2. Электромеханическое преобразование энергии

Электрические машины разделяют по назначению на два основных вида: электрические генераторы и электрические двигатели. Генераторы предназначены для выработки электрической энергии, а электродвигатели - для приведения в движение колесных пар локомотивов, вращения валов вентиляторов, компрессоров и т. п.

В электрических машинах происходит процесс преобразования энергии. Генераторы преобразуют механическую энергию в электрическую. Это означает, что для работы генератора надо вращать его вал каким-либо двигателем. Электрические двигатели, наоборот, преобразуют электрическую энергию в механическую. Поэтому для работы двигателя его надо соединить проводами с источником электрической энергии.

Принцип действия любой электрической машины основан на использовании явлений электромагнитной индукции и возникновения электромагнитных сил при взаимодействии проводников с током и магнитного поля. Эти явления имеют место при работе как генератора, так и электродвигателя.

Рис. 122. Принципиальная схема генератора с параллельным возбуждением (а) и внешние характеристики генераторов с независимым и параллельным возбуждением (б)

3. Конструкция и принцип действия однофазного трансформатора

Трансформатор - статическое электромагнитное устройство, предназначенное для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток той же частоты, но другого напряжения. Условно - графическое обозначение однофазного трансформатора.

Однофазный трансформатор состоит из двух обмоток и магнитопровода (сердечника). Обмотки трансформатора выполняют из медных или алюминиевых обмоточных проводов круглого или прямоугольного сечения. Обмотка, подключаемая к источнику питания, называется первичной, а к нагрузке - вторичной. Назначение обмоток - создание электромагнитных полей. У трансформатора различают обмотку высшего напряжения ВН (рассчитана на высокое напряжение) и обмотку низшего напряжения НН (рассчитана на низкое напряжение). Обмотка высшего напряжения имеет большее количество витков, выполняется из более тонкого провода, у нее большее сопротивление, в ней протекает меньший ток. Обмотка низшего напряжения имеет меньшее количество витков, выполняется из более толстого провода, у нее меньшее сопротивление, в ней протекает больший ток. По взаимному расположению обмотки разделяют на концентрические и чередующиеся. Концентрические обмотки выполняют в виде цилиндров (рис. 4.4); ближе к стержню располагают обмотку низшего напряжения (НН), а наружу – обмотку высшего напряжения(ВН).

Концентрические обмотки бывают:

1. цилиндрические

2. винтовые

3. непрерывные

Чередующиеся (дисковые) обмотки (рис.4.5) выполняются в виде отдельных секций (дисков). Обмотки НН и ВН чередуются. Применяются редко для трансформаторов специального назначения.

М агнитопровод (сердечник) имеет шихтованную конструкцию, состоит из тонких (толщиной 0,3 – 0,5 мм) стальных пластин, покрытых с двух сторон изолирующей пленкой. Назначение магнитопровода:

- усиливать магнитную связь между обмотками;

- для установки крепления обмоток, отводов, переключателей.

Принцип действия трансформатора основан на явлении электромагнитной индукции. Это явление возникновения ЭДС в проводнике или контуре под действием магнитного поля.

П ри включении первичной обмотки в цепь с переменным напряжением по ней начнет протекать переменный ток, который создаст вокруг обмотки переменное магнитное поле. Это поле пронизывает витки первичной обмотки и наводит в ней ЭДС самоиндукции e₁=-w₁(dФ/dt). Основная часть созданного магнитного потока будет замыкаться по сердечнику, пронизывать витки вторичной обмотки и создавать в ней ЭДС взаимоиндукции e₂=-w₂(dФ/dt). При подключении нагрузки к вторичной обмотке в ней будет протекать переменный ток.

Действующие значения ЭДС в первичной и вторичной обмотках соответственно будут равны:

Е₁=4,44w₁f₁Ф_м.

Е₂=4,44w₂f₂Ф_м.

Отношение ЭДС первичной обмотки к ЭДС вторичной обмотки называется коэффициентом трансформации:

К= Е₁/Е₂= w₁/ w₂.

В режиме холостого хода коэффициент трансформации можно определить, как К= U₁/U₂, т.к. ток во вторичной обмотке отсутствует, следовательно, падения напряжения на обмотке нет, и можно считать, что U₂≈ Е₂.

В первичной обмотке протекает небольшой ток холостого хода, поэтому можно считать, что U₁≈ Е₁.

Магнитный поток трансформатора в процессе работы трансформатора (в пределах от холостого хода до номинальной нагрузки) остается практически неизменным и его величина определяется током ХХ трансформатора.

Изменения магнитного потока, возникающие при изменении нагрузки, будут скомпенсированы изменением магнитного потока вторичной обмотки, который согласно закону Ленца направлен встречно магнитному потоку первичной обмотки.

Пренебрегая током холостого хода, коэффициент трансформации приблизительно можно определить как

К≈ I₂/ I₁.

Зависимость вторичного напряжения U2 трансформатора от тока нагрузки I2 называется внешней характеристикой трансформатора.

Вид внешней характеристики зависит от характера нагрузки трансформатора (рис.4.6)

Рис. 4.6