Основы электрики и электроники

[estimata]

Вращающееся магнитное поле.



Действие многофазной машины переменного тока основано на использовании вращающегося магнитного поля. Вращающееся магнитное поле создает любая многофазная система переменного тока, т. е. система с числом фаз две, три и т. д.

Выше было отмечено, что наибольшее распространение получил трехфазный переменный ток. Поэтому рассмотрим вращающееся магнитное поле трехфазной обмотки машины переменного тока.

На рисунках а и б показана простейшая трехфазная обмотка, включенная в сеть трехфазного тока. В статоре, собранном из листовой стали, как это делается во всех машинах переменного тока, расположены три обмотки, оси которых сдвинуты взаимно на угол 120°.
Каждая обмотка для наглядности изображена состоящей из одного витка, находящегося в двух пазах статора.

В действительности обмотки имеют большое число витков.
Буквами А, В, С обозначены начала обмоток, а буквами X, Y, Z - их концы.
Обмотки соединяют звездой или треугольником.


Простейшая трехфазная обмотка:
а — схема, б — разрез, в — кривые изменения токов в фазах

По обмоткам проходят синусоидальные токи с одинаковыми амплитудами (Im) и одинаковой частотой (ω) фазы которых смещены на 1/3 периода (рисунок в).

Токи, проходящие в катушках, возбуждают переменные магнитные поля, которые пронизывают обмотки в направлении, перпендикулярном их плоскостям.

Следовательно, средняя магнитная линия или ось магнитного поля, создаваемого катушкой А—X, направлена под углом 90° к плоскости этой катушки (см. рисунок б). Направления магнитных полей всех трех катушек показаны векторами ВА, Вв и Вс, сдвинутыми друг относительно друга также на 120°.

Условимся считать положительными направления токов в катушках от начала к концу обмотки каждой фазы. При этом в проводниках статора, подключенных к начальным точкам А, В и С, токи будут направлены на зрителя, а в проводниках, подключенных к конечным точкам X, Y, Z,— от зрителя.

Положительным направлениям токов соответствуют положительные направления магнитных полей, показанные на том же рисуке б и определяемые по правилу буравчика.

Направление результирующего магнитного поля, созданного трехфазной обмоткой, для различных моментов времени определим следующим образом.

В момент времени t = 0 ток в обмотке А—X равен нулю, в обмотке В—У - отрицателен, в обмотке С—Z - положителен.


Магнитное поле трехфазной обмотки в различные моменты времени: а - t = 0, 6 - t = t1, в - t = t2

Следовательно, в этот момент тока в проводниках А и X нет, в проводниках С и Z он имеет положительное направление, в проводниках В и У - отрицательное направление (рисунок а).
Таким образом, в выбранный нами момент t = 0 в проводниках С и У ток направлен на зрителя, а в проводниках В и Z - от зрителя.
При таком направлении тока согласно правилу буравчика созданное магнитное поле направлено снизу вверх, т. е. в нижней части внутренней окружности статора находится северный полюс, а в верхней - южный.


Магнитное поле трехфазной обмотки в различные моменты времени после изменения чередования фаз: a—1 = 0, 6—t=tu e—t=t,


В момент t1 в фазе А ток положителен, в фазах В и С - отрицателен.

Следовательно, в проводниках Z, А и У токи направлены на зрителя, а в проводниках С, X и В - от зрителя (рисунок б) и магнитное поле повернуто на 90° по часовой стрелке относительно своего начального направления.

В момент t2токи в фазах А и В положительны, а в фазе С ток отрицателен.

Следовательно, в проводниках A, Z и В токи направлены на зрителя, а в проводниках У, С и X - от зрителя и магнитное поле повернуто еще на больший угол относительно начального направления (рисунок в).

Таким образом, во времени происходит непрерывное, и равномерное изменение направления магнитного поля, созданного трехфазнсй обмоткой, т. е. магнитное поле вращается с постоянной скоростью.
В нашем случае вращение магнитного поля происходит по часовой стрелке.

Если изменить чередование фаз трехфазной обмотки, т. е. изменить подключение к сети любых двух из трех обмоток, то изменится и направление вращения магнитного поля.

На рисунке показана трехфазная обмотка, у которой изменено подключение обмоток Б и С к сети. Если рассмотреть магнитные поля для ранее выбранных моментов времени t = 0, t = t1 и t = t2, то видно, что магнитное поле вращается теперь против часовой стрелки.

Магнитный поток, создаваемый трехфазной системой переменного тока в вышеописанной симметричной системе обмоток, является величиной постоянной и в любой момент времени равен полуторному значению максимального потока одной фазы, т.е. Ф = 3/2Фm.

Это можно доказать, определив результирующий магнитный поток Ф для любого момента времени.
Например, для момента t1, когда ωt1 = 90°, токи в катушках имеют такое значение:
iA = Im sin 90° = Im;
iB = Im sin (90 - 120)° = - (Im/2);
iC = Im sin (90 - 240)° = - (Im/2).

Следовательно, магнитный поток ФА обмотки А в выбранный момент имеет наибольшее значение и направлен по оси этой обмотки в положительном направлении (рисунок).


Магнитные потоки обмоток В и С вдвое меньше максимального и отрицательны, т. е. направлены отрицательно вдоль осей этих обмоток.

Найдем геометрическую сумму потоков ФА, Фв и Фс.
Например, для момента времени t1 результирующий магнитный поток

ФР = ФА + ФВ COS 60° + ФС COS 60°, так как в этот момент результирующий поток совпадает с потоком ФА и сдвинут относительно потоков Фв и Фс на 60°.

Имея в виду, что в момент t1 магнитные потоки обмоток принимают значения

ФА = Фm, Фв = Фс = (1/2)Фm результирующий магнитный поток можно выразить так:
ФР = Фm + (1/2)Фm соs60° + (1/2)Фm cos60° = (3/2)Фm.

В момент t = 0 результирующее магнитное поле было направлено по (вертикальной оси (см. рисунок а).

За время, равное одному периоду изменения тока в катушках, магнитный поток повернется на один полный оборот в пространстве и будет вновь направлен по вертикальной оси так же, как и в момент t = 0.

Если частота тока f, т. е. ток претерпевает f изменений в одну секунду, то магнитный поток трехфазной обмотки совершит f оборотов в секунду или 60 f оборотов в минуту, т. е. n = 60f, где n - частота вращения магнитного поля в минуту.
Мы рассмотрели простейший случай, когда обмотка имеет одну пару полюсов.


Схема обмотки статора многополюсной машины

Если обмотку статора выполнить так, что провода каждой фазы будут состоять из 2, 3, 4 и т. д. одинаковых групп, симметрично расположенных по окружности статора, то число пар полюсов будет соответственно 2, 3, 4 и т. д.
На рисунке показана обмотка одной фазы, состоящая из трех симметрично расположенных по окружности статора катушек и образующая шесть полюсов или три пары полюсов.

В многополюсных обмотках магнитное поле за один период изменения тока поворачивается на угол, соответствующий расстоянию между двумя одноименными полюсами.
Таким образом, если обмотка имеет 2, 3, 4 и т. д. пары полюсов, то магнитное поле за один период изменения тока поворачивается на 1/2, 1/3, 1/4 и т. д. часть окружности статора.

Обозначив буквой р число пар полюсов, найдем путь, пройденный магнитным полем за один период изменения тока.

Этот путь равен 1/р части окружности статора. Следовательно, частота вращения в минуту магнитного поля обратно пропорциональна числу пар полюсов, т. е.
n = 60f/p.

Итак, частота вращения магнитного поля в минуту постоянна и равна частоте тока, умноженной на 60 и деленной на число пар полюсов.

[estimata]

Общие сведения о трансформаторах.

Трансформатором называется статический электромагнитный аппарат, преобразующий переменный ток одного напряжения в переменный ток той же частоты, но другого напряжения.
Трансформаторы получили очень широкое практическое применение при передаче электрической энергии на большие расстояния, для распределения энергии между ее приёмниками и в различных выпрямительных, сигнальных, усилительных и других устройствах.
При передаче электрической энергии от электростанций к ее потребителям большое значение имеет величина тока, проходящего по проводам. В зависимости от силы тока выбирают сечение проводов линии передачи энергии и, следовательно, определяют стоимость проводов, а также и потери энергии в них.

Если при одной и той же передаваемой мощности увеличить напряжение, то ток в той же мере уменьшится, а это позволит применять провода с меньшим поперечным сечением для устройства линии передачи электрической энергии и уменьшит расход цветных металлов, а также потери мощности в линии.
При неизменной передаваемой мощности поперечное сечение провода и потери мощности в линии обратно пропорциональны напряжению.

Электрическая энергия вырабатывается на электростанциях синхронными генераторами при напряжении 11-18 кВ (в некоторых случаях при 30—35 кВ). Хотя это напряжение очень велико для непосредственного его использования потребителями, однако оно недостаточно для экономичной передачи электроэнергии на большие расстояния. Для увеличения напряжения применяют повышающие трансформаторы.

Приемники электрической энергии (лампы накаливания, электродвигатели и т. д.)
из соображений безопасности для лиц, пользующихся этими приемниками, рассчитываются на более низкое напряжение (до 380 В). Кроме того, высокое напряжение требует усиленной изоляции токопроводящих частей, что делает конструкцию аппаратов и приборов очень сложной.
Поэтому высокое напряжение, при котором передается энергия, не может непосредственно использоваться для питания приемников, вследствие чего к потребителям энергия подводится через понижающие трасформаторы.

Таким образом, электрическая энергия при передаче от места ее производства к месту потребления трансформируется несколько раз (3-4 раза). Кроме того, понижающие трансформаторы в распределительных сетях включаются неодновременно и не всегда на полную мощность, вследствие чего мощности установленных трансформаторов значительно больше (в 7-8 раз) мощностей генераторов, вырабатывающих электроэнергию на электростанциях.

Трансформатор имеет две изолированные обмотки, помещенные на стальном магпитопроводе. Обмотка, включенная в сеть источника электрической энергии, называется первичной; обмотка, от которой энергия подается к приемнику, - вторичной.
Обычно напряжения первичной и вторичной обмоток неодинаковы. Если вторичное напряжение больше первичного, то трансформатор называется повышающим, если же вторичное напряжение меньше первичного, то понижающим.
Любой трансформатор может быть использован и как повышающий, и как понижающий.

[estimata]

Принцип действия и устройство трансформатора.

Действие трансформатора основано на явлении электромагнитной индукции.
Если первичную обмотку трансформатора включить в сеть источника переменного тока, то по ней будет проходить переменный ток, который возбудит в сердечнике трансформатора переменный магнитный поток. Магнитный поток, пронизывая витки вторичной обмотки трансформатора, индуктирует в этой обмотке эдс. Под действием этой эдс по вторичной обмотке и через приемник энергии будет протекать ток.

Таким образом, электрическая энергия, трансформируясь, передается из первичной цепи во вторичную, но при другом напряжении, на которое рассчитан приемник энергии, включенный во вторичную цепь.
Для улучшения магнитной связи между первичной и вторичной обмотками их помещают на стальном магнитопроводе.
Для уменьшения потерь от вихревых токов магнитопроводы трансформаторов собирают из тонких пластин (толщиной 0,5 и 0,35 мм) трансформаторной стали, покрытых изоляцией (жаростойким лаком).
Материалом магнитопровода является трансформаторная сталь Э-42, Э-43, Э-43А, Э-320, Э-330, Э-ЗЗОА и др.
Холоднокатаная сталь имеет высокую магнитную проницаемость (больше чем горячекатаная) в направлении, совпадающем с направлением проката, тогда как перпендикулярно прокату магнитная проницаемость относительно низкая.
Поэтому магнитопроводы из холоднокатаной стали делают так, чтобы магнитные линии замыкались по направлению проката стали.

Магнитопроводы трансформаторов малой мощности изготовляют из ленты холоднокатаной стали.
В трансформаторах больших мощностей магнитопроводы собирают из полос стали. Холоднокатаную сталь разрезают так, чтобы направление магнитных линий в собранном магнитопроводе совпадало с направлением прокатки стали.

У горячекатаной стали (Э-42, Э-43 и др.) магнитная проницаемость одинакова во всех направлениях и при малых мощностях магнитопроводы собирают из пластин Ш-или П-образной формы, которые штампуются из листовой стали.

В зависимости от формы магнитопровода и расположения обмоток на нем трансформаторы могут быть стержневыми и броневыми. Магнитопровод стержневого однофазного трансформатора имеет два стержня, на которых помещены его обмотки (изо,а). Эти стержни соединены ярмом с двух сторон так, что магнитный поток замыкается по стали.

Магнитопровод броневого однофазного трансформатора (изо,б) имеет один стержень, на котором полностью помещены обмотки трансформатора. Стержень с двух сторон охватывается (бронируется) ярмом так, что обмотка частично защищена магнитопроводом от механических повреждений.



Ленточные магнитопроводы из холоднокатаной стали подобны стержневым
(изо,в) или броневым (изо,г).

Трансформаторы большой мощности в настоящее время изготовляют исключительно стержневыми, а трансформаторы малой мощности часто делают броневыми.

Расположение обмоток на магнитопроводе показано на рисунке.
Ближе к стержню магнитопровода располагается обмотка низшего напряжения НН, так как ее легче изолировать от магнитопровода, чем обмотку высшего напряжения ВН. Обмотку высшего напряжения изолируют от обмотки низшего напряжения
прокладками, рейками, шайбами и другими изоляционными деталями (чаще из электрокартона).

При цилиндрических обмотках поперечному сечению магнитопровода желательно придать круглую форму, так как в этом случае в площади, охватываемой обмотками, не остается промежутков, не заполненных сталью. Чем меньше незаполненных промежутков, тем меньше длина витков обмоток и, следовательно, масса обмоточного провода при заданной площади поперечного сечения магнитопровода.

Однако магнитопроводы круглого поперечного сечения не делают. Для изготовления магнитопровода круглого сечения надо было бы собрать его из большого числа стальных листов различной ширины.
Поэтому у трансформаторов большой мощности магнитопровод имеет ступенчатое поперечное сечение с числом ступеней не более 9 - 10. Число ступеней сечения сердечника определяется числом углов в одной четверти круга. На рисунке показано поперечное сечение трехступенчатого магнитопровода.

Для лучшего охлаждения в магнитопроводах и в обмотках мощных трансформаторов устраивают охлаждающие каналы в плоскостях, параллельных и перпендикулярных плоскости стальных листов.

В трансформаторах малой мощности поперечное сечение магнитопровода имеет прямоугольную форму и обмоткам придают форму прямоугольных катушек.
При малых токах радиальные механические усилия, возникающие при работе трансформатора и действующие на обмотки, будут малы, так что изготовление обмоток упрощается.

В паспорте трансформатора указывают его номинальную мощность S, номинальные напряжения U1 и U2 и токи I1 и I2 первичной и вторичной обмоток при полной (номинальной) нагрузке.

Номинальной мощностью трансформаторов называется полная мощность, отдаваемая его вторичной обмоткой при полной (номинальной) нагрузке.

Номинальная мощность выражается в единицах полной мощности, т. е. в вольт-амперах или киловольт-амперах. В ваттах и киловаттах измеряют активную мощность трансформатора, т. е. ту мощность, которая может быть преобразована из электрической в механическую, тепловую, химическую, световую и т. д.

Сечения проводов обмоток и всех частей машины или любого электрического аппарата определяются не активной составляющей тока или активной мощностью, а полным током, проходящим по проводнику, и, следовательно, полной мощностью.

Трансформаторы малой мощности имеют большую удельную поверхность охлаждения, и естественное воздушное охлаждение является для них вполне достаточным.
Трансформаторы большой мощности устраивают с масляным ох-лаждением, для чего помещают их в металлические баки, наполненные минеральным маслом.
Наиболее широко распространено естественное охлаждение стенок бака трансформатора. Для увеличения охлаждающей поверхности в стенки баков вваривают стальные трубы или радиаторы.
Масло в баке трансформатора в процессе эксплуатации соприкасается с окружающим воздухом и подвергается окислению, увлажнению и загрязнению, вследствие чего уменьшается его электрическая прочность.

Для обеспечения нормальной эксплуатации трансформатора необходимо контролировать температуру масла, заменять его новым, производить периодическую сушку и очистку.

[estimata]

Работа трансформатора под нагрузкой.

При холостом ходе трансформатора (нагрузки нет) вторичная обмотка его разомкнута и ток в этой обмотке не проходит. В первичной обмотке при этом проходит ток холостого хода I0, который много меньше тока этой обмотки при номинальной нагрузке трансформатора.
Намагничивающая сила холостого хода I0ω1 возбуждает переменный магнитный поток, который замыкается по магнитопроводу и индуктирует в первичной и вторичной обмотках эдс, зависящие от числа витков этих обмоток ω1 и ω2, амплитуды магнитного потока Фm (Вб) и частоты его изменения f.

Действующие значения эдс первичной E1 и вторичной Е2 обмоток:
E1 = 4.44ω1fФm и E2 = 4.44ω2fФm

Так как при холостом ходе во вторичной обмотке тока нет, то напряжение на зажимах этой обмотки равно эдс, т. е. U2 = E2.

В первичной обмотке проходит небольшой ток холостого хода и напряжение этой обмотки незначительно отличается от эдс, т. е. U1 ≈ E1.
Отношение напряжений на зажимах первичной и вторичной обмоток трансформатора при холостом ходе (без нагрузки) называется коэффициентом трансформации и обозначается буквой n, т. е.

n = U1/U2 = E1/E2 = ω1/ω2 и U1 = (ω1/ω2)U2 = nU2.

Таким образом, если в трансформаторе первичная и вторичная обмотки имеют различное число витков, то при включении первичной обмотки в сеть переменного тока с напряжением U1 на зажимах вторичной обмотки возникает напряжение U2, не равное напряжению U1.

Если вторичную обмотку трансформатора замкнуть на какой-либо приемник энергии (изо, а), то во вторичной цепи будет проходить ток I2, а в первичной обмотке - ток I1. Магнитодвидущие силы первичной и вторичной совместно возбудят в магнитопроводе результирующий магнитный поток.


Схема работы трансформатора (а) и его условное обозначение (б)

Пренебрегая падением напряжения в сопротивлении первичной обмотки трансформатора и потоком рассеяния, можно допустить при любой его нагрузке приближенное равенство абсолютных величин приложенного напряжения и уравновешивающей это напряжение эдс первичной обмотки, т. е. U1 = E1.
Поэтому при неизменном по величине приложенном напряжении U1 будет приблизительно неизменной эдс E1, индуктированная в первичной обмотке при любой нагрузке трансформатора.

Так как эдс E1 зависит от магнитного потока, то и магнитный поток в магнитопроводе трансформатора при любом изменении нагрузки будет приблизительно неизменным и равным магнитному потоку при холостом ходе Фm.
Следовательно, геометрическая сумма мдс первичной и вторичной обмоток трансформатора при нагрузке равна мдс холостого хода, т. е.
i1ω1+i2ω2=i0ω1, откуда i1ω1 = i0ω1- i2ω2 или i1 = i0 - i'2,
где I'2 =I2(ω2/ω1) = I2(1/n) - приведенный к первичной цепи ток вторичной обмотки.
Таким образом, при нагрузке трансформатора ток первичной обмотки возбуждает магнитный поток в магнитопроводе с неизменной амплитудой (составляющая I0) и уравновешивает размагничивающее действие тока вторичной обмотки (составляющая -I'2).

Ток I2, проходящий по вторичной обмотке при нагрузке трансформатора, создает свой магнитный поток, который согласно закону Ленца направлен встречно магнитному потоку в сердечнике и стремится его уменьшить; это бы вызвало уменьшение эдс Е1 и увеличение тока I1.
Чтобы результирующий магнитный поток в сердечнике остался неизменным, встречный магнитный поток вторичной обмотки должен быть уравновешен магнитным потоком первичной обмотки.
Следовательно, при увеличении тока вторичной обмотки I2 возрастает размагничивающий магнитный поток этой обмотки и одновременно увеличиваются как ток первичной обмотки I1, так и магнитный поток, создаваемый этим током.
Так как магнитный поток первичной обмотки уравновешивает размагничивающий поток вторичной обмотки, то результирующий магнитный поток в сердечнике оказывается неизменным.

В понижающем трансформаторе напряжение первичной обмотки U1 больше напряжения вторичной обмотки U2 в n раз и ток вторичной обмотки I2 больше тока первичной обмотки I1 также в n раз.

В повышающем трансформаторе имеет место обратное соотношение между напряжениями его обмоток и между токами в них.
Если, например, включить на полную нагрузку трансформатор, напряжения первичной и вторичной обмоток которого равны U1 = 220 В, U2 = 24 В, то при номинальном токе первичной обмотки I1 = 3A, ток во вторичной обмотке
I2 = 3 •(220/24) = 27,5 A.

Таким образом, в обмотке с более высоким напряжением ток меньше, чем в обмотке с более низким напряжением. Обмотка с более высоким напряжением имеет большее число витков и наматывается из провода с меньшим поперечным сечением, чем обмотка с более низким напряжением.

При работе трансформатора под нагрузкой в первичной и во вторичной его обмотках проходят токи, создающие потоки рассеяния Фs1 и Фs2.
Эти магнитные потоки сцеплены только с витками той обмотки, током которой они создаются, и всегда много меньше основного магнитного потока Фm, замыкающегося по магнитопроводу трансформатора (по стали), так как потоки рассеяния частично проходят в немагнитной среде.

Потоки рассеяния индуктируют в обмотках эдс рассеяния, которые в небольшой степени изменяют напряжение вторичной обмотки трансформатора при изменении его нагрузки.
Условное обозначение трансформатора показано на изо,б.
Чтобы не устанавливать отдельный трансформатор на каждое рабочее напряжение, целесообразно на одном трансформаторе иметь несколько вторичных обмоток с различным числом витков.
Такие трансформаторы, называемые многообмоточными, широко применяют в радиоприемниках, телевизорах, усилителях и другой аппаратуре, требующей для питания несколько переменных напряжений различной величины.
Соотношения числа витков обмоток определяются их напряжениями, т. е.
ω2/ω1= U2/U1; ω3/ω1 = U3U1.

Ток в первичной обмотке равен суммарному току всех приведенных вторичных обмоток: I1 = I2U2/U1 + I3U3/U1 + ....

Изменение тока в любой вторичной обмотке вызывает соответствующее изменение тока первичной обмотки. При этом несколько изменяются напряжения всех вторичных обмоток трансформатора, т. е. напряжение любой вторичной обмотки зависит от тока как в этой обмотке, так и в любой другой вторичной обмотке трансформатора.

[estimata]

Трехфазные трансформаторы.

Трехфазные трансформаторы изготовляют главным образом стержневыми.
Схема построения магнитопровода трехфазного стержневого трансформатора показана на изо,а. Три одинаковых однофазных транстрансформаторавыполнены так, что их первичные и вторичные обмотки размещены на одном стержне сердечника, а другой стержень магнитопровода каждого трансформатора не имеет обмотки.



Если эти три трансформатора расположились так, чтобы стержни, не имеющие обмоток, находились рядом, то эти три стержня можно объединить в один 0 (изо, б).
Через объединенный стержень 0 будут замыкаться магнитные потоки трех однофазных трансформаторов, которые равны по величине и сдвинуты по фазе на 1/3 периода.
Так как сумма трех равных по амплитуде и сдвинутых по фазе на 1/3 периода магнитных потоков равна нулю в любой момент времени (Фа + Фв + Фс = 0), то в объединенном стержне магнитного потока нет и надобность в этом стержне отпадает.

Таким образом, для образования магнитопровода достаточно иметь три стержня, которые по конструктивным соображениям располагаются в одной плоскости (изо,в). На каждом стержне трехфазного трансформатора размещаются обмотки высшего и низшего напряжения одной фазы. Стержни соединяются между собой ярмом сверху и снизу.
Конструктивно обмотки трехфазных трансформаторов выполняются так же, как и однофазных.
Начала фаз обмоток высшего напряжения обозначаются прописными буквами А, В и С, а концы фаз - X, Y и Z.
Если обмотка высшего напряжения имеет выведенную нулевую точку, то этот зажим обозначается буквой О.
Начала фаз обмоток низшего напряжения обозначаются строчными буквами a, b, с, а концы фаз - х, у, z; о - вывод нулевой точки.

Обмотки трехфазных трансформаторов могут быть соединены звездой и треугольником.
При соединении обмоток звездой концы (или начала) трех фаз соединяются между собой, образуя нейтральную, или нулевую точку, а свободные зажимы начал (или концов) трех фаз подключаются к трем проводам сети источника (или приемника) электрической энергии переменного тока.

При соединении обмоток треугольником начало первой фазы соединяется с концом второй, начало второй фазы - с концом третьей, начало третьей фазы - с концом первой. Точки соединения начала одной фазы с концом другой подключаются к проводам трехфазной сети переменного тока.

Соединение обмоток трехфазных трансформаторов звездой обозначается Y, а треугольником - Δ . Если обмотки соединены звездой и имеют выведенную нулевую точку, то такое соединение обозначается
.

Группы трехфазных трансформаторов обозначаются знаками следующего вида: и т. д., где знак перед косой линией показывает схему соединения обмоток высшего напряжения, знак после косой линии - схему соединения обмоток низшего напряжения, цифра - угол между векторами линейных напряжений обмоток высшего и низшего напряжения, выраженный числом угловых единиц по 30.

Так, первое обозначение группы показывает, что обмотки высшего и низшего напряжения соединены звездой, причем обмотки низшего напряжения имеют выведенную нулевую точку, и угол между векторами линейных эдс обмоток высшего и низшего напряжения равен 0x30°, т. е. 0°.

Группы трехфазных трансформаторов зависят от схем соединения обмоток, обозначения зажимов фаз обмоток высшего и низшего напряжения и направления намоток.
Если направление намоток витков обмоток высшего и низшего напряжения одинаково, то эдс, индуктируемые в фазах обмоток высшего и низшего напряжения, совпадают по фазе; если же обмотки имеют встречное направление намотки, то эдс фаз высшего и низшего напряжения находятся в противофазе.

Стандартными группами являются следующие:

В стандартных схемах обмотки высшего напряжения соединены звездой, так как при такой схеме фазное напряжение в √3 раз меньше линейного, тем самым упрощается изоляция обмоток.
Обмотки низшего напряжения чаще соединяются треугольником, так как при таком соединении трансформатор менее чувствителен к несимметрии нагрузки фаз.
Обмотки низшего напряжения соединяются также по схеме звезда с нулем, так как при такой схеме можно в четырехпроводной сети получить два различных напряжения - линейное и фазное (например, 127 и 220 В, 220 и 380 В и т. д.).

Для увеличения мощности трансформаторной подстанции и для упрощения резерва используется параллельное включение трансформаторов, одним из непременных условий которого является принадлежность их к одинаковым группам.

[estimata]

Опыты холостого хода и короткого замыкания.

Для испытания трансформатора служат опыты холостого хода и короткого замыкания.
При опыте холостого хода трансформатора (изо,а) его вторичная обмотка разомкнута и тока в этой обмотке нет (I2 = 0)



Если первичную обмотку трансформатора включить в сеть источника электрической энергии переменного тока, то в этой обмотке будет проходить ток холостого хода I0. В трансформаторах больших мощностей ток холостого хода может достигать значений порядка 5—10% номинального тока. В трансформаторах малых мощностей этот ток достигает значения 25— 30% номинального тока.

Ток холостого хода I0 создает магнитный поток в магнитопроводе трансформатора. Для возбуждения магнитного потока трансформатор потребляет реактивную мощность из сети. Что же касается активной мощности, потребляемой трансформатором при холостом ходе, то она расходуется па покрытие потерь мощности в магнитопроводе, обусловленных гистерезисом и вихревыми токами.

Так как реактивная мощность при холостом ходе трансформатора значительно больше активной мощности, то коэффициент мощности cos φ его весьма мал и обычно равен 0,2—0,3.

По данным опыта холостого хода трансформатора определяется ток холостого хода I0, потери в стали сердечника Рст и коэффициент трансформации n.
Ток холостого хода I0 измеряет амперметр, включенный в цепь первичной обмотки трансформатора.
При испытании трехфазного трансформатора определяется фазный ток холостого хода. О потерях в стали сердечника Рст судят по показаниям ваттметра, включенного в цепь первичной обмотки трансформатора.
Коэффициент трансформации трансформатора равен отношению показаний вольтметров, включенных в цепь первичной и вторичной обмоток.

При коротком замыкании вторичной обмотки сопротивление трансформатора очень мало и ток короткого замыкания во много раз больше номинального. Такой большой ток вызывает сильный нагрев обмоток трансформатора и приводит к выходу его из строя. Поэтому трансформаторы снабжаются защитой, отключающей его при коротких замыканиях.

При опыте короткого замыкания (изо,б) вторичная обмотка трансформатора замкнута накоротко, т. е. напряжение на зажимах вторичной обмотки равно нулю. Первичная обмотка включается в сеть с таким пониженным напряжением, при котором токи в обмотках равны номинальным. Такое пониженное напряжение называется напряжением короткого замыкания и выражается в процентах от номинального значения uк%.

По данным опыта короткого замыкания определяется напряжение короткого замыкания uк%, его активная uа% и реактивная uх% составляющие, потери на нагревание обмоток трансформатора Ро6м при номинальной нагрузке и активное, реактивное и полное сопротивления трансформатора при коротком замыкании RK, XK и ZK. Потери в обмотках измеряются ваттметром.

Активное, реактивное и полное сопротивления короткого замыкания трансформатора определяются следующими выражениями:
ZK = UK/I; RK = PK/I2; XK =√(ZK - RK), где UK, I и Рк - напряжение, ток и мощность, указываемые измерительными приборами, включенными в цепь первичной обмотки трансформатора.
При испытании трехфазного трансформатора следует в приведенных выше выражениях подставить фазные значения напряжения, тока и мощности.

Напряжение короткого замыкания и его активная и реактивная составляющие равны:
ua% = (IHRK/UH) 100;
uP% = (IHXK/UH) 100
uK% = (IHZK/UH) 100, где UH и Iн — номинальные напряжение и ток первичной обмотки трансформатора.

[estimata]

Определение рабочих свойств трансформаторов по данным опытов холостого хода и короткого замыкания.

Свойства трансформатора при работе его под нагрузкой могут быть определены непосредственным его испытанием.
Если включить трансформатор на какую-либо нагрузку и изменять ее, то по показаниям приборов можно определить, каким образом будет изменяться напряжение на зажимах вторичной обмотки и кпд трансформатора.

Однако при испытании трансформатора под нагрузкой происходит очень большой расход электроэнергии (тем больший, чем больше мощность трансформатора), и для создания активной, индуктивной и емкостной нагрузок необходимо громоздкое оборудование (реостаты, индуктивные катушки и конденсаторы).
Кроме этого, непосредственное испытание трансформатора дает очень неточные результаты.

Рабочие свойства трансформатора могут быть определены по данным опытов холостого хода и короткого замыкания. При этом требуется сравнительно малая затрата энергии, отпадает надобность в громоздком оборудовании, кроме того значительно повышается точность измерений, чем при непосредственном испытании.

По данным опыта холостого хода измеряют напряжения на первичной и вторичной обмотках U1 и U2, ток холостого хода I0 и потребляемую при холостом ходе мощность Р0, которая расходуется на покрытие потерь в стали магнитопровода, т. е. РСТ = Р0.

По данным опыта короткого замыкания, измеряют напряжение короткого замыкания UK, ток первичной обмотки, равный номинальному IH, и мощность Рк, потребляемую трансформатором при опыте короткого замыкания и расходуемую на покрытие потерь в обмотках при номинальной нагрузке, т. е. Робм = Рк, сопротивления (полное, активное и реактивное) трансформатора при коротком замыкании ZK, RK и Хк, а также относительные значения напряжения короткого замыкания uк, его активной uа и реактивной uр составляющих.

При испытании трехфазного трансформатора все величины определяются для одной фазы.
По данным опытов холостого хода и короткого замыкания можно найти напряжение на зажимах вторичной обмотки и кпд трансформатора при любой нагрузке.

Процентное понижение вторичного напряжения при любой нагрузке равно:
Δu% = ((U20 - U2)/U20) • 100 = β(uаcos φ2 +up sin φ2),
где β= I/IH - коэффициент нагрузки; I - ток при выбранной нагрузке;
φ2 - фазный сдвиг между напряжением и током вторичной обмотки.

Напряжение вторичной обмотки при нагрузке U2 = U20 (1 - Δu/100),
где U20 - напряжение при холостом ходе.

Таким образом, напряжение вторичной обмотки зависит не только от величины, но и от характера нагрузки.
При индуктивном характере нагрузки напряжение понижается с ростом нагрузки в большей степени, чем при чисто активной. При емкостном характере нагрузки происходит повышение напряжения с ростом нагрузки.
Задаваясь значениями β и φ2, можно определить Δu и U2 при любой нагрузке трансформатора, не подвергая его испытанию под нагрузкой.

Коэффициентом полезного действия (кпд) или отдачей трансформатора называется отношение полезной мощности трансформатора Р2 к мощности, потребляемой им из сети источника электрической энергии P1, т. е. η= P2/P1.

Потребляемая мощность P1 будет всегда больше полезной мощности Р2, так как при работе трансформатора происходит потеря преобразуемой им энергии. Потери в трансформаторе складываются из потерь в стали магнитопровода Рсти потерь в обмотках Робм.
Таким образом, потребляемую трансформатором мощность можно определить следующим выражением:P1= Р2 + Pст + Pобм.

Полезную мощность трансформатора находят следующим образом:
для однофазного P2 = U2I2cos φ2, для трехфазного P2=√3U2I2cos φ2.

Следовательно, кпд можно определить для однофазного и трехфазного трансформатора для любой нагрузки Р2 следующими выражениями:
η = (U2I2cos φ2)/(U2I2cos φ2 + Pст + Pобм)

и η = (√3 U2I2cos φ2)/(√3 U2I2cos φ2 + Pст + Pобм)

Наибольший кпд трансформатора будет при нагрузке, для которой потери в стали равны потерям в обмотках. У современных трансформаторов кпд очень высок и достигает при полной нагрузке 95—99,5%.
Задаются полезной мощностью Р2, например 0, 25, 50, 75, 100, 125% номинальной мощности, и для каждой из выбранных мощностей определяют потери в трансформаторе.

Потери в стали магнитопровода Рст зависят от марки стали, из которой выполнен сердечник, от частоты тока сети и магнитной индукции в сердечнике.
Так как частота тока сети и магнитная индукция остаются неизменными при работе трансформатора, то и потери в стали не зависят от нагрузки и остаются постоянными.

Потери в обмотках расходуются на нагревание проводников этих обмоток проходящими по ним токами и пропорциональны току во второй степени. Таким образом, при нагрузке 0,5 от номинальной токи в обмотках будут вдвое, а потери в обмотках в четыре раза меньшими, чем при номинальной нагрузке. Задаваясь значениями cos φ2, определяют кпд при любой нагрузке трансформатора.

[estimata]

Опыт холостого хода однофазного трансформатора


По результатам измерений, проведенных в опыте холостого хода трансформатора, определить:
а) коэффициент трансформации трансформатора
n = U1 ном / U2 ном;
б) амплитудные значения магнитного потока и магнитной индукции в сердечнике трансформатора
Фm = U1ном /4,44f1w1, Вm = Фm/S,
где w1 - число витков первичной обмотки трансформатора; s - площадь поперечного сечения сердечника трансформатора ( вычислить по данным замеров);

[estimata]

Опыт короткого замыкания однофазного трансформатора


По результатам измерений опыта короткого замыкания определить:
электрические потери мощности в трансформаторе Рэ ном Рк


Можно считать, что при опыте короткого замыкания вся мощность Рк, потребляемая трансформатором, идет на нагрев обмоток трансформатора, т. е. равна электрическим потерям Рэ в проводах обмоток при номинальной нагрузке:
Рк = Рэ + Рм = I1номRк = 140 x 140 x Rк 19,600вт x RK;
Zк = U1/I0 = 32/0.14 = 228om;

[estimata]

Опыт нагрузки однофазного трансформатора



Полный расчёт трансформатора возможен только при наличии ваттметра.

[estimata]

Автотрансформаторы


В конструктивном отношении автотрансформатор подобен трансформатору: на стальном магнитопроводе помещены две обмотки, выполненные из проводников различного поперечного сечения. Конец одной обмотки электрически соединяется с началом другой так, что две последовательно соединенные обмотки образуют общую обмотку высшего напряжения.
Обмоткой низшего напряжения, являющейся частью обмотки высшего напряжения, служит одна из двух обмоток автотрансформатора. Таким образом, между обмотками высшего и низшего напряжений автотрансформатора имеется не только магнитная, но и электрическая связь. Принципиальная схема понижающего автотрансформатора показана на рисунке.



Первичное напряжение подведено к зажимам А - х первичной обмотки с числом витков ω1. Вторичной обмоткой является часть первичной а - х с числом витков ω2.
При холостом ходе I2 = 0, пренебрегая падением напряжения в активных сопротивлениях обмоток, можно записать уравнения равновесия эдс для первичной и вторичной обмоток:
U1 = E1 = 4,44ω1fФm и U2 = E2 = 4,44ω2fФm.

Отношение напряжения первичной и вторичной обмоток при холостом ходе называется коэффициентом трансформации автотрансформатора, т. е. U1/U2 = ω1/ω2 = n.

Если вторичную обмотку автотрансформатора замкмуть на какой-либо приемник энергии, то во вторичной цепи будет проходить ток I2. Пренебрегая потерями энергии, мощность, потребляемую автотрансформатором из сети, можно принять равной мощности, отдаваемой во вторичную сеть, т. е.
P = U1I1 = U2I2, откуда I1/I2 =ω2/ω1 = 1/n.



Таким образом, основные соотношения трансформатора остаются без изменения в автотрансформаторах.
В общей части обмотки а - х, принадлежащей сети высшего и низшего напряжения, проходят токи I1 и I2, направленные встречно.

Если пренебречь током холостого хода, величина которого очень мала то можно считать, что токи I1 и I2 сдвинуты по фазе на 180° и ток I12 в части обмотки а - х равен арифметической разности токов вторичной и первичной цепей, т. е.
I12 = I2 - I1 = I2(1 - 1/n).

В понижающем автотрансформаторе ток I12 совпадает по направлению с током I2, в повышающем — направлен противоположно току I2.

Преимуществом автотрансформатора перед трансформатором той же полезной мощности является меньший расход активных материалов - обмоточного провода и стали, меньшие потери энергии, более высокий кпд, меньшее изменение напряжения при изменении нагрузки.
Масса провода обмоток автотрансформатора меньше массы провода обмоток трансформатора при одинаковых плотностях тока. Это объясняется тем, что у трансформатора на магнитопроводе имеются две обмотки — первичная с числом витков ω1, поперечное сечение провода которой рассчитано на ток I1, и вторичная с числом витков ω2, поперечное сечение провода которой рассчитано на ток I2.

У автотрансформатора также две обмотки, но одна из них (часть А — а) имеет число витков ( ω1 - ω2) из провода, поперечное сечение которого рассчитано на ток I1, а другая (часть а — х) с числом витков 2 из провода, поперечное сечение которого рассчитано на разность токов I2 - I1 = I12.

Поперечное сечение и масса стали магнитопровода автотрансформатора также меньше сечения и массы стали магнитопровода трансформатора. Это объясняется тем, что в трансформаторе энергия из первичной сети во вторичную передается магнитным путем в результате электромагнитной связи между обмотками.

В автотрансформаторе энергия из первичной сети во вторичную частично передается путем электрического соединения первичной и вторичной сети, т. е. электрическим путем. Так как в процессе передачи этой энергии магнитный поток не участвует, у автотрансформатора электромагнитная мощность меньше, чем у трансформатора.
Полезная мощность автотрансформатора при активной нагрузке равна:
Р2 = U2I2.
Имея в виду, что I2 = I1 + I12, получим:
Р2 = U2I1 + U2I12 = Pэ + Pм , где Pэ - мощность, электрически поступающая во вторичную обмотку, Рм - электромагнитная мощность автотрансформатора, определяющая необходимый магнитный поток, поперечное сечение и массу стали магнитопровода. Эта мощность является расчетной или габаритной мощностью автотрансформатора.

Наряду с преимуществами автотрансформаторов перед трансформаторами они имеют существенные недостатки: малое сопротивление короткого замыкания, что обусловливает большую кратность тока короткого замыкания; возможность попадания высшего напряжения в сеть низшего напряжения из-за электрической связи между этими сетями.
Наличие электрической связи между сетью источника и приемника энергии делает невозможным применять автотрансформатор в том случае, когда приемник энергии имеет заземленный полюс (в выпрямительных устройствах).

Достоинства автотрансформаторов будут выражены тем сильнее, чем коэффициент трансформации ближе к единице. Поэтому автотрансформаторы применяют при небольших коэффициентах трансформации (n = 1 к 2).
В трехфазных сетях используют трехфазные автотрансформаторы, обмотки которых обычно соединяются звездой.

[estimata]

Измерительные трансформаторы


Измерительные трансформаторы делятся на трансформаторы напряжения и трансформаторы тока. Их применяют в цепях переменного тока для расширения пределов измерения измерительных приборов и для изоляции этих приборов от токопроводящих частей, находящихся под высоким напряжением.

Трансформаторы напряжения конструктивно представляют собой обычные трансформаторы малой мощности. Первичная обмотка такого трансформатора включается в два линейных провода сети, напряжение которой измеряется или контролируется; во вторичную обмотку включают вольтметр или параллельную обмотку ваттметра, счетчика или другого измерительного прибора.

Коэффициент трансформации трансформатора напряжения выбирают таким, чтобы при номинальном первичном напряжении напряжение вторичной обмотки было 100 В.
Режим работы трансформатора напряжения подобен режиму холостого хода обычного трансформатора, так как сопротивление вольтметра или параллельной обмотки ваттметра, счетчика и т. п. велико и током во вторичной обмотке можно пренебречь.
Включение во вторичную обмотку большого числа измерительных приборов нежелательно. Если параллельно вольтметру, включенному но вторичную обмотку трансформатора, подсоединить еще один вольтметр или параллельную обмотку ваттметра, счетчика и т. п., то ток во вторичной обмотке трансформатора увеличится, что вызовет падение напряжения на зажимах вторичной обмотки, и точность показания приборов понизится.

Трансформаторы тока служат для преобразования переменного тока большой величины в ток малой величины и изготовляются таким образом, чтобы при номинальном токе первичной цепи во вторичной обмотке ток был 5 А.
Первичная обмотка трансформатора тока включается в разрез линейного провода (последовательно с нагрузкой), ток в котором измеряется; вторичная обмотка замкнута на амперметр или на последовательную обмотку ваттметра, счетчика и т. п., т. е. соединена с измерительным прибором, имеющим малое сопротивление.



Режим работы трансформатора тока существенно отличен от режима работы обычного трансформатора. В обычном трансформаторе при изменении нагрузки магнитный поток в сердечнике остается практически неизменным, если постоянно приложенное напряжение.
Если в обычном трансформаторе уменьшить нагрузку, т. е. силу тока во вторичной обмотке, то и в первичной обмотке сила тока понизится, и если вторичную обмотку разомкнуть, то сила тока в первичной обмотке уменьшится до тока холостого хода I0.
При работе трансформатора тока его вторичная обмотка замкнута на измерительный прибор с малым сопротивлением и режим работы трансформатора близок к короткому замыканию. Поэтому магнитный поток в магнитопроводе трансформатора мал.
Если разомкнуть вторичную обмотку трансформатора тока, то тока в этой обмотке ие будет, тогда как в первичной обмотке ток останется неизменным.

Таким образом, при разомкнутой вторичной обмотке трансформатора тока магнитный поток в магнитопроводе, возбужденный током первичной обмотки и не встречающий размагничивающего действия тока вторичной обмотки, окажется очень большим и, следовательно, эдс вторичной обмотки, имеющей большое число витков, достигает величины, опасной для целостности изоляции этой обмотки и для обслуживающего персонала.
Поэтому при выключении измерительных приборов из вторичной обмотки трансформатора тока эту обмотку необходимо замкнуть накоротко.

Включение большого числа измерительных приборов во вторичную обмотку трансформатора тока снижает точность измерения.

Конструкции трансформаторов тока в зависимости от назначения чрезвычайно разнообразны и делятся на стационарные и переносные.


Схема измерительных трансформаторов:
a - напряжения, б - тока

При работе измерительных трансформаторов напряжения и тока возможен пробой изоляции их первичных обмоток и, как следствие пробоя, электрическое соединение первичной обмотки с сердечником или со вторичной обмоткой.

Для безопасности обслуживания сердечники и вторичные обмотки измерительных трансформаторов заземляются.

Условные обозначения измерительных трансформаторов показаны на рисунке.

[estimata]

Силовой трансформатор

Силовой трансформатор переменного тока — трансформатор, предназначенный для преобразования электрической энергии в электрических сетях и в установках, предназначенных для приёма и использования электрической энергии. Слово «силовой» отражает работу данного вида трансформаторов с большими мощностями. Необходимость применения силовых трансформаторов обусловлена различной величиной рабочих напряжений ЛЭП (35-750 кВ), городских электросетей (как правило 6,10 кВ), напряжения, подаваемого конечным потребителям (0,4 кВ, они же 380/220 В) и напряжения, требуемого для работы электромашин и электроприборов (самые различные от единиц вольт до сотен киловольт).

Силовой трансформатор постоянного тока используется для непосредственного преобразования напряжения в цепях постоянного тока. Термин «силовой» показывает отличие таких трансформаторов от измерительных устройств класса «Трансформатор постоянного тока».


Силовой трансформатор имеет следующие компоненты.
1. Выводы трансформатора
Подвод питающего напряжения и подключение нагрузки к трансформатору производится с помощью так называемых «выводов». Выводы в сухих трансформаторах могут быть выведены на клеммную колодку в виде болтовых контактов или соединителей с плоскими контактами и могут размещаться как снаружи так и внутри съёмного корпуса. В масляных (или заполненных синтетическими жидкостями) трансформаторах выводы располагаются только снаружи на крышку или на боковые стороны бака, а передача от внутренних обмоток через гибкие соединения (демпферы) на медные или латунные шпильки с нарезанной на них резьбой. Изолирование шпилек от корпуса осуществляется с помощью проходных изоляторов (изготовляемых из специального фарфора или пластмассы), внутри которых проходят шпильки. Уплотнение всех зазоров в выводах осуществляется прокладками из маслобензостойкой резины.

Выводы трансформаторов по конструктивному исполнению подразделяются:
- Выводы с главной изоляцией фарфоровой покрышки
- Выводы с маслобарьерной изоляцией
- Конденсаторные проходные изоляторы
- Выводы с бумажно-масляной изоляцией
- Выводы с полимерной RIP-изоляцией (с полым изолятором или с прямым литьём изолятора)
- Выводы с элегазовой изоляцией

2. Охладители
Охлаждающее оборудование забирает горячее масло в верхней части бака и возвращает охлаждённое масло в нижнюю боковую часть. Холодильный агрегат имеет вид двух масляных контуров с непрямым взаимодействием, один внутренний и один внешний контур. Внутренний контур переносит энергию от нагревающих поверхностей к маслу. Во внешнем контуре масло переносит тепло к вторичной охлаждающей среде. Трансформаторы обычно охлаждаются атмосферным воздухом.

Виды охладителей:
- Радиаторы, бывают разных типов. В основном они представляют собой множество плоских каналов в пластинах с торцевым сварным швом, которые соединяют верхний и нижний коллекторы.
- Гофрированный бак является одновременно и баком и охлаждающей поверхностью для распределительных трансформаторов малой и средней мощности. Такой бак имеет крышку, гофрированные стенки бака и нижнюю коробку.
- Вентиляторы. Для больших узлов возможно использование подвесных вентиляторов под радиаторами или сбоку от них для обеспечения принудительного движения воздуха и естественного масляного и принудительного воздушного (ONAF) охлаждения. Это может увеличить нагрузочную способность трансформаторов примерно на 25%.
- Теплообменники с принудительной циркуляцией масла, воздуха. В больших трансформаторах отведение тепла при помощи естественной циркуляции через радиаторы требует много места. Потребность в пространстве для компактных охладителей намного ниже, чем для простых радиаторных батарей. С точки зрения экономии места может оказаться выгодным использовать компактные охладители со значительным аэродинамическим сопротивлением, что требует применения принудительной циркуляции масла с помощью насоса и мощных вентиляторов для нагнетания воздуха.
- Масляно-водяные охладители, как правило, представляют собой цилиндрические трубчатые теплообменники со съёмными трубками. Такие теплообменники очень распространены и представляют собой классическую технологию. Они имеют разнообразное применение в промышленности. Более современные конструкции, например, плоские теплообменники мембранного типа, ещё не вошли в практику.
- Масляные насосы. Циркуляционные насосы для масляного охлаждающего оборудования – это специальные компактные, полностью герметичные конструкции. Двигатель погружён в трансформаторное масло; сальниковые коробки отсутствуют.

3. Оборудование для регулирования напряжения
Большинство трансформаторов оборудовано приспособлениями для изменения коэффициента трансформации путём добавления или отключения числа части витков обмотки.

В зависимости от конструкции регулирование напряжения трансформатора на вторичных обмотках может производиться с помощью переключателя числа витков трансформатора либо болтовыми соединениями путём выбора положения перемычек или подключением соответствующего вывода из соответствующего набора при обесточенном и заземлённом трансформаторе. С помощью таких регулирующих устройств напряжение на вторичных обмотках меняется в небольших пределах.

Разновидности переключателей числа витков трансформатора:
- Переключатели числа витков без нагрузки - переключатели без возбуждения (ПБВ)
- Переключатели числа витков под нагрузкой - регулирование под нагрузкой (РПН)



Силовые трансформаторы имеют следующее навесное оборудование.
-Газовое реле обычно находится в соединительной трубке между баком и расширительным баком.
Действие газовой защиты основано на том, что всякие, даже незначительные, повреждения, а также повышенные нагревы внутри бака трансформатора (автотрансформатора) вызывают разложение масла и органической изоляции, что сопровождается выделением газа. Интенсивность газообразования и химический состав газа зависят от характера и размеров повреждения. Поэтому защита выполняется так, чтобы при медленном газообразовании подавался предупредительный сигнал, а при бурном газообразовании, что имеет место при коротких замыканиях, происходило отключение поврежденного трансформатора (автотрансформатора). Кроме того, газовая защита действует на сигнал и на отключение или только на сигнал при опасном понижении уровня масла в баке трансформатора или автотрансформатора.

- Индикация температуры. Для измерения температуры верхних слоев масла используются термопары, встраиваемые в верхней части бака в специальные карманы; для измерения температуры наиболее нагретой точки трансформатора применяют математические модели по ее пересчету относительно температуры верхних слоев масла. В последнее время широко используют датчики на основе оптоволоконной технологии для определения температуры наиболее нагретой точки и других точек внутри бака.

- Встроенные трансформаторы тока. Трансформаторы тока могут располагаться внутри трансформатора, часто вблизи заземленного рукава на стороне масла проходных изоляторов, а также на низковольтных шинах. В данном вопросе роль играют цена, компактность и безопасность. При таком решении отпадает необходимость иметь несколько отдельных трансформаторов тока на сортировочной станции с внешней и внутренней изоляцией, рассчитанной на высокое напряжение.

- Поглотители влаги. Необходимо удалить влагу из воздушного пространства над уровнем масла в расширительном баке, чтобы обеспечить отсутствие воды в масле трансформатора.

- Устройства непрерывной регенерации масла. В процессе работы внутри масляного трансформатора появляется вода и шлам. Шлам в основном получается из-за разложения масла, вода — как результат попадания воздуха при температурных изменениях объёма масла у негерметичных конструкциях бака (т.н. «дыхание трансформатора»), а так же как побочный продукт при химических реакциях разложения масла. Поэтому трансформаторы 160 кВА и более снабжаются устройствами непрерывной регенерации масла. Последние подразделяются на термосифонные и адсорбционные. Термосифонные монтируются непосредственно на баке трансформатора. Адсорбционные устанавливаются на отдельном фундаменте. Эффект регенерации в обоих типах устройств непрерывной регенерации масла основан на применении в них сорбента. Чаще всего в качестве последнего применяется силикагель в виде гранул диаметром от 2,8 до 7 мм, которые хорошо поглощают влагу. Отличие между термосифонными и адсорбционными заключается в механизмах транспортировки через них фильтруемого масла. В термосифонных используется естественная циркуляция (при нагреве масло поднимается вверх, проходя через термосифонный фильтр, затем охладившись, опускается на дно бака трансформатора и снова попадает в фильтр и т.д.). В адсорбционных фильтрах масло перекачивается принудительно с помощью специального циркуляционного насоса. Термосифонные устройства непрерывной регенерации применяются на трансформаторах относительно малых габаритов. При больших габаритах, когда естественная циркуляция не может создать необходимую производительность применяется адсорбционная фильтрация. Количество силикагеля рассчитывается по массе масла трансформатора (от 0,8 до 1,25%).

- Системы защиты масла. Самой распространённой системой защиты масла является открытый расширительный бак, в котором воздух над уровнем масла вентилируется через влагопоглотительное устройство.Во влагопоглотительном устройстве засыпаны гранулы силикагеля диаметром в среднем около 5мм.При этом часть влагопоглотительного устройства расположено снаружи и имеет прозрачное окно, внутри которого находится т.н. индикаторный силикагель, пропитанный солями кобальта.В нормальном состоянии индикаторный силикагель имеет голубую окраску, при увлажнении он меняет окраску на розовую, что должно быть сигналом обслуживающему персоналу к замене всего силикагеля в влагопоглотительном устройстве. Часто на верхней точке расширителя устанавливают устройство гидрозатворного типа, являющегося первой ступенью осушения воздуха, поступающего в расширитель.Такое устройство называется "масляной затвор". Масляной затвор своим патрубком соединён с расширителем, а в верхней части имеет чашку, приваренную к патрубку. Внутри чашки имеется стенка, отделяющая патрубок от чашки изнутри и образующая внутренний кольцевой канал.Сверху чашка закрывается крышкой, также имеющей на внутренней стороне стенку.Конструкция препятствует плотному закрытию чашки крышкой и создаёт зазор между ними, кроме того внутренняя стенка крышки при фиксации также имеет зазор с внутренней стенкой, т.о. создаётся лабиринтная система. Для того, чтобы задействовать масляной затвор необходимо налить в кольцевой канал чашки сухого трансформаторного масла до уровня, предписываемого инструкцией, закрыть крышкой и зафиксировать последнюю. Принцип работы устройства следующий: воздух, проникает в зазор между крышкой и стенкой чашки, затем проходит через масло в кольцевом канале частично отдавая влагу в масло и поступает через патрубок в силикагельный влагопоглотитель, а затем - в расширитель. Расширительный бак трансформатора может быть снабжён надувной подушкой. Надувная подушка из синтетического каучука располагается над маслом. Внутренне пространство подушки соединено с атмосферой, поэтому она может вдыхать воздух, когда трансформатор охлаждается и объём масла сжимается, и выдыхать воздух, когда трансформатор нагревается.

Другим решением является расширительный бак, который разделён в горизонтальной плоскости мембраной или диафрагмой, которая позволяет маслу расширяться или сжиматься без прямого контакта с наружным воздухом. Два вышеперечисленных способа защиты масла называются "плёночной защитой".

Пространство над маслом в расширительном баке можно заполнить азотом. Это можно делать из баллона со сжатым газом через редукторный клапан. Когда трансформатор вдыхает, редукторный клапан выпускает азот из баллона. Когда объём увеличивается, азот уходит в атмосферу через вентиляционный клапан.

Для того, чтобы сэкономить потребление азота, можно задать некий шаг давления между наполнением азотом и выпусканием азота.

Трансформаторы могут иметь герметическое исполнение. В маленьких маслонаполненных распределительных трансформаторах упругий гофрированный бак может компенсировать расширение масла. В ином случае необходимо обеспечить пространство над маслом внутри трансформаторного бака, заполненное сухим воздухом или азотом, чтобы они выполняли роль подушки при расширении или сжатии масла.

Можно использовать сочетание различных решений. Трансформаторный бак может быть полностью заполнен маслом, и при этом иметь большой расширительный бак достаточного объёма для расширения масла и необходимой газовой подушки. Эта газовая подушка может иметь продолжение в следующем дополнительном баке, возможно на уровне земли. Для ограничения объёма газовой подушки можно открыть сообщение с наружной атмосферой при заданных верхнем и нижнем пределах внутреннего давления.

- Указатели уровня масла применяются для определения уровня масла в расширительном баке, как правило, это приборы с циферблатом, либо стеклянная трубка, работающая по принципу соединённых сосудов, установленные прямо на расширительном баке. Индикация уровня масла находится на торцевой стороне расширительного бака.

- Устройства сброса давления. Дуговой разряд или короткое замыкание, которые возникают в маслонаполненном трансформаторе, обычно сопровождаются возникновением сверхдавления в баке из-за газа, образующегося при разложении и испарении масла. Устройство сброса давления предназначено для снижения уровня сверхдавления вследствие внутреннего короткого замыкания и, таким образом, уменьшения риска разрыва бака и неконтролируемой утечки масла, которое может также осложниться возгоранием вследствие короткого замыкания.Согласно ГОСТ 11677-75 масляные трансформаторы 1000кВА и выше должны быть снабжены защитным устройством при аварийном повышении давления. Устройства аварийного сброса давления имеет два основных исполнения:
- - - В виде т.н. "выхлопной трубы", устанавливаемой с небольшим наклоном на крышке трансформатора и связана нижней частью с его подкрышечным пространством.Верхняя часть выхлопной трубы (верх трубы по уровню расположен выше верхней точки расширителя) обычно на самом конце имеет загиб и герметично закрыта стеклянной мембраной, которая при резком повышении давления раскалывается и производит аварийный сброс.При близком расположении трансформаторов в одном распредусройстве и не отделённых друг от друга стенкой необходимо так располагать трансформаторы, чтобы при выбросе масла из трубы последнее не попадало на соседний трансформатор.
Кроме того, в верхней части выхлопная труба с помощью специального трубопровода связана с расширителем и имеет собственный воздухоосушитель. Выхлопная труба устанавливается на трансформаторах с расширителем, хотя надо заметить,что не все производители устанавливают на свои трансформаторы выхлопные трубы, считая их малоэффективными.
- - - В виде различных конструкций клапанов.Малый вес тарелки клапана и низкая пружинная жёсткость закрывающих пружин обеспечивает быстрое и широкое открывание. Клапан вновь возвращается в нормальное закрытое состояние, когда сверхдавление сброшено.Обычно клапанные конструкции применяются в безрасширительных конструкциях трансформаторов.

Промежуточное положение между вышеуказанными типами устройств аварийного сброса давления - конструкция, применяемая в трансформаторах типа ТМЗ.Она состоит из стеклянной мембраны,герметично установленной в крышке трансформатора.Под мембраной находится стальной подпружиненный боёк с защёлкой и герметично запаянным сильфоном.В рабочем положении боёк взводится и фиксируется защёлкой. При резком повышении давления сильфон сжимается, срывая удерживающую защёлку и освобождая этим самым боёк.Под действием пружины последний раскалывает стеклянную мембрану, производя т.о. сброс давления.Сверху данная конструкция закрывается защитным колпаком.

- Устройства защиты от внезапного повышения давления. Реле внезапного повышения давления предназначено для срабатывания при возникновении упругой масляной волны в баке трансформатора при серьёзных замыканиях. Это устройство способно различать быстрое и медленное нарастание давления и автоматически отключает выключатель, если давление растёт быстрее, чем задано.

- Устройства защиты от повреждений. Устройствами защиты силовых трансформаторов являются элементы РЗиА, на трасформаторах 6/10кВ чаще используются плавкие предохранители.

- Колеса/полозья для транспортировки. Крупные агрегаты на практике редко доставляются с помощью крана на своё место установки на фундаменте. Их необходимо каким-то способом перемещать от транспортного средства до основания. Если от места разгрузки с транспортного средства до места конечного монтажа агрегата проложены литые рельсы, то агрегат может быть оборудован колёсами для качения. Поворот на 90 градусов в транспортных целях обеспечивают колёса, работающие в двух направлениях. Агрегат поднимают подъёмником и поворачивают колёса. Когда агрегат установлен на месте, то застопоренные колёса могут быть на нём или сняты и заменены опорными блоками. Можно также опустить агрегат прямо на фундамент.

Если такая рельсовая система не предусмотрена, то используют обычные плоские направляющие. Агрегат толкают по смазанным направляющим прямо на место установки, или используют гусеничную цепь.

Агрегат можно приварить к фундаменту, на котором он установлен. Агрегат можно также поставить на вибрационное основание для уменьшения передачи шума через фундамент.

- Детектор горючих газов. Детектор горючих газов указывает на присутствие водорода в масле. Водород отлавливается через диалитическую мембрану. Эта система даёт раннюю индикацию медленного процесса газогенерации ещё до того, как свободный газ начнёт барботировать в направлении газонакопительного реле.

- Расходомер. Для контроля вытекания масла из насосов в трансформаторах с принудительным охлаждением устанавливаются масляные расходомеры. Работа расходомера обычно основана на измерении разницы давления по обе стороны от препятствия в потоке масла. Расходомеры также применяются для измерения расхода воды в водоохлаждаемых трансформаторах.

Обычно расходомеры оборудованы аварийной сигнализацией. Они также могут иметь циферблатный индикатор.

[estimata]

Принцип действия асинхронного двигателя.

Наибольшее распространение среди электрических двигателей получил трехфазный асинхронный двигатель, впервые сконструированный известным русским электриком М. О. Доливо-Добровольским. Асинхронный двигатель отличается простотой конструкции и несложностью обслуживания. Как и любая машина переменного тока, асинхронный двигатель состоит из двух основных частей: статора и ротора. Статором называется неподвижная часть машины, ротором - ее вращающаяся часть.

Асинхронная машина обладает свойством обратимости, т. е. может быть использована как в режиме генератора, так и в режиме двигателя. Из-за ряда существенных недостатков асинхронные генераторы практически почти не применяются, тогда как асинхронные двигатели получили очень широкое распространение.

Многофазная обмотка переменного тока создает вращающееся магнитное поле, частота вращения которого в минуту n1 = 60f1/p.
Если ротор вращается с частотой, равной частоте вращения магнитного поля (n2 = n1), то такая частота называется синхронной.

Если, ротор вращается с частотой, не равной частоте вращения магнитного поля (n2 ≠ n1), то такая частота называется асинхронной.

В асинхронном двигателе рабочий процесс может протекать только при асинхронной частоте, т. е. при частоте вращения не равной частоте вращения магнитного поля.
Частота вращения ротора может очень мало отличаться от частоты вращения поля, но при работе двигателя она будет всегда меньше (n2 < n1).

Работа асинхронного двигателя основана на явлении, названном "диск Араго — Ленца". Это явление заключается в следующем: если перед полюсами постоянного магнита поместить медный диск, свободно сидящий на оси, и начать вращать магнит вокруг его оси при помощи рукоятки, то медный диск будет вращаться в том же направлении. Это объясняется тем, что при вращении магнита его магнитное поле пронизывает диски и индуктирует в нем вихревые токи.

В результате взаимодействия вихревых токов с магнитным полем магнита возникает сила, приводящая диск во вращение.
На основании закона Ленца направление всякого индуктированного тока таково, что он противодействует причине, его вызвавшей. Поэтому вихревые токи в теле диска стремятся задержать вращение магнита, но, не имея возможности сделать это, приводят диск во вращение так, что он следует за магнитом. При этом частота вращения диска всегда меньше, чем частота вращения магнита.

Если бы эти частоты почему-либо стали одинаковыми, то магнитное поле не перемещалось бы относительно диска и, следовательно, в нем не возникали бы вихревые токи, т. е. не было бы силы, под действием которой диск вращается.

В асинхронных двигателях постоянный магнит замен вращающимся магнитным полем, создаваемым трехфазной обмоткой статора при включении её в сеть переменного тока.

Вращающееся магнитное поле статора пересекает обмотки ротора и индуктирует в них эдс. Если обмотка ротора замкнута на какое-либо сопротивление или накоротко, то по ней под действием индуктируемой эдс проходит ток.
В результате взаимодействия тока в обмотке ротора с вращающимся магнитным полем обмотки статора создастся вращающий момент, под действием которого ротор начинает вращаться по направлению вращения магнитного поля.

Если предположить, что в какой-то момент времени частота вращения ротора оказалась равной частоте вращения поля статора, то проводники обмотки ротора не будут пересекать магнитное поле статора и тока в роторе не будет.
В этом случае вращающий момент станет равным нулю, и частота вращения ротора уменьшится по сравнению с частотой вращения поля статора, пока не возникнет вращающий момент, уравновешивающий тормозной момент, который складывается из момента нагрузки на валу и момента сил трения в машине.

Для изменения направления вращения ротора, т. е. для реверсирования двигателя, необходимо изменить направление вращения магнитного поля, созданного обмоткой статора. Это достигается изменением чередования фаз обмоток статора, для чего следует поменять местами по отношению к зажимам сети любые два из трех проводов, соединяющих обмотку статора с сетью.

Реверсивные двигатели снабжаются переключателями, при помощи которых можно изменять чередование фаз обмоток статора, а следовательно, и направление вращения ротора.
Вне зависимости от направления вращения ротора его частота n2, как уже указывалось, всегда меньше частоты вращения магнитного поля статора.

[estimata]

Устройство асинхронного двигателя.



Устройство статора асинхронного двигателя:
1 - сердечник, 2 - обмотка, 3 - станина, 4 - щиток

Сердечник 1 статора набирается из стальных пластин толщиной 0,35 или 0,5 мм. Пластины штампуют с впадинами (пазами), изолируют лаком или окалиной для уменьшения потерь на вихревые токи, собирают в отдельные пакеты и крепят в станине 3 двигателя.

К станине прикрепляют также боковые щиты с помещенными на них подшипниками, на которые опирается вал ротора. Станину устанавливают на фундаменте.

В продольные пазы статора укладывают проводники его обмотки 2, которые соединяют между собой так, что образуется трехфазная система. На щитке 4 машины имеется шесть зажимов, к которым присоединяются начала и концы обмоток каждой фазы.
Для подключения обмоток статора к трехфазной сети они могут быть соединены звездой или треугольником, что дает возможность включать двигатель в сеть с двумя различными линейными напряжениями.

Например, двигатель может работать от сети с напряжением 220 и 127 В.
На щитке машины указаны оба напряжения сети, на которые рассчитан двигатель, т. е. 220/127 В или 380/220 В.

Для более низких напряжений, указанных на щитке, обмотка статора соединяется треугольником, для более высоких - звездой.

При соединении обмотки статора треугольником на щитке машины верхние зажимы объединяют перемычками с нижними, а каждую пару соединенных вместе зажимов подключают к линейным проводам трехфазной сети. Для включения звездой три нижних зажима на щитке соединяют перемычками в общую точку, а верхние подключают к линейным проводам трехфазной сети.


Соединение зажимов на щитке двигателя при включении обмотки статора:
а - треугольником, б - звездой





Сердечник 1 ротора (изо, а) также набирают из стальных пластин толщиной 0,5 мм, изолированных лаком или окалиной для уменьшения потерь на вихревые токи.
Пластины штампуют с впадинами и собирают в пакеты, которые крепят на валу машины. Из пакетов образуется цилиндр с продольными пазами, в которые укладывают проводники 2 обмотки ротора.

В зависимости от типа обмотки асинхронные машины могут быть с фазным и короткозамкнутым роторами. Короткозамкнутая обмотка ротора выполняется по типу беличьего колеса (изо, б). В пазах ротора укладывают массивные стержни, соединенные на торцовых сторонах медными кольцами (изо, а).
Часто короткозамкнутую обмотку ротора изгтавливают из алюминия. Алюминий в горячем состоянии заливают в пазы ротора под давлением. Такая обмотка всегда замкнута накоротко и включение сопротивлений в нее невозможно.

Фазная обмотка ротора выполнена подобно статорной, т. е. проводники соответствующим образом соединены между собой, образуя трехфазную систему.

Обмотки трех фаз соединены звездой. Начала этих обмоток подключены к трем контактным медным кольцам, укрепленным на валу ротора. Кольца изолированы друг от друга и от вала и вращаются вместе с ротором.
При вращении колец поверхности их скользят по угольным или медным щеткам, неподвижно укрепленным над кольцами. Обмотка ротора может быть замкнута на какое-либо сопротиление или накоротко, при помощи указаных щеток.

Двигатели с замкнутым ротором проще и надежнее в эксплуатации, значительно дешевле, чем двигатели с фазным ротором. Однако двигатели с фазным ротором, как мы увидим ниже, обладают лучшими пусковыми и регулировочными свойствами.
В настоящее время асинхронные двигатели выполняют преимущественно с короткозамкнутым ротором и лишь при больших мощностях и в специальных случаях используют фазную обмотку ротора.

В России производят асинхронные двигатели мощностью от нескольких десятков ватт до 15 000 кВт при напряжениях обмотки статора до 6 кВ.
Между статором и ротором имеется воздушный зазор, величина которого оказывает существеннее влияние на рабочие свойства двигателя.
Наряду с важными положительными качествами - простотой конструкции и обслуживания, малой стоимостью - асинхронный двигатель имеет и некоторые недостатки, из которых наиболее существенным является относительно низкий коэффициент мощности (cos φ).
У асинхронного двигателя cos φ при полной нагрузке может достигать значений 0,85—0,9; при недогрузках двигателя его cos φ резко уменьшается и при холостом ходе составляет 0,2—0,3.

Низкий коэффициент мощности асинхронного двигателя объясняется большим потреблением реактивной мощности, которая необходима для возбуждения магнитного поля. Магнитный поток в асинхронном двигателе встречает на своем пути воздушный зазор между статором и ротором, который в большой степени увеличивает магнитное сопротивление, а следовательно, и потребляемую двигателем реактивную мощность.

В целях повышения коэффициента мощности асинхронных двигателей воздушный зазор стремятся делать возможно меньшим, доводя его у малых двигателей (порядка 2—5 кВт) до 0,3 мм. В двигателях большой мощности воздушный зазор приходится увеличивать по кон¬структивным соображениям, но все же он не превышает 2—2,5 мм.

[estimata]

Работа асинхронного двигателя под нагрузкой.


В рабочем режиме ротор двигателя вращается с частотой n2, меньшей частоты n1 магнитного поля статора, вращающегося в том же направлении, что и ротор.
Поэтому магнитное поле, имеющее большую частоту, скользит относительно ротора с частотой (об/мин), равной разности частот поля и ротора, т. е. ns = n1 - n2.

Относительное отставание ротора от вращающегося магнитного поля статора характеризуется скольжением S.
Скольжение представляет собой отношение разности частот вращения магнитного поля статора и вращающегося ротора к частоте поля статора
S = ns/n1 = (n1 - n2)/n1.
Эта формула определяет скольжение в относительных единицах.Скольжение может быть также выражено в процентах:
S = ((n1 - n2)/n1) x 100%.
Если ротор неподвижен (n2 = 0), то скольжение равно единице или 100%.

Если ротор вращается синхронно с магнитным полем, т. е. с одинаковой частотой
(n2 = n1), то скольжение равно нулю.

Таким образом, чем больше частота вращения ротора, тем меньше скольжение.
В рабочем режиме асинхронного двигателя скольжение мало.
У современных асинхронных двигателей скольжение при полной нагрузке составляет 3—5%, т.е. ротор вращается с частотой, незначительно отличающейся от частоты магнитного поля статора.
При холостом ходе, т. е. при отсутствии нагрузки на валу, скольжение ничтожно мало и может быть принято равным нулю.
Частоту вращения ротора можно определить из следующих соотношений:
n2 = n1 - ns = n1(1 - S) = (60f1/p)(1 - S).

Двигатель будет работать устойчиво с постоянной частотой вращения ротора при равновесии моментов, т. е. если вращающий двигателя М будет равен тормозному моменту на валу двигателя Мт, который развивает приемник механической энергии, например резец токарного станка. Следовательно, можно записать: М = Мт.

Любой нагрузке машины соответствует определенная частота вращения ротора n2 и определенное скольжение S.
Магнитное поле статора вращается относительно ротора с частотой ns и индуктирует в его обмотке эдс Е2, под действием которой по замкнутой обмотке ротора проходит ток I2.
Если нагрузка на валу машины увеличилась, т. е. возрос тормозной момент, то равновесие моментов будет нарушено, так как тормозной момент окажется больше вращающего.
Это приведёт к уменьшению частоты вращения ротора, а следовательно, к увеличению скольжения. С увеличением скольжения магнитное поле будет пересекать проводники обмотки ротора чаще, эдс E2, индуктированная в обмотке ротора, возрастет, а в результате как ток в роторе, так и развиваемый двигателем вращающий момент.

Скольжение и ток в роторе будут увеличиваться до значений, при которых вновь наступит равновесие моментов, т. е. вращающий момент станет равным тормозному.

Так же протекает процесс изменения частоты вращения ротора и развиваемого момента при уменьшении нагрузки двигателя. С уменьшением нагрузки на валу двигателя тормозной момент становится меньше вращающего, что приводит к увеличению частоты вращения ротора или к уменьшению скольжения.

В результате уменьшаются эдс и ток в обмотке ротора, а следовательно, и вращающий момент, который вновь становится равным тормозному моменту.

Магнитное поле статора пересекает проводники обмотки статора и индуктирует в ней эдс Е1, которая уравновешивает приложенное напряжение сети U1.

Если пренебречь падением напряжения в сопротивлении обмотки статора, которое мало по сравнению с эдс, то между абсолютными значениями приложенного напряжения и эдс обмотки статора можно допустить приближенное равенство, т. е.
U1 = E1.

Таким образом, при неизменном напряжении сети будет неизменна и эдс обмотки статора. Следовательно, магнитный поток в воздушном зазоре машины, так же как в трансформаторе, при любом изменении нагрузки остается примерно постоянным.

Ток обмотки ротора создает свое магнитное поле, которое направлено противоположно магнитному полю тока обмотки статора. Чтобы результирующий магнитный поток в машине оставался неизменным при любом изменении нагрузки двигателя, размагничивающее магнитное поле обмотки ротора должно быть уравновешено магнитным полем обмотки статора. Поэтому при увеличении тока в обмотке ротора увеличивается и ток в обмотке статора.

Таким образом, асинхронный двигатель подобен трансформатору, у которого при увеличении тока во вторичной обмотке увеличивается ток в первичной обмотке.

[estimata]

Вращающий момент асинхронного двигателя.

Вращающий момент асинхронного двигателя создается при взаимодействии вращающегося магнитного поля статора с токами в проводниках обмотки ротора. Поэтому вращающий момент зависит как от магнитного потока статора Фm, так и от тока в обмотке ротора I2.
Однако в процессе преобразования энергии (создании вращающего момента) участвует только активная мощность, потребляемая машиной из сети. Вследствие этого вращающий момент зависит не от тока в обмотке ротора I2, а только от его активной составляющей, т. е. I2XcosΨ2 , где Ψ2 - фазный угол между эдс и током в обмотке ротора.
Таким образом, вращающий момент асинхронного двигателя определяется следующим выражением:
М = С Фm I2 cosΨ2,
где С - конструктивная постоянная машины, зависящая от числа ее полюсов и фаз, числа витков обмотки статора и конструктивного выполнения обмотки.

При условии постоянства приложенного напряжения магнитный поток остается также почти постоянным при любом изменении нагрузки двигателя.
Таким образом, в выражении вращающего момента величины Фm и С постоянны и вращающий момент пропорционален только активной составляющей тока в обмотке ротора, т. е. M ~ I2cos Ψ2.
Изменение нагрузки или тормозного момента на валу двигателя изменяет частоту вращения ротора и скольжение, что вызовет изменение как тока в роторе I2, так и его активной составляющей I2 cos2.
Можно ток в роторе определить отношением эдс к полному сопротивлению, т. е.
I2 = E2/Z2 = E2/√(R22 + X22) и cosΨ2 = R2/√(R22 + X22)
где Z2, R2 и X2 — полное, активное и реактивное сопротивления фазы обмотки ротора.

Вместе со скольжением изменяется частота тока ротора.
При неподвижном роторе (n2 = 0 и S = 1) вращающееся поле с одинаковой частотой пересекает проводники обмотки статора и ротора и частота тока в роторе равна частоте тока в сети (f2 = f1).
При уменьшении скольжения обмотка ротора пересекается магнитным полем с меньшей частотой, так что частота тока в роторе уменьшается. Когда ротор вращается синхронно с полем (n2 = n1 и S = 0), проводники обмотки ротора не пересекаются магнитным полем, так что частота тока в роторе равна нулю f2 = 0. Таким образом, частота тока в роторе пропорциональна скольжению, т. е. f2 =Sf1.
Активное сопротивление обмотки ротора почти не зависит от частоты, тогда как эдс и реактивное сопротивление пропорциональны частоте, т. е. изменяются с изменением скольжения, и могут быть определены следующими выражениями:
E2 = SE и X2 = SX,
где Е и X — соответственно эдс и индуктивное conpoтивление фазы обмотки неподвижного ротора. Таким образом, имеем:
I2 = SE/√(R22 + (SX)2) и cosΨ2 = R2/√(R22 + (SX)2)
и вращающий момент
M ≈ I2cosΨ2 = SER2/(R22 + (SX)2)



Зависимость вращающего момента асинхронного двигателя от скольжения

Следовательно, при небольших скольжениях (примерно до 20%), когда SX мало по сравнению с R2, увеличение скольжения вызывает повышение вращающего момента, так как при этом возрастает активная составляющая тока в роторе (I2cosΨ2).
При больших скольжениях (SX>R2) увеличение скольжения будет вызывать уменьшение вращающего момента.
Таким образом, хотя и возрастает ток в роторе I2, но его активная составляющая I2cosΨ2 и, следовательно, вращающий момент уменьшатся вследствие значительного повышения реактивного сопротивления обмотки ротора.
На рисунке показана зависимость вращающего момента от скольжения.


При некотором скольжении Sm (примерно 20%) двигатель развивает максимальный момент, который определяет перегрузочную способность двигателя и обычно в 2 - 3 раза превышает номинальный момент.
Устойчивая работа двигателя возможна только на восходящей ветви кривой зависимости момента от скольжения, т. е при изменении скольжения в пределах от 0 до Sm. Работа двигателя на нисходящей ветви указанной зависимости, т. е. при скольжении S > Sm невозможна, так как не обеспечивается устойчивое равновесие моментов.
Если предположить, что вращающий момент был равен тормозному (M = МТ) в точках А и Б, то при случайном нарушении равновесия моментов в одном случае оно восстанавливается, а в другом не восстанавливается.

Допустим, что вращающий момент двигателя почему-либо уменьшился (например, при понижении напряжения сети), тогда скольжение начнет увеличиваться.

Если равновесие моментов было в точке A, то увеличение скольжения вызовет увеличение вращающего момента двигателя и он станет вновь равным тормозному моменту, т. е. равновесие моментов восстановится.

Если же равновесие моментов было в точке Б, то увеличение скольжения вызовет уменьшение вращающего момента, который будет оставаться всегда меньше тормозного, т. е. равновесие моментов не восстановится и частота вращения ротора будет непрерывно уменьшаться до полной остановки двигателя.

Если приложить к валу двигателя тормозной момент, больший максимального момента, то равновесие моментов нарушится и ротор двигателя остановится.
Вращающий момент двигателя пропорционален квадрату приложенного напряжения, так как пропорциональны напряжению как магнитный поток, так и ток в роторе. Поэтому изменение напряжения в сети вызывает значительное изменение вращающего момента

[estimata]

Рабочие характеристики асинхронного двигателя.


Рабочие характеристики асинхронного двигателя представляют собой зависимости скольжения S, частоты вращения ротора n2, развиваемого момента М, потребляемого тока I1, расходуемой мощности P1, коэффициента мощности cos φ и кпд от полезной мощности Р2 на валу машины. Эти характеристики (см. график) снимаются при естественных условиях работы двигателя, т. е. двигатель нерегулируемый, частота тока f1 и напряжение U1 сети остаются постоянными, а , изменяется только нагрузка на валу двигателя.


Рабочие характеристики асинхронного двигателя


При увеличении нагрузки на валу двигателя скольжение возрастает, причем при больших нагрузках скольжение увеличивается несколько быстрее, чем при малых.
При холостом ходе двигателя скольжение очень мало (n2 ~ n1 или S ~ 0).

При номинальной нагрузке скольжение обычно составляет S = 3 - 5% (0,95).

Частота вращения ротора n2 = n1(1—S) = (60f1/p)(1 - S).

При увеличении нагрузки на валу двигателя скольжение возрастает, а частота вращения будет уменьшаться. Однако изменение частоты вращения при увеличении нагрузки от 0 до номинальной очень не значительно и не превышает 5 %. Поэтому скоростная характеристика асинхронного двигателя является жесткой - она имеет очень малый наклон к горизонтальной оси.

Вращающий момент М, развиваемый двигателем, уравновешен тормозным моментом Мт на валу и моментом Мо, идущим на преодоление механических потерь, т. е.
М = Мт + М0 = Р2/2—М0, где Р2 - полезная мощность двигателя, 2 - угловая скорость ротора.

При холостом ходе двигателя М = М0; с увеличением нагрузки на валу вращающий момент также увеличивается, причем за счет некоторого уменьшения частоты вращения ротора увеличение вращающего момента происходит быстрее, чем увеличение полезной мощности на валу.

Ток I1, потребляемый двигателем из сети, неравномерно изменяется с увеличением нагрузки на валу двигателя.

При холостом ходе cos φ мал и ток имеет большую реактивную составляющую.

При малых нагрузках на валу двигателя активная составляющая статора меньше реактивной составляющей, поэтому активная составляющая тока незначительно влияет на ток I1, определяющийся в основном реактивной составляющей.

При больших нагрузках активная составляющая тока статора становится больше реактивной и изменение нагрузки вызывает большое изменение тока I1.

Графически зависимость потребляемой двигателем мощности Р1 выражается прямой линией, незначительно отклоняющейся вверх от прямой при больших нагрузках, что объясняется увеличением потерь в обмотках статора и ротора с возрастанием нагрузки.

Коэффициент мощности изменяется в зависимости от нагрузки на валу двигателя следующим образом. При холостом ходе cos φ мал (порядка 0,2), так как активная составляющая тока статора обусловленная потерями мощности в машине, мала по сравнению с реактивной составляющей этого тока, создающей магнитный поток.

При увеличении нагрузки на валу cos φ возрастает (достигая наибольшего значения 0,8—0,95) в результате увеличения активной составляющей тока статора.
При очень больших нагрузках происходит некоторое уменьшение cos φ, так как вследствие значительного увеличения скольжения и частоты тока в роторе возрастает реактивное сопротивление обмотки ротора.

Кривая кпд η имеет такой же вид, как в любой машине или трансформаторе. При холостом ходе кпд равен нулю. С увеличением нагрузки на валу двигателя кпд резко увеличивается, а затем уменьшается. Наибольшего значения кпд достигает при такой нагрузке, когда потери мощности в стали и механические потери, не зависящие от нагрузки, равны потерям мощности в обмотках статора и ротора, зависящим от нагрузки.

[estimata]

Пуск в ход асинхронных двигателей

При включении асинхронного двигателя в сеть переменного тока по обмоткам его статора и ротора будут проходить токи, в несколько раз больше номинальных. Это объясняется тем, что при неподвижном роторе вращающееся магнитное поле пересекает его обмотку с большой частотой, равной частоте вращения магнитного поля в пространстве, и индуктирует в этой обмотке большую эдс. Эта эдс создает большой ток в цепи ротора, что вызывает возникновение соответствующего тока и в обмотке статора.

При увеличении частоты вращения ротора скольжение уменьшается, что приводит к уменьшению эдс и тока в обмотке ротора. Это, в свою очередь, вызывает уменьшение тока в обмотке статора.
Большой пусковой ток нежелателен как для двигателя, так и для источника, от которого двигатель получает энергию. При частых пусках большой ток приводит к резкому повышению температуры обмоток двигателя, что может вызвать преждевременное старение их изоляции.
В сети при больших токах понижается напряжение, которое оказывает влияние на работу других приемников энергии, включенных в эту же сеть.

Поэтому прямой пуск двигателя непосредственным включением его в сеть допускается только в том случае, когда мощность двигателя, намного меньше мощности источника энергии, питающего сеть.

Если мощность двигателя соизмерима с мощностью источника энергии, то необходимо уменьшить ток, потребляемый этим двигателем при пуске в ход.
Двигатели с фазным ротором обладают очень хорошими пусковыми свойствами.
Для уменьшения пускового тока обмотку ротора замыкают на активное сопротивление, называемое пусковым реостатом.


Схема включения пускового реостата в цепь фазного ротора асинхронного двигателя

При включении такого сопротивления в цепь обмотки ротора ток в ней уменьшается, а следовательно, уменьшаются токи как в обмотке статора, так и потребляемый двигателем из сети. При этом увеличится активная составляющая тока ротора и, следовательно, вращающий момент, развиваемый двигателем при пуске в ход.

Пусковые реостаты имеют несколько контактов, поэтому можно постепенно уменьшать сопротивление, введенное в цепь обмотки ротора. После достижения ротором нормальной частоты вращения реостат полностью выводится, т. е. обмотку ротора замыкают накоротко.

При нормальной частоте ротора скольжение мало и эдс, индуктируемая в его обмотке, также незначительна. Поэтому никакие добавочные сопротивления в цепи ротора не нужны.
Пусковые реостаты работают непродолжительное время в процессе разгона двигателя и рассчитываются на кратковременное действие. Если оставить реостат включенным длительное время, то он выйдет из строя.

Двигатели с короткозамкнутым ротором при малой мощности их по сравнению с мощностью источника энергии пускают в ход непосредственным включением в сеть.
При большой же мощности двигателей пусковой ток уменьшают, понижая приложенное напряжение. Для понижения напряжения на время пуска двигатель включают в сеть через понижающий автотрансформатор или реакторы. При вращении ротора с нормальной частотой вращения двигатель переключают на полное напряжение сети.

Недостатком такого способа пуска двигателя в ход является резкое уменьшение пускового момента. Для уменьшения пускового тока в N раз необходимо приложенное напряжение понизить также в N раз. При этом пусковой момент, пропорциональный квадрату напряжения, уменьшится в N2 раз. Таким образом, понижение напряжения допустимо при пуске двигателя без нагрузки или при малых нагрузках, когда пусковой момент может быть небольшим.

Часто двигатель пускают в ход посредством переключения обмотки статора со звезды на треугольник (изо). В момент пуска обмотку статора соединяют звездой, а после того как двигатель разовьет частоту вращения, близкую к нормальной, ее переключают треугольником.
При таком способе пуска двигателя в ход пусковой ток в сети уменьшается в три раза по сравнению с пусковым током, который потреблялся бы двигателем, если бы при пуске обмотка статора была соединена треугольником.


Схема пуска короткозамкнутого асинхронного двигателя с переключением обмотки статора со звезды на треугольник.

Этот способ пуска можно применять для двигателя, обмотка статора которого при питании от сети данного напряжения должна быть соединена треугольником.

[estimata]

Регулирование частоты вращения трехфазных асинхронных двигателей.

Частота вращения ротора в минуту определяется следующим выражением:
n2 = n1(1 - S) = (60f1/p)(1 - S).
Из этого выражения видно, что частоту вращения ротора регулировать изменением любой из трех величин, определящих её, т. е. изменением частоты тока сети f1, числа пар полюсов p и скольжения S.
Регулирование частоты вращения асинхронных двигателей изменением частоты тока сети сложно, так как необходим какой-либо регулирующий преобразователь частоты или генератор. Поэтому этот способ не имеет широкого применения.

Число полюсов машины может быть изменено, если на статоре имеется несколько (обычно две) обмоток с различным числом полюсов или одна обмотка, которую можно переключать на различное число полюсов, или две обмотки, каждая из которых может переключаться на различное число полюсов.
На (изо, а) схематически показаны две обмотки одной фазы, соединенные последовательно, которые могут быть переключены на четыре полюса. Если изменить направление тока в одной из катушек, включив ее встречно с другой, то обмотка может переключаться на два полюса (изо, б).
При изменении числа полюсов обмотки статора изменится частота вращения его магнитного поля, а следовательно, и частота вращения ротора двигателя.
Этот способ регулирования частоты вращения асинхронного двигателя экономичен, но недостатком его является ступенчатое изменение частоты.



Кроме того, стоимость такого двигателя значительно возрастает вследствие усложнения обмотки статора и увеличения габаритов машин.
Регулирование частоты вращения изменением числа полюсов применяют в двигателях с короткозамкнутым ротором; в двигателях с фазным ротором этот способ не используется, так как приходится одновременно изменять число полюсов обмотки статора и число полюсов обмотки вращающегося ротора, что весьма сложно.

Обычно встречаются двигатели с синхронными частотами вращения 500 - 750 - 1000 - 1500 об/мин. Такие двигатели имеют на статоре две обмотки, каждая из которых может быть переключена на различное число полюсов.

Скольжение можно изменять регулировочным реостатом, введенным в цепь обмотки ротора, а также регулированием напряжения сети.
При регулировании напряжения питающей сети изменяется вращающий момент двигателя пропорционально квадрату напряжения.
При уменьшении вращающего момента уменьшится частота вращения ротора, т. е. увеличится скольжение.
Регулировочный реостат включается в цепь обмотки фазного ротора подобно пусковому реостату, но в отличие от пускового он рассчитывается на длительное прохождение тока.
При включении регулировочного реостата ток в роторе уменьшится, что вызовет снижение вращающего момента двигателя и, следовательно, уменьшение частоты вращения или увеличение скольжения.

При увеличении скольжения увеличивается эдс и ток в роторе. Частота вращения или скольжение будет изменяться до восстановления равновесия моментов, т. е. пока ток в роторе не примет своего начального значения. Этот способ регулирования частоты вращения может быть использован только в двигателях с фазным ротором, и несмотря на то что является неэкономичным (так как в perулировочном реостате происходит значительная потеря энергии), имеет широкое распространение.

[estimata]

Однофазные асинхронные двигатели

Однофазные асинхронные двигатели широко применяют при небольших мощностях
(до 1 - 2 кВт). Такой двигатель отличается от трехфазного тем, что на статоре его помещается однофазная обмотка. Ротор однофазного асинхронного двигателя имеет фазную или короткозамкнутую обмотку.
Особенностью однофазных асинхронных двигателей является отсутствие начального или пускового момента, т. е. при включении такого двигателя в сеть ротор его будет оставаться неподвижным.

Если же под действием какой-либо внешней силы вывести ротор из состояния покоя, то двигатель будет развивать вращающий момент.



Отсутствие начального момента является существенным недостатком однофазных асинхронных двигателей. Поэтому они всегда снабжаются пусковым устройством.

Наиболее простым пусковым устройством являются две обмотки, помещенные на статоре, сдвинутые одна относительно другого на половину полюсного деления
(90° электрических). Эти обмотки катушек питаются от симметричной двухфазной сети,
т. е. напряжения, приложенного к обмоткам катушек, равны между собой и сдвинуты на четверть периода по фазе. При таких напряжениях токи, проходящие по катушкам, также сдвинуты по фазе на четверть периода, что в дополнение к пространственному сдвигу катушек дает возможность получить вращающееся магнитное поле.

При наличии вращающего магнитного поля двигатель развивает пусковой момент.
В действительности двухфазная сеть обычно отсутствует, и пуск однофазного двигателя осуществляется включением двух в одну общую для них однофазную сеть.

Для получения угла сдвига фаз между токами в катушках, примерно равного /2
(четверти периода), одну из катушек (рабочую) включают в сеть непосредственно или с пусковым активным сопротивлением, а вторую катушку (пусковую) - через индуктивную катушку (изо, а) или конденсатор (изо, б).

Пусковая обмотка включается только на период пуска в ход. В момент, когда ротор приобретает определенную частоту вращения, пусковая обмотка отключается от сети центробежным выключателем или специальным реле; двигатель работает как однофазный.

В качестве однофазного двигателя может быть использован любой трехфазный асинхронный двигатель.
При работе трехфазного двигателя в качестве однофазного рабочая или главная обмотка, состоящая из двух последовательно соединенных фаз, включается непосредственно в однофазную сеть, третья фаза, являющаяся пусковой или вспомогательной обмоткой, включается в ту же сеть через пусковой элемент - сопротивление, индуктивность или конденсатор.

Конденсаторный (двухфазный) двигатель представляет собой однофазный асинхронный двигатель с двумя обмотками на статоре и короткозамкнутым ротором. Вспомогательная обмотка рассчитана на длительное прохождение тока и остается включенной не только при пуске в ход двигателя, но и при работе.

При работе конденсаторного двигателя возникает вращающееся поле, наличие которого улучшает его рабочие свойства в сравнении с однофазными.
При увеличении емкости конденсатора возрастает и пусковой момент двигателя. Однако увеличение емкости батареи конденсаторов в рабочем режиме нежелательно, так как это ведет к снижению частоты вращения и кпд двигателя.

[estimata]

Принцип действия синхронного генератора

В синхронных машинах частота вращения ротора равна частоте вращения магнитного поля статора и, следовательно, определяется частотой тока сети и числом пар полюсов, т. е. n = 60f/p и f = pn/60.

Как и всякая электрическая машина, синхронная машина обратима, т. е. может работать как генератором, так и двигателем.
Электрическая энергия вырабатывается синхронными reнераторами, первичными двигателями которых являются либо гидравлические, либо паровые турбины, либо двигатели внутреннего cгорания.


Схема генератора переменного тока:
1 и 2 - проводники, 3 - кольца

Обычно обмотки возбуждения получают энергию от возбудителя, который представляет собой генератор постоянного тока.
Возбудитель находится на одном валу с рабочей машиной, и мощность его составляет малую величину, порядка 1 - 5% мощности синхронной машины, возбуждаемой им.

При небольшой мощности часто используются схемы питания обмоток возбуждения синхронных машин от сети переменного тока через полупроводниковые выпрямители.
Простейшим генератором может быть виток из провода 1 и 2, вращающийся в магнитном поле (изо). Магнитное поле возбуждается током обмотки возбуждения, помещенной на полюсах статора N - S.

При вращении витка проводники 1 и 2 пересекают магнитное поле, созданное между полюсами N - S, вследствие чего в витке будет индуктироваться эдс.
Концы витка соединены с кольцами 3, вращающимися вместе с витком. Если на кольцах поместить неподвижные щетки и соединить их с приемником электрической энергии, то по замкнутой цепи, состоящей из витка, колец, щеток и приемника энергии, пойдет электрический ток под действием эдс.

Полученная в таком простейшем генераторе эдс будет непрерывно изменяться в зависимости от положения витка в магнитном поле. Когда проводники 1 и 2 находятся под осями полюсов (см. изо), то при вращении витка они пересекают в единицу времени наибольшее число линий магнитного поля. Следовательно, в данный момент индуктируемая в витке эдс будет иметь наибольшее значение.

В дальнейшем при повороте витка изменится число линий магнитного поля, пересекаемых в единицу времени проводниками 1 и 2. При повороте витка на 90° в пространстве проводники будут перемещаться в вертикальном направлении, совпадающем с направлением магнитных линий поля. Следовательно, проводники 1 и 2 не пересекают магнитных линий и эдс в витке равна нулю.

При повороте витка на угол, больший 90°, изменится направление перемещения этих проводников в магнитное поле, а следовательно, и направление эдс, индуктируемой в витке.
Если магнитное поле между полюсами N и S распределяется равномерно, то эдс будет меняться во времени синусоидально. За один оборот витка в пространстве эдс, индуктируемая в нем, претерпевает один период изменения.

Если виток вращается при помощи какого-либо первичного двигателя с постоянной частотой вращения n в минуту, то в этом витке индуктируется переменная эдс с частотой f = n/60.

[estimata]

Устройство синхронного генератора


Возникновение эдс в проводниках возможно как при перемещении этих проводников в неподвижном магнитном поле, так и при перемещении магнитного поля относительно неподвижных проводников.

В первом случае полюсы, т. е. индуктирующая часть машины, возбуждающая магнитное поле, помещаются на неподвижной части машины (на статоре), а индуктируемая часть (якорь), т. е. проводники, в которых создается эдс, - на вращающейся части машины (на роторе).
Во втором случае полюсы помещаются на роторе, а якорь — на статоре.

Выше мы рассмотрели принцип действия синхронного генератора c неподвижными полюсами и вращающимся якорем. В таком генераторе энергия, вырабатываемая им, передается приемнику энергии посредством скользящих контактов - контактных колец и щеток.

Скользящий контакт в цепи большой мощности создает значительные потери энергии, а при высоких напряжениях наличие такого контакта крайне нежелательно. Поэтому генераторы с вращающимся якорем и неподвижными полюсами выполняют только при невысоких напряжениях (до 380/220 В) и небольших мощностях (до 15 кВА).

Наиболее широкое применение получили синхронные генераторы, в которых полюсы помещены на роторе, а якорь — на статоре.

Ток возбуждения протекает по обмотке возбуждения, которая представляет собой последовательно соединённые катушки, помещенные на полюсы ротора.
Концы обмотки возбуждения соединены с контактными кольцами, которые крепятся на валу машины. На кольцах помещаются неподвижные щетки, посредством которых в обмотку возбуждения подводится постоянный ток от постороннего источника энергии - генератора постоянного тока, называемого возбудителем.


На изо показан общий вид синхронного генератора с возбудителем. Устройство статора синхронного генератора аналогично устройству статора асинхронной машины.
Ротор синхронных генераторов выполняют либо с явно выраженными (выступающими) полюсами, либо с неявно выраженными полюсами, т. е. без выступающих полюсов.
В машинах с относительно малой частотой вращения (при большом числе полюсов) роторы должны быть с явно выраженными плюсами (изо, а), равномерно расположенными по окружности ротора.



Полюс состоит из сердечника 1, полюсного наконечника 2 и катушки обмотки возбуждения 3, помещаемой на сердечнике полюса.



Первичные двигатели синхронных генераторов с явно выраженными полюсами обычно представляют собой гидравлические турбины, являющиеся тихоходными машинами.
При большой частоте вращения такое устройство ротора не может обеспечить нужной механической прочности и поэтому у высокоскоростных машин роторы выполняют с неявно выраженными полюсами (изо, 6).
Сердечники роторов с неявно выраженными полюсами обычно изготовляют из цельных поковок, на поверхности которых фрезеруются пазы. После укладки обмоток возбуждения на роторе пазы его забиваются клиньями, а лобовые соединения обмотки возбуждения укрепляются стальными бандажами, помещенными на торцовых частях ротора. При такой конструкции ротора допускаются большие частоты вращения.
Для генераторов с неявно выраженными полюсами первичными двигателями обычно являются паровые турбины, принадлежащие к числу быстроходных машин.

[estimata]

Работа синхронного генератора под нагрузкой

Если синхронный генератор не нагружен, т. е. работает вхолостую, то тока в обмотках статора нет. Магнитный поток полюсов, созданный током возбуждения, индуктирует в трехфазной обмотке статора эдс.
При нагрузке генератора по обмотке статора протекает ток.

При симметричной нагрузке токи в фазах обмотки статора равны и сдвинуты на 1/3 периода. Токи статора создают вращающееся магнитное поле, частота вращения которого n1 = 60f/p = n, т. е. магнитноe поле, созданное токами в обмотке статора, вращается синхронно с магнитным полем полюсов.

В обмотке статора синхронного генератора создается эдс, величина которой зависит от магнитного потока полюсов.
Если магнитный поток полюсов очень мал, то и эдс также мала. При увеличении магнитного потока возрастает и эдс машины. Таким образом, при постоянной частоте вращения ротора эдс пропорциональна магнитному потоку, который возбуждается постоянным током, протекающим по проводникам обмотки возбуждения.

Если повысить ток в обмотке возбуждения, то возрастет и магнитный поток полюсов, что вызовет увеличение эдс машины.
Следовательно, изменение тока в обмотке возбуждения вызывает соответствующее изменение эдс машины и позволяет регулировать напряжение на зажимах генератора.

При холостом ходе синхронного генератора напряжение равно эдс, индуктированной в обмотке статора.
При нагрузке генератора напряжение не равно эдс, так как в сопротивлении (активном и реактивном) обмотки статора возникает падение напряжения.
Кроме того, токи, проходящие по обмоткам статора, создают поток реакции якоря, который воздействует на поток полюсов, так что при нагрузке магнитный поток не будет равен магнитному потоку полюсов при холостой работе генератора.
Поэтому изменение нагрузки, т. е. тока в статоре генератора, будет вызывать изменение напряжения на зажимах генератора в случае, если ток в обмотке возбуждения остается неизменным.

На (изо,а) изображены внешние характеристики синхронного генератора при активной и реактивной нагрузках. Эти характеристики показывают зависимость напряжения на зажимах генератора от тока нагрузки при неизменных частоте вращения ротора и токе возбуждения.
Различный вид этих характеристик при активной, индуктивной и емкостной нагрузках объясняется неодинаковым воздействием поля реакции якоря на магнитный поток полюсов.



Для нормальной работы любого приемника электрической энергии требуется постоянное напряжение сети.
Чтобы обеспечить постоянное напряжение сети при изменении нагрузки в синхронном генераторе, изменяют и ток возбуждения.
Зависимость, показывающая, каким образом необходимо изменить ток в обмотке возбуждения для того, чтобы при изменении нагрузки генератора напряжение на его зажимах оставалось неизменным, называется регулировочной характеристикой
(изо, б).

При активной нагрузке увеличение тока в статоре вызывает незначительное понижение напряжения, так как реакция якоря уменьшает магнитный поток в малой степени.
При этой нагрузке требуется незначительно увеличить ток возбуждения для обеспечения постоянства напряжения.
При индуктивной нагрузке создается размагничивающее поле реакции якоря, уменьшающее поток полюсов. Поэтому, для постоянства напряжения (т. е. для постоянства результирующего магнитного потока) необходимо в большей мере увеличить ток возбуждения для компенсации размагничивающего поля реакции якоря.

При емкостной нагрузке происходит усиление магнитного поля и для постоянства напряжения следует уменьшить ток возбуждения при увеличении тока в статоре.

Наиболее часто синхронные генераторы работают на общую мощную сеть электростанции или энергосистемы. Напряжение такой сети Uc и частота тока в ней неизменны. Эдс генератора eг равна и пpотивоположна напряжению сети ег = - uс.

Результирующее магнитное поле Фр статора, вращающееся с частотой
n1 = 60f/p в пространстве, опережает напряжение Ег на 90° (изо).

При неизменном напряжении сети Uc амплитуда магнитного потока Фр результирующего магнитного поля статора также неизменна.

При активной нагрузке генератора ток статора I совпадает по фазе с напряжением Uг. Поток реакции якоря Фя совпадает по фазе с током I, так что вектор тока в статоре I в другом масштабе определит вектор Фя. Результирующий магнитный поток создается действием потока полюсов Фm и потока реакции якоря Фя и может быть представлен геометрической суммой этих магнитных потоков.



Изменение тока возбуждения генератора не вызывает изменения его активной мощности, так как мощность, потребляемая им от первичного двигателя, остается неизменной (вращающий момент первичного двигателя и частота вращения постоянны).

Поэтому активная составляющая тока статора постоянна и конец вектора I (Фя) находится на прямой АВ, параллельной горизонтальной оси.
Если увеличить ток возбуждения, то возрастет поток полюсов Фm`, вектор которого находится между прямой АВ и концом неизменного вектора Фр.
В этом случае изменится как по величине, так и по направлению вектор I` и Фя`, т. е. ток окажется отстающим по фазе от напряжения генератора.

При уменьшении тока возбуждения уменьшится также и поток полюсов Фm", что приведет к изменению тока в статоре I" (Фя") как по величине, так и по фазе.

Таким образом, изменение тока возбуждения генератора, работающего на мощную сеть, вызывает изменение реактивной составляющей тока в статоре, т. е. изменяет реактивную мощность, вырабатываемую генератором.

Для изменения активной мощности необходимо изменить вращающий момент первичного двигателя, приводящего во вращение ротор синхронного генератора.
Под действием вращающего момента первичного двигателя М1 ротор машины с помещенными на нем полюсами приводится во вращение с частотой вращения
в минуту n.
Результирующее поле статора вращается в том же направлении с частотой
n1 = n (изо, а).
Следовательно, поле полюсов Фm и результирующее поле статора Фр вращаются синхронно, оставаясь неподвижными друг относительно друга, и между этими полями устанавливается взаимодействие. В результате создается электромагнитный тормозной момент Мэ, уравновешивающий момент первичного двигателя.

При равновесии моментов M1 = Mэ угол между осями магнитных полей остается неизменным.
Если увеличить момент первичного двигателя M1` (изо, 6), то он окажется больше тормозного, и ротор, получив некоторое ускорение, начнет перемещаться относительно поля статора, вращающегося с постоянной частотой n1 = 60f/p (частота тока сети f постоянна).
При этом угол между осями магнитных полей ротора и статора 1 возрастет, увеличивая тормозной электромагнитный момент Мэ`так, что вновь восстановится равновесие моментов, т. е. M1`= Мэ`.



Для включения генератора в сеть необходимо:
одинаковое чередование фаз в сети и генераторе;
равенство напряжения сети и эдс генератора;
равенство частот эдс генератора и напряжения сети;
включать генератор в тот момент, когда эдс генератора в каждой фазе направлена встречно напряжению сети.

Невыполнение этих условий ведет к тому, что в момент включения генератора в сеть возникают токи, которые могут оказаться большими и вывести из строя генератор.

При включении генераторов в сеть используют специальные устройства - синхроноскопы.
Простейшим синхроноскопом три лампы накаливания, включаемые между зажимами генератора и контактами сети. Лампы должны быть рассчитаны на двойное напряжение сети и до включения генератора будут одновременно загораться и погасать.

В момент, когда эдс генератора равна и направлена встречно напряжению сети, лампы погаснут, так как напряжение на каждой лампе равно нулю. При погасании ламп генератор включается в сеть.
До включения генератора в сеть эдс его измеряется вольтметром и регулированием тока возбуждения устанавливают ее, равной напряжению сети.
Частота эдс генератора регулируется изменением частоты вращения первичного двигателя.

[estimata]

Синхронные двигатели

Синхронный двигатель не имеет принципиальных конструктивных отличий от синхронного генератора. Так же как и в генераторе, на статоре синхронного двигателя помещается трехфазная обмотка, при включении которой в сеть трехфазного переменного тока будет создано вращающееся магнитное поле Фр, частота вращения в минуту которого n1 = 60f/p.

На роторе двигателя помещена обмотка возбуждения, включаемая в сеть источника постоянного тока. Ток возбуждения создает магнитный поток полюсов Фm. Вращающееся магнитное поле, полученное токами обмотки статора, увлекает за собой полюсы ротора.
При этом ротор может вращаться только синхронно с полем, т. е. с частотой, равной частоте вращения поля статора. Таким образом, частота вращения синхронного двигателя строго постоянна, если неизменна частота тока питающей сети.

Основным достоинством синхронных двигателей является возможность их работы с потреблением опережающего тока, т. е. двигатель может представлять собой емкостную нагрузку для сети. Такой двигатель повышает cos φ всего предприятия, компенсируя реактивную мощность других приемников энергии.
Так же как и в генераторах, в синхронных двигателях изменение реактивной мощности, т. е. изменение cos φ, достигается регулированием тока возбуждения. При некотором токе возбуждения, соответствующем нормальному возбуждению, cos φ= 1. Уменьшение тока возбуждения вызывает появление отстающего (индуктивного) тока в статоре, а при увеличении тока возбуждения (перевозбужденный двигатель) - опережающего (емкостного) тока в статоре.

Достоинством синхронных двигателей даляется также меньшая, чем у асинхронных, чувствительность к изменению напряжения питающей сети. У синхронных двигателей вращающий момент пропорционален напряжению сети в первой степени, тогда как у асинхронных - квадрату напряжения.
Вращающий момент синхронного двигателя создается в результате взаимодействия магнитного поля статора с магнитным полем полюсов. От напряжения питающей сети зависит только магнитный поток поля статора.
Синхронные двигатели выполняют преимущественно с явно выраженными полюсами, и работают они в нормальном режиме с опережающим током при cos φ= 0,8.

Возбуждение синхронные двигатели получают либо от возбудителя, либо от сети переменного тока через полупроводниковые выпрямители.
Пуск в ход синхронного двигателя непосредственным включением его в сеть невозможен, так как при включении обмотки статора в сеть создается вращающееся магнитное поле, а ротор в момент включения неподвижен.

Поэтому для пуска в ход двигателя необходимо предварительно довести частоту вращения ротора до синхронной частоты или близкой к ней.

В настоящее время исключительное применение имеет так называемый асинхронный пуск синхронных двигателей, сущность которого заключается в следующем.

В полюсных наконечниках ротора синхронного двигателя уложена пусковая обмотка, выполненная в виде беличьего колеса, наподобие короткозамкнутой обмотки ротора асинхронной машины. Обмотка статора двигателя включается в трехфазную сеть, и пуск его производится так же, как и пуск асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором.
После того как двигатель разовьет частоту, близкую к синхронной (примерно 95%), обмотка возбуждения включается в ceть постоянного тока и двигатель входит в синхронизм, т. е. частота ротора увеличивается до синхронной.

При пуске в ход двигателя обмотка возбуждения замыкается на сопротивление, примерно в 10—12 раз большее сопротивление самой обмотки. Нельзя обмотку возбуждения при пуске в ход оставить разомкнутой или замкнуть накоротко.
Если при пуске в ход обмотка возбуждения окажется разомкнутой, то в ней будет индуктироваться очень большая эдс, опасная как для изоляции обмотки, так и для обслуживающего персонала.

Создание эдс большой величины объясняется тем, что при пуске в ход поле статора вращается с большой частотой относительно неподвижного ротора и с большой частотой пересекает проводники обмотки возбуждения, имеющей число витков.

Работа синхронной машины с потреблением из сети переменного тока дает возможность использовать ее в качестве компенсатора.
Компенсатором является синхронный двигатель, работающий без нагрузки и предназначенный для повышения соs предприятия.

Конструктивно компенсатор отличается от синхронного двигателя незначительно. Компенсатор не несет механической нагрузки, поэтому его вал и ротор легче, а воздушный зазор меньше, чем у двигателя.
Основным недостатком синхронных двигателей является потребность в источнике как переменного, так и постоянного тока.
Потребность в источнике постоянного тока для питания обмотки возбуждения синхронного двигателя делает его крайне неэкономичным при небольших мощностях.

Поэтому при малых мощностях синхронные двигатели с возбуждением постоянным током не находят применения и рассмотреть, на примере, мы их не сможем.

[estimata]

Принцип действия и устройство генератора постоянного тока


Принцип действия и устройство генератора постоянного тока

Простейшим генератором является виток, вращающийся в магнитном поле полюсов N и S. В таком витке индуктируется переменная во времени эдс.
Поэтому при соединении концов витка с контактными кольцами, вращающимися вместе с витком, в нагрузке через неподвижные щетки протекает переменный ток, т. е. такая машина является генератором переменного тока.

Для преобразования переменного тока в постоянный применяют коллектор, принцип действия которого состоит в следующем. Концы витка 1 (изо) присоединены к двум медным полукольцам (сегментам), называемым коллекторными пластинами.
Пластины жестко укреплены на валу машины и изолированы как друг от друга, так и от вала. На пластинах помещены неподвижные щетки 2 и 3, электрически соединенные с приемником энергии.



При вращении витка коллекторные пластины также вращаются, вместе с валом машины и каждая из неподвижных щеток 2 и 3 соприкасается то с одной, то с другой пластиной.
Щетки на коллекторе, установлены так, чтобы они переходили с одной пластины на другую в тот момент, когда эдс, индуктируемая в витке, была равна нулю.
В этом случае при вращении якоря в витке индуктируется переменная эдс, изменяющаяся синусоидально при равномерном распределении магнитного поля, но каждая из щеток соприкасается с той коллекторной пластиной и соответственно с тем из проводников, который в данный момент находится под полюсом определенной полярности.
Следовательно, эдс на щетках 2 и 3 знака не меняет, и ток по внешнему участку замкнутой электрической цепи проходит в одном направлении от щетки 2 через сопротивление R к щетке 3. Однако несмотря на неизменность направления эдс во внешней цепи величина ее меняется во времени, т. е. получена не постоянная, а пульсирующая эдс. Ток во внешней цепи будет также пульсирующим.
Если поместить на якоре два витка под углом 90° один к другому и концы этих витков соединить с четырьмя коллекторными пластинами, то пульсация эдс и тока во внешней цепи значительно уменьшится. При увеличении числа коллекторных пластин пульсация быстро уменьшается и при большом числе коллекторных пластин эдс и ток практически постоянны.

На изо, б показан общий вид машины постоянного тока. Неподвижная часть является индуктирующей, т. е. создающей магнитное поле, а вращающаяся часть - индуктируемой (якорем).
Неподвижная часть машины (изо, а) состоит из главных полюсов 1, дополнительных полюсов 2 и станины 3. Главный полюс представляет собой электромагнит, создающий магнитный поток.



Он состоит из сердечника 4, обмотки возбуждения 6 и полюсного наконечника 7. Полюсы крепятся на станине 3 с помощью болта 5.
Сердечник полюса отливается из стали и имеет поперечное сечение овальной формы. На сердечнике полюса помещена катушка обмотки возбуждения, намотанная из изолированного медного провода. Катушки всех полюсов соединяются последовательно, образуя обмотку возбуждения.

Ток, проходящий по обмотке возбуждения, создает магнитный поток. Полюсный наконечник удерживает обмотку возбуждения на полюсе и обеспечивает равномерное распределение магнитного поля под полюсом.
Полюсному наконечнику придают такую форму, при которой воздушный зазор между полюсами и якорем одинаков по всей длине полюсной дуги.

Добавочные полюсы имеют также сердечник и обмотку. Добавочные полюсы расположены между главными полюсами, и число их может быть либо равным числу главных полюсов, либо вдвое меньшим. Добавочные полюсы устанавливают в машинах больших мощностей; они служат для устранения искрения под щетками.

В машинах малых мощностей добавочных полюсов обычно нет.
Станину отливают из стали; она является остовом машины. На станине крепят главные и добавочные полюсы, а также на торцовых сторонах ее - боковые щиты с подшипниками, удерживающими вал машины.



Якорь машины постоянного тока:
а) - общий вид, б) - щетка и щеткодержатель;
1 - сердечник, 2 - обмотка, 3 - коллектор, 4 - щетка, 5 - пружина

Вращающаяся часть машины (якорь) (изо, а) состоит из сердечника 1, обмотки 2 и коллектора 3. Сердечник якоря представляет собой цилиндр, собранный из листов электротехнической стали. Листы изолируются друг от друга лаком или бумагой для уменьшения потерь на вихревые токи. Стальные листы штампуют на станках по шаблону; они имеют пазы, в которых укладываются проводники обмотки якоря.

В теле якоря делают воздушные каналы для охлаждения обмотки и его сердечника. Обмотка тщательно изолируется от сердечника и закрепляется в пазах деревянными клиньями.
Лобовые соединения укрепляются стальными бандажами. Все секции обмотки, помещенные на якоре, включаются между собой последовательно, образуя замкнутую цепь, и присоединяются к коллекторным пластинам.

Коллектор представляет собой цилиндр, состоящий из отдельных пластин. Коллекторные пластины изготовляют из твердотянутой меди и изолируют между собой и от корпуса прокладками из миканита. Для крепления на втулке коллекторным пластинам придают форму «ласточкина хвоста», который зажимается между выступом на втулке и шайбой, имеющими форму, соответствующую форме пластины. Шайба крепится к втулке болтами.

Коллектор является наиболее сложной в конструктивном отношении и наиболее ответственной в работе частью машины. Поверхность коллектора должна быть строго цилиндрической во избежание биения и искрения щеток.

Для соединения обмотки якоря с внешней цепью на коллекторе помещают неподвижные щетки, которые могут быть графитными, угольно-графитными или бронзо-графитными. В машинах высокого напряжения применяют графитные щетки, имеющие большое переходное сопротивление между щеткой и коллектором, в машинах низкого напряжения — бронзо-графитные щетки.

Щетки помещают в особых щеткодержателях (изо, б). Щетка 4, помещенная в обойме щёткодержателя, прижимается пружиной 5 к коллектору.
На щеткодержателе может находиться несколько щеток, вкл параллельно.
Щеткодержатели помещаются на щеточных болтах-пальцах, которые, в свою очередь, закреплены на траверсе.
Щеточные пальцы изолируются от траверсы изоляционными шайбами и втулками. Число щеткодержателей обычно равно числу полюсов.

Траверса устанавливается на подшипниковом щите в машинах малой и средней мощности или прикрепляется к станине в большой мощности. Траверсу можно поворачивать и этим изменять положение щеток относительно полюсов.

Обычно траверса находится в таком положении, при котором расположение щеток в пространстве совпадает с расположен главных полюсов.

[estimata]

Обмотки якорей и эдс машины постоянного тока

Обмотки якорей машины постоянного тока изготовляют из изолированных медных проводов, а в машинах больших мощностей - из шин прямоугольного поперечного сечения; обмотки выполняются замкнутыми.

При изготовлении обмотки из шин прямоугольного поперечного сечения (стержней) каждая секция может состоять из двух активных проводов (одновитковая секция). Из изолированного медного провода секции обмоток изготовляют в виде катушек с определенным числом витков (многовитковые секции).

В машинах постоянного тока наиболее широкое применение находят двухслойные обмотки, у которых в пазах якоря активные части секций размещаются в два слоя.
Каждая секция обмотки состоит из двух активных сторон, отстоящих друг от друга на расстоянии, близком к полюсному делению τ, т. е. расстоянию между осями соседних разноизменных полюсов.
При таком расстоянии между активными проводниками (шаге обмотки) эдс, индуктированные в этих проводниках, будут направлены в одну сторону и эдс секции будет иметь наибольшее значение, так как эдс ее активных сторон складываются (изо).



Одна активная часть секции находится в верхнем слое паза, другая - в нижнем.
При изображении развернутых схем обмоток активные стороны, лежащие в верхнем слое паза, изображаются сплошной линией, а стороны нижнего слоя - прерывистой. Концы секции соединяются как с другими секциями обмотки, так и с коллекторными пластинами.

Секции, образующие обмотки, соединяются между собой так, чтобы индуктированные в них эдс были направлены согласно, т. е. в одну сторону. Для этого начальные (конечные) проводники последовательно соединенных секций должны находиться в любой момент под полюсами одинаковой полярности.

В зависимости от порядка соединения секций друг с другом обмотки могут быть параллельными (петлевыми) и последовательными (волновыми).



На изо показана (толстой синей линией) одновитковая (а) и многовитковая (б) секции параллельной обмотки, состоящие из активной части верхнего слоя паза 1 и нижнего слоя паза 1 + y1.
В этих обмотках последовательно соединяются между собой секции начальные (конечные), активные стороны которых находятся под одним полюсом в расположенных рядом пазах.

Таким образом, концы секции параллельной обмотки присоединяются к двум соседним коллекторным пластинам (1' и 2'), причем в многовитковых секциях к пластине 1' подключается начало первого витка, а к пластине 2' - конец последнего витка, соединяемый с началом следующей секции.

Любая коллекторная пластина (например, 1') соединяется с двумя активными проводами, в каждом из которых проходит ток одной параллельной ветви обмотки iя так что между .двумя щетками различной полярности обмотка образует две параллельные ветви.

При параллельных обмотках число щеток должно быть,всегда равно числу полюсов 2p и, следовательно, число параллельных ветвей 2а в этих обмотках равно числу полюсов,
т. е. 2а = 2р (а = р).
При большом числе полюсов параллельная обмотка образует много параллельных ветвей, что дает возможность понизить ток в одной ветви и уменьшает поперечное сечение провода обмотки.
В последовательных обмотках начальные (конечные) активные провода секций находятся под различными полюсами одинаковой полярности (следующее изо).

Активные стороны первой секции находятся под полюсами N1 и S1.
Активные стороны второй секции, последовательно соединенной с первой, находятся под полюсами N2 и S2, третьей секции — под полюсами N3 и S3 и т. д.

После включения всех секций по окружности якоря соединяется верхний проводник
пары n - 1, лежащей рядом (обычно слева) с проводником пары n, от которого начали обход обмотки.
Последовательно с верхним проводником пары n - 1 включаем проводники, лежащие под полюсами S1, N2, S2 и т. д., по окружности якоря, и заканчиваем проводником, лежащим рядом с проводником n - 1.
Затем вновь соединяем пары проводников, находящиеся под различными полюсами по окружности якоря и т. д., пока все проводники не окажутся включенными в замкнутую цепь.



Вне зависимости от числа полюсов простая последовательная обмотка образует две параллельные ветви, т. е. 2а = 2. Поэтому при любом числе полюсов машина может иметь только две щетки, если обмотка якоря последовательная, причем эти щетки должны помещаться на расстоянии 1/2р части окружности коллектора.
Например, при р = 2 расстояние между щетками должно быть равно четверти окружности коллектора. Это дает возможность делать доступной для осмотра не всю окружность коллектора, а только ее часть.
Наличие только двух параллельных ветвей свидетельствует о том, что в каждой ветви последовательно соединяется большое число активных проводов и эдс машины может иметь большое значение.
Поэтому последовательные обмотки находят применение для машин высокого напряжения.

В проводнике, перемещающемся в магнитном поле в направлении, перпендикулярном направлению магнитных линий этого поля создаётся эдс, равная е = Blv,
где В - среднее значение магнитной индукции,Т;
l - длина проводника, м;
v - скорость перемещения проводника, м/с.

На якоре машины укладывается большое число активных ликов, которое обозначим буквой N. В каждой параллельной ветви обмотки будет последовательно включено N/2a активных проводника.
Таким образом, эдс машины E = N/2ae = N/2aBlv.
Скорость перемещения проводников в магнитном поле v = 2рτ(n/60),
где 2р - число полюсов машины; τ - полюсное деление; т.е., расстояние между осями разноименных полюсов; n - частота вращения якоря машины в минуту.

Имея в виду, что произведение среднего значения магнитной индукции В на осевую длину полюса l и на полюсное деление τ представляет собой магнитный поток одного полюса
Ф = Вlт, получим для эдс машины следующее выражение:
E = ((pN)/(60a))nФ.

Для каждой машины величины р, N и а постоянны, так что отношение (pN)/(60a) представляет собой величину, постоянную для данной машины.
Следовательно, эдс машины постоянного тока определяется следующим выражением:
Е = СnФ, т.е. эдс машины постоянного тока равна произведению постоянной конструктивной величины С на частоту вращения якоря в минуту n и магнитный поток полюсов Ф.
Это выражение показывает, что для изменения эдс (или напряжения) машины необходимо изменить либо частоту вращения якоря, либо магнитный поток полюсов.

Так как изменение частоты вращения двигателя, приводящего в движение генератор, связано со значительными сложностями, то на практике регулировку эдс и напряжения производят изменением магнитного потока, который зависит от тока в обмотке возбуждения. В цепь обмотки возбуждения включают реостат для изменения тока возбуждения.

[estimata]

Магнитное поле машины постоянного тока при нагрузке

При холостом ходе машины тока в якоре нет и магнитное поле создается намагничивающей силой полюсов. Оно симметрично относительно оси полюсов и распределяется равномерно в воздушном зазоре (изо, а).

Предположим, что щетки установлены на геометрической нейтрали, т. е. на линии, проходящей через центр якоря и перпендикулярной оси полюсов.
При нагрузке машины в обмотке якоря протекает ток, который создает свое магнитное поле, которое, воздействуя на магнитное поле полюсов, изменяет и искажает его, т. е. по магнитной цепи замкнется результирующий магнитный поток Фр под действием намагничивающих сил полюсов и якоря.



Результирующий магнитный поток Фр не равен потоку полюсов Фm при холостом ходе. Воздействие поля, созданного током в якоре при нагрузке машины, на магнитное поле полюсов называется реакцией якоря.

Если по проводникам обмотки якоря невозбужденной машины пропустить от постороннего источника такой ток, который протекал бы при нагрузке машины, то будет создано магнитное поле якоря (изо, б). Это поле якоря замкнется в направлении, перпендикулярном оси полюсов, и называется поперечным полем реакции якоря.

Магнитодвижущая сила якоря под одним краем полюса (под набегающим для генератора и под сбегающим для двигателя) направлена встречно магнитодвижущей силе полюсов, а под другим краем полюса (под сбегающим для генератора и под набегающим для двигателя) согласно магнитодвижущей силе полюсов. Следовательно, под одним краем полюса происходит уменьшение, а под другим - увеличение магнитной индукции.
Таким образом, при нагрузке машины результирующее магнитное поле будет несимметрично относительно оси полюсов (изо, в), т. е. поперечное поле реакции якоря перераспределяет магнитное поле полюсов, ослабляя его под одним краем и усиливая под другим. Поле реакции якоря также смещает физическую нейтраль,
т. е. линию, проходящую через центр якоря и перпендикулярную мдс результирующего магнитного поля.

[estimata]

Коммутация тока.

Под коммутацией понимают переключение секции из одной ветви обмотки в другую и происходящее при этом изменение направления тока в ней.



При вращении якоря машины коллекторные пластины поочередно соприкасаются со щетками, так что в определенные промежутки времени секция или несколько секций замыкаются щеткой. Поскольку переходное сопротивление между щеткой и коллекторной пластиной сравнительно мало, то замыкание секций близко к их короткому замыканию.
На изо, а показана коммутируемая секция простой параллельной обмотки. В этой секции протекает ток одной параллельной ветви:
Iя = I/2а, где I - ток нагрузки; 2а - число параллельных ветвей обмотки.

При вращении якоря его обмотка и коллектор перемещаются относительно неподвижной щетки справа налево. В некоторый момент, соответствующий началу коммутации, щетка соприкасается с коллекторной пластиной 1, соединенной с двумя проводами обмотки, в каждом из которых проходит ток одной параллельной ветви.

Таким образом, через коллекторную пластину и щетку проходит ток, равный сумме токов двух параллельных ветвей 2iя. В выделенной нами секции ток равен току одной параллельной ветви и в данный момент направлен против часовой стрелки.
В дальнейшем при вращении якоря щетка будет соприкасаться с коллекторными пластинами 1 и 2, замыкая рассматриваемую нами секцию (изо, б).

В определенный момент щетка полностью перейдет на коллекторную пластину 2, и ток в этой секции изменит направление на обратное (изо, в), т. е. секция переключится из одной параллельной ветви в другую.
Время переключения секции, называемое периодом коммутации, мало, и за это время в секции ток изменяется от + iя до - iя.
При изменении тока в секции создается эдс самоиндукции, которая может достигать сравнительно больших значений.

Кроме того, поскольку процесс коммутации происходит одновременно в нескольких секциях под всеми щетками, то в каждой секции создаются эдс взаимоиндукции.
Эдс самоиндукции и взаимоиндукции, называемые реактивными эдс, препятствуя изменениям тока, вызывают неравномерное распределение плотности тока под щеткой, что является причиной образования искрения, которое особенно интенсивно в момент размыкания щеткой секции обмотки.

Чрезмерная плотность тока при наличии разности потенциалов между щеткой и коллектором приводит к образованию дугового разряда, который ионизирует тончайшие слои воздуха, находящегося между щеткой и коллектором и способствует развитию дуги.
Дуга может перейти к щетке другой полярности, образовав круговой огонь на коллекторе, и это приведет к повреждению последнего.
Искрение щеток может быть также вызвано рядом других причин: неровностью поверхности коллектора, биением щеток, загрязненностью поверхности коллектора, наличием влаги на, ней и т. д.
Даже незначительное искрение щеток нежелательно, так как увеличивается износ щеток и коллектора и повышается нагрев последнего вследствие увеличения переходного сопротивления между щеткой и коллектором.

Наиболее эффективным способом улучшения коммутации является компенсация реактивных эдс. Для этого в зоне коммутации, в которой находятся активные стороны коммутируемых секций, необходимо создать такое внешнее магнитное поле, при котором индуктируемая в секциях эдс вращения ev будет равна и противоположна реактивной эдс еr, т. е. ev = - er.
Для создания такого внешнего магнитного поля устанавливают дополнительные полюсы NK и SК, размещая их между главными полюсами.
Если якорь (изо) вращается каким-либо двигателем в направлениилении часовой стрелки, то в обмотке якоря индуктируется здс и при нагрузке проходит ток.

Направления эдс и тока в проводниках обмотки совпадают. На схеме выделены проводники 1 и 2 коммутируемой секции.
Реактивная эдс еr, препятствуя изменениям тока в коммутируемой секции, будет направлена в проводниках 1 и 2 встречно изменениям тока.

Для компенсации реактивной эдс в проводниках 1 и 2 нужно создать эдс вращения ev = - er,
для чего и установлены дополнительные полюсы NK и SК.


Полярность дополнительных полюсов в генераторах постоянного тока: 1 и 2 проводники

Таким образом, полярность дополнительного полюса в генераторе должна соответствовать полярности следующего за ним в направлении вращения якоря главного полюса.
В двигателе полярность дополнительного полюса должна соответствовать полярности предыдущего по направлению вращения якоря главного полюса.

Обмотку возбуждения дополнительных полюсов соединяют последовательно с обмоткой якоря для того, чтобы реактивная эдс была компенсирована при любой нагрузке машины.

Для этой же цели магнитная цепь дополнительных полюсов ненасыщена, т. е. между сердечником якоря и дополнительным полюсом создан сравнительно большой воздушный промежуток. Так как реактивная эдс пропорциональна току в якоре, то она компенсируется при любой нагрузке машины в том случае, если эдс вращения также пропорциональна току нагрузки.
Поэтому магнитное поле в зоне коммутации должно изменяться пропорционально току якоря.

[estimata]

Работа машины постоянного тока в режиме генератора.

Якорь генератора приводится во вращение каким-либо двигателем, развивающим вращающий момент М1. При перемещении проводников обмотки якоря в магнитном поле полюсов в них индуктируется эдс, направление которой определяется правилом правой руки (изо). Если якорь вращается с частотой в минуту n, то в его обмотке индуктируется эдс Е = СnФ.

Если обмотку якоря через щетки замкнуть на какой-либо приемник энергии Rн (сопротивление нагрузки), то через этот приемник и обмотку якоря будет проходить ток I, направление которого в обмотке якоря совпадает с направлением эдс.
В результате взаимодействия этого тока с магнитным полем полюсов создается электромагнитный момент Мэ, направление которого определяется правилом левой руки.
Таким образом, развиваемый машиной электромагнитный момент является тормозным, направленным встречно направлению вращения якоря машины, так что для вращения последнего первичный двигатель должен развивать вращающий момент М1 достаточный для преодоления электромагнитного тормозного момента, следовательно, машина потребляет механическую энергию.

В случае равновесия моментов, т. е. М1 = Мэ, якорь машины вращается с неизменной частотой.
При нарушении равновесия моментов частота вращения якоря начнет изменяться. Если почему-либо момент первичного двигателя уменьшится, т. е. станет меньше электромагнитного момента генератора (М1 < Мэ), вращение якоря машины начнет замедляться. При этом будет уменьшаться как эдс, так и ток в обмотке якоря, что понизит тормозной электромагнитный момент генератора.
В случае увеличения момента первичного двигателя (М1 > Мэ) частота вращения якоря, а также эдс и ток в его обмотке будут возрастать, что увеличит тормозной электромагнитный момент.
При нарушении равновесия моментов частота вращения якоря, эдс и ток в его обмотке претерпевают изменения до восстановления равновесия моментов, т. е. пока электромагнитный момент генератора не станет равным вращающему моменту первичного двигателя.

Таким образом, любое изменение момента первичного двигателя, т. е. потребляемой генератором мощности, вызывает соответствующее изменение как электромагнитного момента генератора, так и вырабатываемой им мощности.

Так же при изменениях нагрузки генератора потребуется соответствующее изменение момента первичного двигателя для поддержания постоянства частоты вращения якоря генератора.


Схема работы генератора постоянного тока

Ток обмотки якоря I при нагрузке генератора встречает на своем пути сопротивление внешней нагрузки Rн, сопротивление обмотки якоря Ro6 и сопротивление переходных контактов между щетками и коллектором Rщ.

Обозначив через Rя внутреннее сопротивление машины, представляющее собой сумму сопротивлений обмотки якоря и щеточных контактов(Ro6 + Rщ), для тока в якоре можем записать следующее выражение: I = E/(Rя+Rн).

Сопротивление Rщ непостоянно и зависит от многих факторов: величины и направления тока, состояния коллектора, силы нажатия щеток на коллектор, частоты вращения.
Падение напряжения в щеточных контактах остается примерно неизменным при изменениях нагрузки (принимается равным 2 В на пару угольных и графитных щеток). Поэтому внутреннее сопротивление машины Rя также непостоянно при изменении нагрузки генератора.

Так как IRn = U, где U - напряжение на зажимах генератора при нагрузке, то получим следующее уравнение равновесия эдс для генератора: U = E - IRя.

Из уравнения равновесия эдс легко получить уравнение мощностей,
т. е. UI = EI - IRя или Р2 = Рэ - I2Rя, где Р2 - полезная мощность генератора, отдаваемая потребителю электрической энергии; Рэ — внутренняя или электромагнитная мощность генератора, преобразованная им в электрическую;
I2Rя = Pоб — потери мощности в обмотке якоря и щеточных контактах.

При холостом ходе генератора электромагнитная мощность равна нулю (Рэ = 0), но для вращения якоря машины первичный двигатель должен затратить некоторую мощность Р0, расходуемую на покрытие потерь холостого хода.
Мощность Р0 складывается из механических потерь на трение в подшипниках и трение о воздух вращающихся частей машины РMex и из потерь в стали на гистерезис и вихревые токи Рст.

В генераторах с самовозбуждением мощность Р0 включает также мощность, затраченную на создание магнитного потока, т. е. на возбуждение машины.
При нагрузке генератора первичный двигатель затрачивает мощность
P1 = Pэ + P0.
Электромагнитный момент машины Мэ = Рэ/ω, где ω = 2πn/60 рад/с - угловая скорость якоря.

Так как Рэ = ЕI и E = (pN/60a)nФ, то электромагнитный момент машины определится следующим выражением: Мэ = (pN/2πa)IФ.

Величины а, р и N постоянны для данной машины, поэтому выражение
pN/2πa = К представляет собой некоторый постоянный для данной машины коэффициент, и электромагнитный момент равен: МЭ = КIФ, т. е. электромагнитный момент пропорционален произведению тока в якоре на магнитный поток полюсов.