В.1. Назначение электрических машин и трансформаторов

Введение

В.1. Назначение электрических машин и трансформаторов

Электрификация осуществляется посредством электротехнических изделий, производством которых занимается электротехническая промышленность. Основной… Электрическая машина представляет собой электромеханическое устройство,… Процесс производства электроэнергии на атомных электростанциях аналогичен тепловым, с той лишь разницей, что вместо…

В.2. Электрические машины — электромеханические преобразователи энергии

Рис. В.1. К понятиям об «элементарном генераторе» (а) и «элементарном… В процессе работы электрической машины в режиме генератора происходит преобразование механической энергии в…

В.З. Классификация электрических машин

Использование электрических машин в качестве генераторов и двигателей является их главным применением, так как связано исключительно с целью взаимного преобразования электрической и механической энергии. Применение электрических машин в различных отраслях техники может иметь и другие цели. Так, потребление электроэнергии часто связано с преобразованием переменного тока в постоянный или же с преобразованием тока промышленной частоты в ток более высокой частоты. Для этих целей применяют электромашинные преобразователи.

Электрические машины используют также для усиления мощности электрических сигналов. Такие электрические машины называют электромашинными усилителями. Электрические машины, используемые для повышения коэффициента мощности потребителей электроэнергии, называют синхронными компенсаторами. Электрические машины, служащие для регулирования напряжения переменного тока, называют индукционными регуляторами

Очень разнообразно применение микромашин в устройствах автоматики и вычислительной техники. Здесь электрические машины используют не только в качестве двигателей, но и в качестве тахогенераторов (для преобразования частоты вращения в элек­трический сигнал), сельсинов, вращающихся трансформаторов (для получения электрических сигналов, пропорциональных углу поворота вала) и т. п.

Из приведенных примеров видно, сколь разнообразно разделение электрических машин по их назначению.

Рассмотрим классификацию электрических машин по принципу действия, согласно которой все электрические машины разделяются на бесколлекторные и коллекторные, различающиеся как принципом действия, так и конструкцией. Бесколлекторные машины — это машины переменного тока. Они разделяются на асинхронные и синхронные. Асинхронные машины применяются преимущественно в качестве двигателей, а синхронные — как в качестве двигателей, так и в качестве генераторов. Коллекторные машины применяются главным образом для работы на постоянном токе в качестве генераторов или двигателей. Лишь коллекторные машины небольшой мощности делают универсальными двигателями, способными работать как от сети постоянного, так и от сети переменного тока.

Электрические машины одного принципа действия могут различаться схемами включения либо другими признаками, влияющими на эксплуатационные свойства этих машин. Например, асинхронные и синхронные машины могут быть трехфазными (включаемыми в трехфазную сеть), конденсаторными или однофазными. Асинхронные машины в зависимости от конструкции обмотки ротора разделяются на машины с короткозамкнутым ротором и машины с фазным ротором. Синхронные машины и коллекторные машины постоянного тока в зависимости от способа создания в них магнитного поля возбуждения разделяются на машины с обмоткой возбуждения и машины с постоянными магнитами. На рис. В.4 представлена диаграмма классификации электрических машин, содержащая основные виды электрических машин, получившие наибольшее применение в современном электроприводе. Эта же классификация электрических машин положена в основу изучения курса «Электрические машины».

Курс «Электрические машины» помимо собственно электрических машин предусматривает изучение трансформаторов. Трансформаторы являются статическими преобразователями электроэнергии переменного тока. Отсутствие каких-либо вращающихся частей придает трансформаторам конструкцию, принципиально отличающую их от электрических машин. Однако принцип Действия трансформаторов, так же как и принцип действия электрических машин, основан на явлении электромагнитной индукции, и поэтому многие положения теории трансформаторов составляют основу теории электрических машин переменного тока.

Электрические машины и трансформаторы — основные элементы любой энергетической системы или установки, поэтому для специалистов, работающих в сфере производства или эксплуатации электрических машин, необходимы знания теории и понимание физической сущности электромагнитных, механических и тепловых процессов, протекающих в электрических машинах и трансформаторах при их работе.

Раздел

ТРАНСФОРМАТОРЫ

· Рабочий процесс трансформатора · Группы соединения обмоток и параллельная работа трансформаторов · Трехобмоточные трансформаторы и автотрансформаторы

Глава 1 • Рабочий процесс трансформатора

 

Назначение и области применения трансформаторов

В общем случае вторичная система переменного тока может отличаться от первичной любыми параметрами: значениями напряжения и тока, числом фаз, формой… В зависимости от назначения трансформаторы разделяют на силовые трансформаторы… При изучении данного раздела будем иметь в виду силовые трансформаторы общего назначения, за исключением гл. 5, в…

Принцип действия трансформаторов

    б) Рис. 1.1. Электромагнитная (а) и принципиальная (б) схемы трансформатора

Устройство трансформаторов

Магнитопровод.Магнитопровод в трансформаторе выполняет две функции: во-первых, он составляет магнитную цепь, по которой замыкается основной…     Силовые трансформаторы выполняются с…

Уравнения напряжений трансформатора

Предположим, что магнитный поток Ф является синусоидальной функцией времени,… , (1.4)

Уравнения магнитодвижущих сил и токов

Магнитодвижущая сила (МДС) I0w1, созданная этим током, наводит в магнитопроводе трансформатора основной магнитный поток, максимальное значение… (1.18) где RM — магнитное сопротивление магнитопровода.

Приведение параметров вторичной обмотки и схема замещения приведенного трансформатора

В общем случае параметры первичной обмотки трансформатора отличаются от параметров вторичной обмотки. Эта разница наиболее ощутима при больших коэффициентах трансформации, что затрудняет расчеты и построение векторных диаграмм, так как в этом случае векторы электрических величин первичной обмотки значительно отличаются по своей длине от одноименных векторов вторичной обмотки. Указанные затруднения устраняются приведением всех параметров трансформатора к одинаковому числу витков, обычно к числу витков первичной обмотки w₁. С этой целью все величины, характеризующие вторичную цепь трансформатора, — ЭДС, напряжение, ток и сопротивления — пересчитывают на число витков w₁ первичной обмотки.

Таким образом, вместо реального трансформатора с коэффициентом трансформации k = w₁/w₂ получают эквивалентный трансформатор с k=w₁/w’₂=1, где w’₂=w₁. Такой трансформатор называют приведенным. Однако приведение вторичных параметров трансформатора не должно отразиться на его энергетических показателях: все мощности и фазовые сдвиги во вторичной обмотке приведенного трансформатора должны остаться такими, как и в реальном трансформаторе.

Так, электромагнитная мощность вторичной обмотки реального трансформатора Е₂I₂ должна быть равна электромагнитной мощности вторичной обмотки приведенного трансформатора:

(1.27)

Подставив значение приведенного тока вторичной обмотки I₂ = I₂(w₂/w₁,) в (1.27), получим формулу приведенной вторичной ЭДС:

(1.28)

Так как U₂I₂ ≈U’₂I’₂, то приведенное напряжение вторичной обмотки

(1.29)

Из условия равенства потерь в активном сопротивлении вторичной обмотки имеем . Определим приведенное активное сопротивление:

(1.30)

Приведенное индуктивное сопротивление рассеяния вторичной обмотки определяют из условия равенства реактивных мощностей , откуда

(1.31)

Приведенное полное сопротивление вторичной обмотки трансформатора

(1.32)

Приведенное полное сопротивление нагрузки, подключенной на выводы вторичной обмотки, определим по аналогии с (1.32):

(1.33)

Уравнения напряжений и токов для приведенного трансформатора имеют вид

(1.34)

Эти уравнения устанавливают аналитическую связь между параметрами трансформатора во всем диапазоне нагрузок от режима х.х. до номинальной.

Еще одним средством, облегчающим исследование электромагнитных процессов и расчет трансформаторов, является применение электрической схемы замещения приведенного трансформатора. На рис. 1.18, а представлена эквивалентная схема приведенного трансформатора, на которой сопротивления r и х условно вынесены из соответствующих обмоток и включены последовательно им. Как было установлено ранее, в приведенном трансформаторе k = 1, а поэтому . В результате точки А и а, а также точки X и х на схеме имеют одинаковые потенциалы, что позволяет электрически соединить указанные точки, получив Т–образную схему замещения приведенного трансформатора (рис. 1.18, б). В электрической схеме замещения трансформатора магнитная связь между цепями заменена электрической.

Рис. 1.18. Эквивалентная схема (в) и схема замещения (б) приведенного

Схема замещения приведенного трансформатора удовлетворяет всем уравнениям ЭДС и токов приведенного трансформатора (1.34) и представляет собой совокупность трех ветвей: первичной — сопротивлением Z₁ = r₁ + jx₁ и током ; намагничивающей — сопротивлением Z_m=r_m+jx_m и током ; вторичной — с двумя сопротивлениями: сопротивлением собственно вторичной ветви Z'₂ = r’₂ + jx'₂ и сопротивлением нагрузки Z'_H = r_н' ± jx'_H и током . Изменением сопротивления нагрузки Z'_H на схеме замещения могут быть воспроизведены все режимы работы трансформатора.

Параметры ветви намагничивания Z_m = r_m + jx_m определяются током х.х. Наличие в этой ветви активной составляющей r_m обусловлено магнитными потерями в трансформаторе (см. § 1.14).

Все параметры схемы замещения, за исключением Z'_H, являются постоянными для данного трансформатора и могут быть определены из опыта х.х. и опыта к.з. (см. §1.11).

 

Векторная диаграмма трансформатора

Построение диаграммы (рис. 1.19, а) следует начинать с вектора максимального значения основного магнитного потока . Вектор тока опережает по фазе вектор потока на угол δ, а векторы ЭДС , и… (1.35)

Трансформирование трехфазного тока и схемы соединения обмоток трехфазных трансформаторов

Рис. 1.20. Трансформаторная группа (а) и трехфазный трансформатор (б) Трансформирование трехфазной системы напряжений можно осуществить тремя…

Явления при намагничивании магнитопроводов трансформаторов

Рис. 1.23. Построение графика намагничивающего тока (а) и разложение его на… На рис. 1.23, а дано построение графика намагничивающего тока i0р = f(t). Здесь в левом верхнем квадранте показана…

Влияние схемы соединения обмоток на работу трехфазных трансформаторов в режиме холостого хода

(1.37) видно, что эти токи в любой момент времени совпадают по фазе, т. е. имеют… Рассмотрим особенности режима холостого хода трехфазных трансформаторов для некоторых схем соединения обмоток.

Опытное определение параметров схемы замещения трансформаторов

Определение параметров схемы замещения Z1 = г1 + jx1, Zm=rm + jxm, Z’2=r2'+jx'2 возможно либо расчетным (в процессе расчета трансформатора), либо… Опыт холостого хода. Холостым ходом называют режим работы трансформатора при… (1.40)

Упрощенная векторная диаграмма трансформатора

Рис. 1.35. Упрощенные схемы замещения (а) и векторная диаграмма (б)… Соответственно упрощенной схеме замещения построена и упрошенная векторная диаграмма (рис. 1.35, 6), в которой…

Внешняя характеристика трансформатора

Измерение вторичного напряжения трансформатора при увеличении нагрузки от х.х. до номинальной является важнейшей характеристикой трансформатора и… (1.67)

Потери и КПД трансформатора

Электрические потери. Обусловлены нагревом обмоток трансформаторов при прохождении по этим обмоткам электрического тока. Мощность электрических… Рэ = Рз1 + Рэ2 = mI12r1+ mI’22r’2, (1.73) где т — число фаз трансформатора (для однофазного трансформатора т = 1, для трехфазного т = 3).

Регулирование напряжения трансформаторов

Рис. 1.42. Схемы обмоток трехфазных трансформаторов с регулировочными… Переключать ответвления обмоток можно при отключенном от сети трансформаторе (переключение без возбуждения — ПБВ) или…

Контрольные вопросы

1. Каков принцип работы трансформатора?

2. Почему трансформаторы не работают от сети постоянного тока?

3. Из каких частей состоит активная часть трансформатора? Каковы их назначение и конструкция?

4. Каково назначение трансформаторного масла?

5. Как определить номинальные токи и номинальное вторичное напряжение трансформатора?

6. Почему с увеличением тока нагрузки трансформатора увеличивается ток в его первичной обмотке?

7. Что такое приведенный трансформатор?

8. Объясните порядок построения векторной диаграммы трансформатора.

9. При каких условиях и почему вторичное напряжение трансформатора становится больше ЭДС?

10. Чем объясняется несимметрия токов х.х. в трехфазном трансформаторе?

11. Как изменится отношение линейных напряжений трехфазного трансформатора, если его обмотки переключить со схемы Л/Y на Y/ Л?

12. Будет ли изменяться ток х.х. и как при увеличении или уменьшении сечения стержней магнитопровода?

13. На что расходуется активная мощность, потребляемая трансформатором при опытах х.х. и к.з.

14. Как опытным путем определить напряжение к.з. трансформатора?

15. К какой обмотке целесообразно подводить напряжение при опыте х.х., а к какой — при опыте к. з.? Объясните, почему.

16. Изменится ли основной магнитный поток и ток х.х., если трансформатор включить в сеть с частотой выше или ниже номинальной?

17. Объясните принцип регулирования напряжения под нагрузкой.

18. Каков порядок переключения контактов переключающего устройства при регулировании напряжения под нагрузкой?

19. Объясните назначение и принцип работы вольтдобавочного трансформатора.

 

Глава 2 • Группы соединения обмоток и параллельная работа трансформаторов

 

Группы соединения обмоток

Рис. 2.1. Группы соединения обмоток однофазных трансформаторов: а — группа I/I — 0; б — группа I/I — 6 До сих пор при построении векторных диаграмм трансформатора считалось, что ЭДС фазы обмотки ВН и обмотки НН совпадают…

Параллельная работа трансформаторов

Рис. 2.7. Включение трансформаторов на параллельную работу Применение нескольких параллельно включенных трансформаторов вместо одного трансформатора суммарной мощности…

Контрольные вопросы

1. Что такое группа соединения и как она обозначается?

2. Какие группы соединения предусмотрены ГОСТом?

3. Как из основной группы соединения можно получить производную?

4. Как изменится отношение линейных напряжений трансформатора, если нулевую группу соединения изменить на 11-ю?

5. Какие условия необходимо соблюдать при включении трансформаторов на параллельную работу?

6. Что такое фазировка трансформатора и как она выполняется?

 

Глава 3. Трехобмоточные трансформаторы и автотрансформаторы

Трехобмоточные трансформаторы

Существуют трехобмоточные трансформаторы с одной первичной и двумя вторичными обмотками и трансформаторы с двумя первичными и одной вторичной… Рассмотрим основные уравнения, особенности работы и область применения…

Автотрансформаторы

Рис. 3.2. Электромагнитная (а) и принципиальная (б) схемы однофазного… Рассмотрим подробнее работу понижающего автотрансформатора. Обмотка wax одновременно является частью первичной обмотки…

Контрольные вопросы

1. Каковы достоинства трехобмоточных трансформаторов?

2. Перечислите достоинства и недостатки автотрансформаторов.

3. Зависят ли достоинства автотрансформатора от коэффициента трансформации? Объясните, почему.

4. Объясните устройство автотрансформатора с переменным коэффициентом

трансформации.

 

Глава 4. Переходные процессы в трансформаторах

 

Переходные процессы при включении и при внезапном коротком замыкании трансформаторов

Включение трансформатора в сеть. В этом случае результирующий магнитный поток можно рассматривать как сумму трех составляющих: Ф = Фуст+Фпер±Фост (4.1) где Фуст — магнитный поток установившийся; Фпев — магнитный поток переходного процесса; Фост — магнитный поток…

Перенапряжения в трансформаторах и защита от перенапряжений

В нормальных условиях эксплуатации трансформатора между отдельными частями его обмоток, а также между обмотками и заземленными магнитопроводом и… Внутренние перенапряжения.Возникают либо в процессе коммутационных операций,… Внешние (атмосферные) перенапряжения.Обусловлены атмосферными разрядами: либо прямыми ударами молний в провода или…

Контрольные вопросы

1. Каковы причины возникновения сверхтока холостого хода?

2. Как влияет состояние магнитного насыщения магнитопровода на силу тока включения трансформатора?

3. Каковы наиболее неблагоприятные условия внезапного короткого замыкания трансформатора?

4. Какова продолжительность переходного процесса при внезапном коротком замыкании трансформатора?

5. Какие виды перенапряжений возможны в трансформаторе?

6. В чем состоит внешняя и внутренняя защита трансформаторов от перенапряжений?

7. Каково назначение дополнительных электростатических экранов в трансформаторе?

Глава 5. Трансформаторные устройства специального назначения

 

Трансформаторы с плавным регулированием напряжения

Для плавного регулирования напряжения возможно применение скользящих по поверхности витков обмотки контактов, аналогично тому, как это сделано в… Более надежны бесконтактные конструкции ре­гулировочных трансформаторов.… Трансформатор с подвижным сердечником.Первичная обмотка этого трансформатора. выполнена из двух катушек, уложенных в…

Трансформаторы для выпрямительных установок

Во вторичные обмотки этих трансформаторов включены вентили — устройства, обладающие односторонней проводимостью. Рассмотрим работу однофазного трансформатора в схеме однополупериодного… (5.2)

Трансформаторы для автоматических устройств

Импульсные трансформаторы. Применяются в устройствах импульсной техники для изменения амплитуды импульсов, исключения постоянной составляющей,… Для выяснения принципиальной возможности трансформирования кратковременных…

Трансформаторы для дуговой электросварки

Трансформатор для дуговой электросварки, обычно называемый сварочным трансформатором, представляет собой однофазный двухобмоточный понижающий… Рис. 5.7. Схемавключения (а) и внешние характеристики (б) трансформатора для электродуговой сварки

Охлаждение трансформаторов

Отсутствие у трансформаторов вращающихся частей уменьшает нагрев трансформатора из-за отсутствия механических по­терь, но это же обстоятельство… Естественное воздушное охлаждение.Все нагреваемые части трансформатора… Естественное масляное охлаждение.Магнитопровод с обмотками помещают в бак, заполненный трансформаторным маслом,…

Контрольные вопросы

1. От чего зависит фаза ЭДС во вторичной обмотке трансформатора с подвижным сердечником?

2. Объясните взаимодействие магнитных потоков в ТРПШ.

3. Какова причина возникновения магнитного потока вынужденного намагничивания в трансформаторе выпрямительной установки?

4. Что такое типовая мощность трансформатора?

5. В каких условиях выпрямления обеспечивается наилучшее использование мощности трансформатора?

6. Что делают для снижения остаточной индукции в импульсном трансформаторе?