткозамкнутой обмотки. Крыльчатка обеспечивает интенсивное движение воздуха внутри и снаружи двигателя. На рис. 10.1 стрелками указано направление движения воздуха через двигатель.

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ

В обмотке статора, включенной в сеть трехфазного тока, под действием напряжения возникает переменный ток, который создает вращающееся магнитное поле. Магнитное поле пересекает проводники обмотки ротора и наводит в них (на основании закона электромагнитной индукции е = Blv) переменную ЭДС, направление которой определяется по правилу правой руки и указано на рис. 10.12 крестиками. Поскольку обмотка ротора замкнута, ЭДС вызывает в ней ток того же направления.

В результате взаимодействия тока ротора с вращающимся магнитным полем (на основании закона Ампера F = ВlI) возникает сила, действующая на проводники ротора, направление которой определяется по правилу левой руки. Сила создает момент, действующий в ту же сторону.

Под действием момента ротор приходит в движение и после разбега вращается в том же направлении, что и магнитное поле, с несколько меньшей частотой вращения, чем поле:

n = (0,92 ÷ 0,98) n₀*.

*Для двигателей общего назначения.

Рис. 10.12. К пояснению принципа действия асинхронного двигателя

Все сказанное о принципе действия асинхронного двигателя справедливо, если обмотка ротора выполнена из ферромагнитного материала с теми же магнитными свойствами, что и сердечник ротора. В действительности обмотка ротора выполняется из неферромагнитного материала (меди или алюминия), поэтому магнитная индукция в пазу с проводниками намного меньше, чем в зубцах. Основная сила, вызывающая момент вращения, возникает в результате взаимодействия магнитного поля ротора с вращающимся магнитным полем статора и приложена к зубцам ротора. На проводник действует только небольшая сила. Однако для анализа работы двигателя и получения расчетных уравнений обычно считают, что в основе принципа действия асинхронного двигателя лежит закон Ампера - взаимодействие проводника с током и магнитного поля. Такая трактовка закономерна, поскольку результаты расчета при этом совпадают с полученными из принципа взаимодействия магнитных полей ротора и статора.

ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ МОЩНОСТЬ И ПОТЕРИ В АСИНХРОННОМ ДВИГАТЕЛЕ

Мощность, потребляемая двигателем из сети, определяется по формуле Р₁ = √3 U₁I₁cos φ₁.

Часть этой мощности (рис. 10.16) теряется в обмотке статора: ΔР_обм1 = 3 I₁²r₁,

Рис. 10.16. Потери мощности в асинхронном двигателе

а часть, ΔР_ст1, составляет потери в сердечнике статора от перемагничивания и вихревых токов.

Мощность, передаваемая вращающимся магнитным полем ротору, называется электромагнитной мощностью и составляет

(10,34)

Р_эм = P₁ - ΔР_обм1 - ΔР_ст1 = 3Е_2кI₂ cos ψ₂.

Часть электромагнитной мощности теряется в обмотке ротора:

(10,35)

ΔР_обм2 = 3 I₂²r₂,

а часть, ΔР_ст2, составляет потери в сердечнике ротора от гистерезиса и перемагничивания.

Мощность, преобразуемая в механическую, равна

(10,36)

Р_мех = Р_эм - ΔР_обм2 - ΔР_ст2.

Небольшая часть механической мощности теряется на тре-ние в подшипниках ротора о воздух и вентиляцию.

Мощность, развиваемая двигателем на валу,

(10,37)

Р_в = Р_мех - ΔР_мех .

Все потери мощности, кроме вентиляционных, которые представляют собой затраты мощности на продувание воздуха внутри двигателя с целью лучшего охлаждения, превращаются в теплоту и нагревают двигатель.

АСИНХРОННЫЕ МАШИНЫ

МОМЕНТ, РАЗВИВАЕМЫЙ ДВИГАТЕЛЕМ

Известно, что мощность равна произведению момента на частоту вращения:

Р = Мω.

В асинхронном двигателе произведение электромагнитного момента, возникающего в результате взаимодействия тока ротора с магнитным полем, на частоту вращения поля представляет собой электромагнитную мощность:

(10,38)

М_эмω₀ = Р_эм.

Механическая мощность, развиваемая двигателем, равна произведению электромагнитного момента на частоту вращения ротора.

(10,39)

М_эмω = Р_мех.

Если пренебречь потерями мощности в сердечнике ротора вследствие их малости относительно потерь в обмотке ротора, то разность электромагнитной и механической мощностей, как следует из (10.36), будет равна потерям мощности в обмотке ротора¹:

(10,40)

Р_эм - Р_мех = ΔР_обм2 = 3 I₂²r₂.

Подставив в (10.40) вместо мощности их значения из (10.38) и (10.39), получим

М_эмω₀ - М_эмω = 3 I₂²r₂,

откуда

М_эм =

3 I₂²r₂

.

ω₀ - ω

Заменив ω₀ - ω через ω₀s, что вытекает из (10.23), получим выражения электромагнитного момента

(10.41)

1 Короткозамкнутая обмотка ротора имеет не три, а m фаз. Для общности выводов обмотка ротора приведена к трем фазам, которые имеют обмотки статора и ротора двигателя с фазным ротором.

и электромагнитной мощности

(10.42)

Момент, развиваемый двигателем на валу, будет меньше электромагнитного момента на величину ΔМ_мех, обусловленную силами трения в подшипниках, ротора о воздух и вентиляционными потерями:

М = М_эм - ΔМ_мех .

Потери момента ΔМ_мех для асинхронных двигателей средней и большой мощности относительно малы, и ими обычно пренебрегают. В практических расчетах часто принимают, что

(10,43)

М = М_эм.

В выражении (10.41) отсутствует магнитный поток, что на первый взгляд противоречит принципу действия двигателя. Однако легко показать, что это не так: магнитный поток вошел в уравнение в неявном виде.

Выразив в (10.41) потери мощности в обмотке I₂²r₂ через ЭДС, ток и cos ψ₂ ротора

/\

3I₂²r₂ = 3E₂I² cos (

E₂, I₂

) = 3E₂I₂ cos ψ₂,

получим

(10.44)

Подставляя в (10.44) вместо ЭДС Е₂ ее значение из (10.27) и учитывая (10.42), получаем

(10.45)

где С = 3 • 4,44f₁w₂k₀₂/ω₀ - конструктивный коэффициент, обусловливающий момент двигателя.

Используя выражения (10.40), (10.42), можно получить два соотношения:

потери в обмотке ротора

ΔP_обм2 = P_эмs;

механическая мощность, развиваемая двигателем,

P_мех = P_эм(1 - s)

Из этих выражений вытекает, что при неподвижном роторе, когда s = l, вся электромагнитная мощность преобразуется в теплоту в обмотке ротора, а механическая мощность равна нулю. При номинальном режиме работы, когда s ≈ 0,02 - 0,08, почти вся электромагнитная мощность (0,92 - 0,98) преобразуется в механическую и только небольшая ее часть (0,02 - 0,08) преобразуется в теплоту в обмотке ротора.

СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ

НАЗНАЧЕНИЕ И УСТРОЙСТВО СИНХРОННЫХ МАШИН

Синхронные машины используются в качестве генераторов, двигателей и синхронных компенсаторов. Устанавливаемые на тепловых электростанциях генераторы приводятся во вращение паровыми турбинами и называются турбогенераторами. Синхронные генераторы гидроэлектростанций вращаются с помощью гидротурбин и носят название гидрогенераторов. Кроме электростанций синхронные генераторы находят применение в установках, требующих автономного источника электроэнергии. Примером могут служить автомобильные электрические краны, на которых синхронные генераторы приводятся во вращение двигателями внутреннего сгорания.

Области применения синхронных двигателей рассматриваются после изучения их свойств в § 11.12.

Синхронный компенсатор представляет собой машину, предназначенную для повышения коэффициента мощности электротехнических установок (см. § 3.8 и 11.10).

Трехфазные синхронные генераторы, двигатели и синхронные компенсаторы имеют в принципе одинаковое устройство.

Неподвижная часть машины, называемая статором (рис 11.1, а), состоит из стального или чугунного корпуса 1, в котором закреплен цилиндрический сердечник 2 статора. Для уменьшения потерь на перемагничивание и вихревые токи его набирают из листов электротехнической стали. В пазах сердечника статора уложена трехфазная обмотка 3, выполняемая так же, как и обмотка статора асинхронных двигателей. Сердечник статора в совокупности с обмоткой статора называется якорем машины. В подшипниковых щитах, прикрепленных с торцевых сторон к корпусу, либо в стояках, закрепленных на фундаменте, расположены подшипники, несущие вал 4 вращающейся части машины - ротора или индуктора. Синхронные генераторы гидроэлектростанций выполняют обычно с вертикальным расположением вала. На валу размещен цилиндрический сердечник 7 ротора, выполняемый из сплошной стали. В пазах сердечника ротора уложена обмотка возбуждения 8, питаемая постоянным током. Для присоединения обмотки возбуждения к внешней электрической цепи на валу укрепляют два изолированных друг от друга и от вала контактных кольца 6, к которым пружинами прижимаются неподвижные щетки 5. Обмотка 8 служит для возбуждения основного магнитного поля машины.

Рис. 11.1. Устройство синхронной машины с неявновыражен-
ными полюсами (а) и ротора машины с явновыраженными полюсами (б)

Питание обмотки возбуждения осуществляется от генератора постоянного тока (возбудителя), вал которого соединен с валом синхронной машины, от полупроводникового преобразователя переменного тока в постоянный либо от других источников постоянного тока. Мощность для питания обмотки возбуждения составляет 1 - 3 %мощности машины.

На рис. 11.1, а показан разрез двухполюсной синхронной машины с неявновыраженными полюсами ротора. Такие машины изготовляют на частоты вращения 3000, 1500 и 1000 об/мин. Машины, предназначенные для работы с меньшими частотами вращения (750, 600, 500 об/мин и т. д.), имеют явновыраженные полюсы, число которых тем больше, чем меньше частота вращения. На рис. 11.1, б показано устройство ротора восьмиполюсной машины с явновыраженными полюсами. Ротор вписан в окружность 5, представляющую собой условно внутреннюю окружность сердечника статора. Явновыраженные полюсы 1 изготовляют из стальных листов или реже массивными и закрепляют на ободе 2 ротора. Обод ротора в совокупности с явновыраженными полюсами представляют собой сердечник ротора. Отдельные катушки обмотки возбуждения 3, расположенные на явновыраженных полюсах, соединены между собой так, что северные и южные полюсы чередуются. Трехфазная обмотка якоря синхронных машин выполняется таким образом, что возбуждаемое ею вращающееся магнитное поле имеет такое же число полюсов, как ротор.

В устройствах автоматики, измерительной техники, записи и воспроизведения звука применяются синхронные двигатели малой мощности (микродвигатели), устройство которых рассматривается в § 11.13.

11.2. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ СИНХРОННЫХ МАШИН. ЯВЛЕНИЕ РЕАКЦИИ ЯКОРЯ

11.2.1. Принцип действия генератора. Если обмотку возбуждения генератора подключить к источнику постоянного тока, то МДС обмотки будет создано основное магнитное поле, характеризуемое магнитным потоком Ф₀ и показанное на рис. 11.1, а с помощью двух линий магнитной индукции, изображенных пунктиром. При вращении ротора с помощью первичного двигателя магнитное поле будет также вращаться.

Рис. 11.2. Векторная диаграмма ЭДС машины

Так как катушки фаз обмотки якоря имеют одинаковые числа витков и смещены в пространстве относительно друг друга на 120°, то при вращении магнитного поля в трех фазах будут индуктироваться три ЭДС, одинаковые по амплитуде и частоте, сдвинутые по фазе относительно друг друга также на угол 120°. Чтобы при постоянной частоте вращения ЭДС изменялись по закону, близкому к синусоидальному, магнитная индукция вдоль воздушного зазора, разделяющего магнитопроводы статора и ротора, должна быть распределена также примерно по синусоидальному закону. В машинах с явновыраженными полюсами это достигается за счет неодинакового воздушного зазора между сердечником статора и полюсными наконечниками 4 (см. рис. 11.1, б), в машинах с неявновыраженными полюсами - за счет соответствующего распределения обмотки возбуждения по пазам сердечника статора.

Векторная диаграмма ЭДС генератора дана на рис. 11.2. Действующее значение и частота синусоидальной ЭДС, индуктируемой в фазе обмотки якоря, могут быть определены, как и в асинхронном двигателе, по формулам

(11,1)

Е₀ = 4,44kwfФ₀;

(11,2)

f = рn/60.

Для получения стандартной частоты 50 Гц при различных частотах вращения синхронные генераторы изготовляются с разными числами пар полюсов. Так, турбогенераторы изготовляются в большинстве случаев на частоту вращения 3000 об/мин и имеют одну пару полюсов (р = 1). Изготовление турбогенераторов на наименьшее число пар полюсов и соответственно на наибольшую частоту вращения позволяет уменьшить габаритные размеры, массу и стоимость генераторов. Частота вращения гидрогенераторов определяется в основном высотой напора воды и для различных станций лежит в пределах от 50 до 750 об/мин, что соответствует числам пар полюсов от 60 до 4.

Если к обмотке якоря подключить приемник электрической энергии, то под действием ЭДС в фазах обмотки якоря и приемника появятся токи; генератор начнет отдавать приемнику электрическую энергию.

При работе генератора с нагрузкой МДС трехфазной обмотки якоря возбуждается вращающееся магнитное поле якоря, характеризуемое магнитным потоком Ф_я , частота вращения которого равна частоте вращения ротора, т. е. n₀ = n = 60f/р; взаимное расположение осей магнитных полей якоря и ротора при данной нагрузке генератора остается неизменным.

Рис. 11.3. К вопросу принципа действия и реакции якоря синхронных машин

Под действием поля якоря результирующее поле генератора при изменении его нагрузки будет также изменяться, что оказывает влияние в конечном итоге на значение напряжения генератора. Воздействие поля якоря на результирующее поле машины называется реакцией якоря.

В результате взаимодействия магнитного потока Ф_я и проводников обмотки возбуждения (или полюсов намагниченных сердечников якоря и ротора) на ротор действует электромагнитный момент, направленный у генератора против направления частоты вращения ротора и являющийся тормозящим.

Значение электромагнитного момента, интенсивность и характер действия реакции якоря зависят кроме значения тока якоря от характера сопротивления приемников. Объясняется это тем, что при изменении характера сопротивлений приемников изменяется взаимное расположение осей магнитных потоков Ф_я и Ф₀.

На рис. 11.3, а приведен эскиз упрощенной модели синхронной машины, на котором каждая фаза обмотки якоря заменена одним витком; ротор вращается с частотой вращения n под действием первичного двигателя; магнитное поле якоря изображено для случая, когда ток фазы ах имеет максимальное значение, вследствие чего ось КК' поля якоря Ф_я перпендикулярна плоскости катушки фазы ах; ось mm' магнитного поля ротора Ф₀ совпадает с осью КК' поля якоря, что соответствует случаю, при котором ЭДС фазы ах отстает от тока этой фазы на угол 90°. Последнее возможно при чисто емкостной нагрузке генератора, если не учитывать активного сопротивления фазы ах.

Нетрудно установить, что несмотря на наличие тока якоря и магнитного потока Ф_я при чисто емкостной нагрузке электромагнитный момент генератора равен нулю, под действием поля якоря генератор подмагничивается.

Можно показать, что и при чисто индуктивной нагрузке генератора электромагнитный момент будет также равен нулю. Только в этом случае полем якоря генератор будет размагничиваться.

Если при тех же токах якоря нагрузка будет активно-емкостной, взаимное расположение осей магнитных потоков изменится: ось mm' магнитного потока ротора сместится на некоторый угол в направлении вращения ротора (рис. 11.3, б). Вследствие этого на ротор начнет действовать тормозящий электромагнитный момент М_эм , в чем легко убедиться с помощью правила левой руки (или рассмотрев взаимодействие полюсов намагниченных сердечников якоря и ротора). Как видно, при активно-емкостной нагрузке поле якоря имеет составляющую, подмагничивающую генератор.

В случае активно-индуктивной нагрузки также возникает тормозной момент, а поле якоря размагничивает генератор.

11.2.2. Принцип действия двигателя. При работе синхронной машины в качестве двигателя обмотка якоря подключается к источнику трехфазного тока, в результате чего возникает вращающийся магнитный поток Ф_я. После разгона ротора до частоты вращения n, близкой к частоте вращения n₀ поля якоря (см. § 11.10), его обмотка возбуждения подключается к источнику постоянного тока и возникает магнитный поток Ф₀. Благодаря взаимодействию магнитного потока Ф_я и проводников обмотки ротора (или полюсов намагниченных сердечников якоря и ротора) возникает вращающий электромагнитный момент М_эм , действующий на ротор, и он втягивается в синхронизм, т. е. начинает вращаться с частотой вращения, равной частоте вращения n₀ магнитного поля якоря.

Положение оси mm' магнитного поля ротора относительно оси КК' поля якоря и значение момента М_эм зависят от нагрузки двигателя. Так, при работе двигателя в режиме идеального холостого хода ротор занимает положение, показанное на рис. 11.3, а, при котором электромагнитный момент М_эм равен нулю. Некоторой механической нагрузке двигателя соответствует положение ротора, изображенное на рис. 11,3, в, которому соответствует определенный вращающий момент М_эм.

Значение тока якоря, интенсивность и характер действия реакции якоря зависят при М_эм = const от значения ЭДС Е₀, которая определяется значением тока возбуждения (см. § 11.10). Следует заметить только, что когда двигатель потребляет от источника только индуктивную или активно-индуктивную мощности, под действием поля якоря двигатель подмагничивается (рис. 11.3, а и в); в случае потребления емкостной или активно-емкостной мощности двигатель под действием поля якоря размагничивается.

Как и у других машин, у асинхронных машин электромагнитный момент незначительно отличается от момента, развиваемого машиной на валу. Поэтому для простоты анализа будем считать их в дальнейшем равными и обозначать М.

Существенной особенностью синхронного двигателя в отличие от асинхронного является то, что вращающий момент возникает у него в том случае, когда частота вращения ротора n равна частоте вращения n₀ магнитного поля якоря. Объясняется это тем, что ток в обмотке возбуждения синхронного двигателя появляется не в результате электромагнитной индукции (как в обмотке ротора асинхронного двигателя), а вследствие питания обмотки возбуждения от постороннего источника постоянного тока.

Частота вращения магнитного поля якоря, а значит, и ротора синхронного двигателя определяется по формуле n₀ = n = 60f/р.

Для получения различных частот вращения синхронные двигатели изготовляют с различными числами полюсов. При частоте f = 50 Гц частоты вращения будут 3000, 1500, 1000, 750 об/мин и т. д.

СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ

СРАВНЕНИЕ СИНХРОННЫХ И АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Чтобы остановить выбор на синхронном или асинхронном двигателе для приведения во вращение того или иного производственного механизма, необходимо иметь в виду следующее.

Обмотки статора обоих двигателей получают питание от сети трехфазного переменного тока. Для питания обмотки возбуждения синхронного двигателя требуется, кроме того, источник электрической энергии постоянного тока, правда, относительно небольшой мощности.

Асинхронный пуск синхронных двигателей несколько сложнее пуска асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором. В отношении пусковых свойств асинхронные двигатели с фазным ротором имеют весьма существенные преимущества перед синхронными двигателями.

Частота вращения синхронных двигателей остается постоянной при изменении нагрузки, тогда как у асинхронных двигателей даже при их работе на естественной характеристике она несколько изменяется.

Асинхронные двигатели дают возможность регулировать частоту вращения различными способами, рассмотренными в гл. 10. Использование некоторых из этих способов для регулирования частоты вращения синхронных двигателей в принципе невозможно, а некоторых связано с большими конструктивными и эксплуатационными трудностями. Учитывая это, следует иметь в виду, что синхронные двигатели относятся к двигателям с нерегулируемой частотой вращения.

Воздействуя на ток возбуждения синхронного двигателя, можно в широких пределах изменять его коэффициент мощности. Можно, в частности, заставить синхронный двигатель работать с cos φ = 1, а также с опережающим током. Последнее может быть использовано для улучшения коэффициента мощности других потребителей, питающихся от той же сети. В отличие от этого асинхронный двигатель представлет собой активно-индуктивную нагрузку и имеет всегда
cos φ < 1.

Из-за малых потерь мощности в роторе, а также в обмотке статора при работе с высоким cos φ КПД синхронных двигателей оказывается больше, а масса и габаритные размеры меньше, чем у асинхронных двигателей.

Учитывая указанные достоинства синхронных двигателей, стараются везде, где это возможно, вместо асинхронных двигателей применять синхронные. Они применяются обычно в установках средней и большой мощности при редких пусках, в случаях, когда не требуется электрического регулирования частоты вращения. Синхронные двигатели используются, например, для привода насосов, компрессоров, вентиляторов, генераторов постоянного тока преобразовательных установок.