Введение
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».
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
Глава 1 • Рабочий процесс трансформатора
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 Zm=rm+jxm и током ; вторичной — с двумя сопротивлениями: сопротивлением собственно вторичной ветви Z'2 = r’2 + jx'2 и сопротивлением нагрузки Z'H = rн' ± jx'H и током . Изменением сопротивления нагрузки Z'H на схеме замещения могут быть воспроизведены все режимы работы трансформатора.
Параметры ветви намагничивания Zm = rm + jxm определяются током х.х. Наличие в этой ветви активной составляющей rm 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).
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
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
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
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
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?