Идеализированный трансформатор

Идеальный трансформатор — трансформатор, у которого отсутствуют потери энергии на гистерезис и вихревые токи и потоки рассеяния обмоток. В идеальном трансформаторе все силовые линии проходят через все витки обеих обмоток, и поскольку изменяющееся магнитное поле порождает одну и ту же ЭДС в каждом витке, суммарная ЭДС пропорциональна полному числу её витков. Такой трансформатор всю поступающую энергию из первичной цепи трансформирует в магнитное поле и затем в энергию вторичной цепи. Поступающая энергия равна преобразованной энергии:

Где

 — мгновенное значение поступающей на трансформатор мощности

 — мгновенное значение преобразованной трансформатором мощности

уравнение идеального трансформатора:

Пассивный и активный двухполюсники.

     Двухполюсником называется часть электрической цепи любой сложности и произвольной конфигурации, выделенная относительно двух зажимов.     Двухполюсник, не содержащий источников энергии или содержащий скомпенсированные источники, называется пассивным. Если в схеме двухполюсника имеются нескомпенсированные источники, он называется активным. Рис. 1.14. Пассивный (а) и активный (б) двухполюсники     Пассивный двухполюсник является потребителем энергии и может быть заменен эквивалентным сопротивлением, величина которого равна входному сопротивлению двухполюсника .

     Активный двухполюсник ведет себя как генератор. Находящиеся внутри него источники отдают энергию во внешнюю цепь (рис. 1.16, а).    Рис. 1.16. Замена активного двухполюсника эквивалентным генератором

    откуда 

   любой активный двухполюсник может быть заменен эквивалентным генератором, ЭДС которого Е(Э) равна напряжению холостого хода двухполюсника, а внутреннее сопротивление R(Э)напряжению холостого хода, деленному на ток короткого замыкания.

Оптытом холостого хода -испытание трансформатора при разомкнутой цепи вторичной обмотки и номинальном первичном напряжении U_1x=U_1ном.

Потери, возникающие при этом в магнитопроводе, называют магнитными и обозначают Р_м. А суммарные потери в режиме холостого хода называют потерями холостого хода и обозначают Р₀: Р₀ = Р_м + I²₀r₁, где r₁— активное сопротивление первичной обмотки. Особенностью потерь холостого хода являются их постоянство и независимость от режима нагрузки трансформатора.

Оптытом короткого замыкания- испытание трансформатора при короткозамкнутой цепи вторичной обмотки и номинальном первичном токе I_1k= I_1ном.

Активное сопротивление короткого замыкания R_k=(R_B1+R’_B2)=P_1k/I²_1k

Индуктивное сопротивление X_k= √(Z_2k - R_2k)

Полное сопротивление Z_k= √(R_k² + X_k²⁾

Напряжение короткого замыкания u_k = (Z_k I_1ном /U _1ном)*100%

24. Реальный однофазный трансформатор и схемы его замещения. Приведенные трансформаторы. Схемы замещения приведенного.

Трансформатор – статическое электромагнитное устройство, предназначенное для преобразования одних значений тока и напряжения и другие значения той же частоты. Он состоит из магнитопровода, набранного из листовой трансформаторной стали, и изолированных обмоток, охватываемых общим магнитным потоком.

Приведенным называют трансформатор, у которого w₂=w₁ и параметры вторичной обмотки пересчитаны таким образом, что мощность на каждом элементе вторичной цепи такая же, как и в реальном трансформаторе. Основной магнитный поток в приведенном и реальном трансформаторе одинаков. Следовательно, одинакова и ЭДС, приходящаяся на 1 виток вторичной обмотки.

э лектрическая схема замещения трансформатора. Определив параметры трансформатора z₁, z₂' и z_m, по схеме замещения проводить расчет основных величин и характеристик - токов, напряжений, мощности, КПД и коэффициента мощности.

z_m=R_m+ jx_m -сопротивление намагничивающего контура схемы замещения.

R_m= ΔP_м/I₀²- это условное активное сопротивление

x_m - это индуктивное сопротивление взаимоиндукции обмоток приведенного трансформатора.

Режимы работы трансформатора.

1. Режим холостого хода. режим характеризуется разомкнутой вторичной цепью трансформатора, вследствие чего ток в ней не течёт. С помощью опыта холостого хода можно определить КПД трансформатора, коэффициент трансформации, а также потери в сердечнике.

2. Нагрузочный режим. режим характеризуется работой трансформатора с подключенными источником в первичной и нагрузкой во вторичной цепи трансформатора.

3. Режим короткого замыкания. режим получается в результате замыкания вторичной цепи накоротко. С его помощью можно определить потери полезной мощности на нагрев проводов в цепи трансформатора.

КПД трансформатора:

,

P₀— потери холостого хода (кВт) при номинальном напряжении

P_L — нагрузочные потери (кВт) при номинальном токе

P₂— активная мощность (кВт), подаваемая на нагрузку

n — относительная степень нагружения (при номинальном токе n=1 ).

Потери электроэнергии в трансформаторе складываются из:

• потерь на нагревание обмоток трансформатора;

• потерь на нагревание сердечника;

• потери на перемагничивание сердечника.

Чем больше мощность трансформатора, тем выше КПД и ниже уровень потерь.

Зависимость напряжения на вторичной обмотке трансформатора от тока нагрузки U₂ = f(I₂) при U₁ = const и cos φ₂ = const называется внешней характеристикой.

Трехфазные трансформаторы.

Для трансформирования энергии в трехфазных системах используют либо группу из трех однофазных трансформаторов, у которых первичные и вторичные обмотки соединяются звездой или треугольником, либо один трехфазный трансформатор с общим магнитопроводом.

Соединение звездой является наиболее желательным для высокого напряжения, так как при нем изоляция обмоток рассчитывается лишь на фазное напряжение. Соединение обмоток треугольником конструктивно удобнее при больших токах.

25. назначение, устройство принцип действия асинхронного двигателя (АД). Двигатели с короткозамкнутым и фазным ротором. Приведенная схема замещения асинхронного двигателя. Асинхронная машина – это машина, в которой возбуждается вращающееся магнитное поле, но ротор вращается асинхронно, т.е. с частотой вращения, отличной от частоты вращения магнитного поля.

достоинство асинхронного двигателя – простота его конструкции и низкая стоимость. В машине отстутсвуют какие-либо легко провреждающиеся или быстро изнашивающиеся электрические части.

недостаток – сложное и неэкономичное регулирование режимов работы.

Статора-Это полый цилиндр собранный из листов электротехнической стали, изолированных друг от друга слоем лака. В пазах на внутренней стороне статора размещаются обмотки трех фаз.

Обмотки фаз соединяются между собой звездой или треугольником и подключаются к трехфазной сети.

Ротор-Это цилиндрический сердечник, собранный из листок электротехнической стали, изолированных друг от друга лаком. Сердечник ротора насажен на вал, закрепленный в подшипниках. В пазах сердечника ротора располагаются витки обмотки ротора. Различают ротор с короткозамкнутой обмоткой и фазный ротор.

Режимы работы.

Если частота вращения поля статора n₁, а частота вращения ротора n, то работу асинхронной машины можно характеризовать скольжением (относительная разность частот вращения магнитного поля и ротора). s=( n₁ - n)/ n₁.

В режиме двигателя (0 < s < 1) преобразует электрическую энергию в механическую. Ротор двигателя вращается в направлении вращения магнитного поля, с частотой меньше, чем частота вращения поля.

В режиме генератора ( s < 0 ). преобразует механическую энергию в электрическую.

В режиме электромагнитного тормоза ( s > 1) ротор вращается в направлении, противоположным направлению вращения магнитного поля, создаваемого токами в обмотках статора.

Рабочие характеристики - зависимости частоты вращения n, вращающего момента М_вр, коэффициента мощности cosφ₁ и КПД η двигателя от полезной механической мощности P₂ на его валу.

Нелинейность зависимости М_вр (P₂) объясняется уменьшением частоты вращения ротора с увеличением мощности P₂. Нелинейность зависимости cos φ₁(P₂) обусловлена тем, что активная составляющая тока двигателя пропорциональна его механической нагрузке, а реактивная индуктивная составляющая от нее практически не зависит. С увеличением нагрузки на валу двигателя коэф-т мощности cos φ_1x и скольжения увеличиваются S.

КПД асинхронного двигателя η= (P₂ / P₁) * 100% , где

Различают постоянную и переменную составляющие мощности потерь.

Мощность постоянных потерь равна сумме мощности потерь в сердечнике статора на гистерезис и вихревые токи и мощности механических потерь.

Мощность переменных потерь равна мощности потерь на нагрев проводов обмоток статора и ротора:

P_пр1 = 3R_в1I₁²

P_пр2 = m₂R_в2I₂²

Различают следующие способы пуска в ход асинхронных двигателей:

• прямое включение в цепь;

• пуск при пониженном напряжении;

• реостатный пуск.

Пусковые свойства асинхронного двигателя оцениваются его пусковыми характеристиками:

1. Величиной пускового тока I_п или его кратностью I_п/I_1н;

2. Величиной пускового момента М_п или его кратностью М_п/М_н;

3. Продолжительностью и плавностью пуска двигателя в ход;

4. Сложностью пусковой операции;

Прямое включение в сеть

На двигатель вручную или с помощью дистанционного управления подается номинальное напряжение. Прямое включение в сеть допускается, если мощность двигателя не превышает 5% от мощности трансформатора.

Пуск при пониженном напряжении

Для понижения подводимого к обмотке статора напряжения используют дроссели и понижающие автотрансформаторы. После пуска в ход на обмотку статора подается напряжение сети.

Понижение напряжения производят с целью уменьшения пускового тока, но одновременно происходит уменьшение пускового момента

Реостатный пуск асинхронных двигателей

Для реостатного пуска используют асинхронные двигатели с фазным ротором, в цепь ротора включается пусковой реостат. Реостатный пуск служит для увеличения пускового момента. Одновременно происходит уменьшение пускового тока двигателя.

26. синхронные машины. Режимы работы синхронных электрических машин. Синхронные генераторы и двигатели. Синхронная машина — это электрическая машина переменного тока, частота вращения ротора которой равна частоте вращения магнитного поля, создаваемого током статора, что является важнейшим эксплуатационным свойством. В основном синхронные машины применяются в качестве генераторов для выработки электрической энергии на электростанция.

Якорь представляет собой одну или несколько обмоток переменного тока. В двигателях токи, подаваемые в якорь, создают вращающееся магнитное поле, которое сцепляется с полем индуктора, и таким образом происходит преобразование энергии.

Индуктор состоит из полюсов — электромагнитов постоянного тока или постоянных магнитов. Индукторы синхронных машин имеют две различные конструкции:

• Явнополюсную;

• Неявнополюсную.

Принцип действия синхронного двигателя основан на взаимодействии вращающегося магнитного поля якоря и магнитного поля полюсов индуктора. Обычно якорь расположен на статоре, а индуктор — на роторе. В мощных двигателях в качестве полюсов используются электромагниты, в маломощных — постоянные магниты.

Режимы работы синхронной машины:

1. Режим двигателя. В двигательном режиме к обмотке статора синхронной машины подводят напряжение от трехфазной сети, в обмотке возникает переменный ток I.

К обмотке ротора через два контактных кольца и щетки подводят постоянный ток, который создает магнитный поток Ф_В.

2. Генераторный режим. Если к обмотке ротора подвести постоянный ток и ротор вращать первичным двигателем, то магнитный поток обмотки возбуждения Ф_В будет пересекать обмотку статора (якоря) и создавать в каждой ее фазе ЭДС.

Синхронные генераторы и двигатели

Синхронный генератор – это машина переменного тока, преобразовывающая какой-либо вид энергии в электрическую энергию.

При помощи первичного двигателя ротор-индуктор вращается. Магнитное поле находится на роторе и вращается вместе с ним, поэтому скорость вращения ротора равна скорости вращения магнитного поля. При вращении ротора магнитный поток полюсов пересекает статорную обмотку и наводит в ней ЭДС по закону электромагнитной индукции.

конструкция двигателя практически не отличается от конструкции синхронного генератора.

Характеристики синхронных двигателей и электрические схемы их включения.

В электрической системе большой мощности напряжение U=const и частота f=const. Поэтому значение электромагнитного момента М_эм и мощности P синхронного двигателя подключенного к такой системе, при постоянном токе возбуждения I_в=const зависят только от угла θ (θ – сдвиг фаз между векторами напряжения Ù и ЭДС Ė₀). Зависимости М_эм(θ) и P(θ) называются угловыми характеристиками синхронного двигателя.

Зависимость тока статора от тока возбуждения I(I_в) при постоянном тормозном моменте на валу М_тор = const называется U-образной характеристикой.

İ(I_в) = İ_p(I_в) = (-Ė₀ + Ù)/jX = ( Ù + jωψ₀ (I_в))/jX

Способы пуска синхронного электродвигателя

Возможны следующие способы пуска:

• асинхронный пуск на полное напряжение сети;

• пуск на пониженное напряжение через реактор или автотрансформатор.

Асинхронный пуск синхронного электродвигателя производится присоединением статора к сети. Двигатель разгоняется как асинхронный до скорости вращения, близкой к синхронной. В процессе асинхронного пуска обмотка возбуждения замыкается на разрядное сопротивление, чтобы избежать пробоя обмотки возбуждения при пуске, так как при малой скорости ротора в ней могут возникнуть значительные перенапряжения. При скорости вращения, близкой к синхронной, срабатывает контактор КМ, обмотка возбуждения отключается от разрядного сопротивления и подключается к якорю возбудителя. Пуск заканчивается.