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

у равнение 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.

Опытом 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.

Опытом 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 его схема замещения. Приведённые трансформаторы. Схема замещения приведённого однофазного трансформатора. Режимы работы трансформатора. Коэффициент полезного действия (КПД) и потери энергии, коэффициент нагрузки и внешняя характеристика трансформатора. Трёхфазные трансформаторы.

Однофазный трансформатор предназначен для создания переменного напряжения нужной величины для нагрузки, не нуждающейся в трехфазном электропитании. Любой трансформатор состоит из двух основных узлов: сердечника и катушек, их бывает не менее двух. Принцип работы простой. В результате прохождения электрического тока по проводнику в первичной обмотке, на вторичную наводится электродвижущая сила (ЭДС). Сердечник состоит из пластин ферромагнетика, то есть материала, способствующего усилению магнитного поля (электротехническая сталь специальных марок).

Величина ЭДС определяется по формуле: Е = 4,44*Ф*f * ω , где: Ф – амплитуда магнитного потока; f – частота тока; ω – число витков в обмотке. Допустимая мощность нагрузки, которую «потянет» однофазный трансформатор, задается сечением провода, которым намотаны катушки, и добротностью магнитопровода, в частности магнитной проницаемостью ферромагнетика µ.

Одним из средств изучения работы трансформатора является эквивалентная схема замещения, в которой магнитная связь между обмотками трансформатора замещена электрической связью, а параметры вторичной обмотки приведены к числу витков первичной.

 

  Так как в приведенном трансформаторе k=1, то и –E₁=E₂. В результате точки a₁ и a₂, b₁и b₂ имеют одинаковый потенциал, поэтому на схеме их можно соединить, получив тем самым Т-образную схему замещения трансформатора.

 

  Параметры r₁, x₁ – активное и индуктивное сопротивления первичной обмотки, соответственно.

r₂, x₂ – приведенные значения активного и индуктивного сопротивлений вторичной обмотки, соответственно. Z_н – полное сопротивление нагрузки.

  Магнитный поток не зависит от нагрузки, поэтому его представляют как индуктивное сопротивление xm, активное сопротивление rm, которое обусловлено магнитными потерями и протекающий через них ток холостого хода I₀. Эти параметры определяются в опыте холостого хода трансформатора.

  Изменяя Z_н на схеме замещения, можно получить любой режим работы трансформатора. Например, при разомкнутой вторичной обмотке Z_н= ∞, что соответствует режиму холостого хода трансформатора, а при Z_н= 0 – режиму короткого замыкания. При любых других значениях Z_н – режим работы под нагрузкой. Режимы работы необходимы для определения параметров схемы замещения.      При практических расчетах, током холостого хода пренебрегают, тогда схема сводится к упрощенной.

 

Где r_экв=r₁+r₂’, x_экв=x₁+x₂’

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. Механическая и рабочая характеристика двигателя. Схемы пуска двигателя с фазным и короткозамкнутым ротором. Энергетическая диаграмма. Потери мощности и КПД 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.

Статор-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.

Принцип действия При подаче напряжения на неподвижные обмотки статора, оно создает магнитное в статора. Если подается напряжение переменного тока, то магнитный поток, созданный им, изменяется. Так статор производит изменение магнитного поля, и ротор получает магнитные потоки. Таким образом, ротор электродвигателя принимает эти поток статора и, следовательно, вращается. Это основной принцип работы и скольжения в асинхронных машинах. Из вышеизложенного следует отметить, что магнитный поток статора (и его напряжение) должно быть равно переменному току для вращения ротора, так что асинхронная машина может работать только от сети переменного тока.

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.

Схема замещения асинхронного двигателя.

Механическая характеристика асинхронного двигателя

Механическая характеристика асинхронного двигателя - это зависимость частоты вращения вала двигателя от момента на его валу n₂=f(M) или S=f(M). Механическая характеристика изображена на рис. 13. На характеристике можно выделить четыре характерные точки:

1. Точка идеального холостого хода. В ней М=0, S=0;

2. Точка номинального режима работы. В ней М=М_Н, S=S_Н. Значения n_2Н и М_Н можно определить по каталожным данным двигателя;

3. Точка максимального или критического момента. В ней М=М_m, S=S_K. Данная точка характеризует перегрузочную способность двигателя.

Рис. 13

В каталогах для определения параметров данной точки приводится величина кратности критического момента двигателя:

.

Величина кратности позволяет определить максимально возможный момент двигателя.

4. . Точка пуска. В ней М=М_П, S=1. Данная точка характеризует пусковые свойства двигателя. В каталогах для определения пусковых свойств приводится величина кратности пускового момента двигателя:

.

В каталогах приводится также коэффициент кратности пускового тока

который позволяет определить величину тока двигателя в момент пуска.

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.

Энергетическая диаграмма.

Процесс преобразования энергии и потери, происходя­щие при работе двигателя, можно иллюстрировать энергетической диаграммой (рис. 1).

 

Рис.36.1. Энергетическая диаграмма асинхронного двигателя

 

Потребляемая двигателем мощность из се­ти P₁частично расходуется на покрытие по­терь в обмотках статора Р_м1 и в стали сердечника статора Р_с1 на гистерезис и вихревые токи.

Оставшаяся часть мощности Рэм называемая электромагнитной, передается рото­ру через воздушный зазор вращающимся магнитным полем.

Энер­гия, полученная ротором, преобразуется в механическую и частич­но расходуется на покрытие потерь в роторе.

На диаграмме пока­зано, что электромагнитная мощность, поступающая на ротор, мо­жет быть представлена в виде суммы двух мощностей:

Рэм= Р₂’+ P_м2.

где Р₂’— мощность, развиваемая вращающимся ротором,

P_м2— потери в меди обмоток ротора.

Не вся энергия, преобразованная машиной в Р₂’ является полезной энергией Р₂, так как часть ее расходу­ется на покрытие механических потерь Р_мехот трения в подшип­никах и о воздух вращающихся частей машины.

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

Потери мощности и КПД асинхронного двигателя.

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

26. Синхронные машины. Режимы работы синхронных электрических машин. Синхронные генераторы и двигатели. Назначение, устройство и принцип работы синхронного генератора. Основные характеристики и схемы пуска синхронного генератора.

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.

27. Электрические машины постоянного тока. Генераторы постоянного тока и электрические двигатели. Области применения машин постоянного тока. Характеристики электрических машин постоянного тока. Принцип действия генератора постоянного тока (ГПТ), основное уравнение ЭДС и напряжения. Генераторы с самовозбуждением и независимым возбуждением. Схемы включения обмотки возбуждения. Основные характеристики ГПТ.

Электрическая машина постоянного тока состоит из непод­вижной и вращающейся частей. На неподвижной части— укреплены главные полюсы для возбуждения магнит­ного потока и дополнительные — для улучшения коммутации в машине.

Главный полюс состоит из сердечника и обмотки возбуждения. На свободном конце сердечника устанавливается полюсный на­конечник для создания требуемого распределения магнитного потока.

Станина является ярмом ма­шины, т.е. частью, замыкающей магнитную цепь магнитного по­тока главных полюсов

Дополнительные полюсы уста­навливаются на станине между главными полюсами. На сердеч­никах дополнительных полюсов располагаются обмотки, кото­рые соединяются последователь­но с обмоткой якоря.

Якорем называется враща­ющаяся часть машины, состоит из сердечника с обмоткой, уложенной в его пазах, и коллектора, насаженных на общий вал.

Коллектор представляет собой по­лый цилиндр, собранный из изолированных друг от друга и вала машины клинообразных медных пластин

В генераторе индуктором является статор, создающий постоянное магнитное поле между соответствующими полюсами. При вращении ротора, в проводниках обмотки якоря, перемещающихся в магнитном поле, по закону электромагнитной индукции наводится ЭДС. Переменная ЭДС обмотки якоря выпрямляется с помощью коллектора.

Генератор преобразует механическую энергию в электрическую.

Применение. Двигатели постоянного тока широко используются на транспорте (магистральные электровозы, тепловозы, пригородные электропоезда, метрополитен, трамваи, троллейбусы), в станках, прокатных станах, кранах, судовых установках. В подавляющем большинстве автомобилей, тракторов, самолетов и других летательных аппаратов двигатели постоянного тока приводят во вращение все вспомогательное оборудование.

Характеристики

1. Характеристики холостого хода E_Я.Х(I_В) при разомкнутой цепи якоря, т.е. I_Н=0 при постоянной номинальной частоте вращения n=n_НОМ.

2. При номинальных значениях тока возбуждения I_В= I_В.НОМ и частоты вращения якоря n=n_НОМ свойство генератора определяет внешняя характеристика Е_я- I_ЯR_Я=U

3. Чтобы внешняя нагрузка не зависела от тока нагрузки необходимо регулировать ток возбуждения. Регулировочной характеристикой генератора называется зависимость I_В(I_Я) при номинальных значениях частоты вращения n=n_НОМ и напряжениями между его выводами U=U_НОМ

Принцип действия

В роли индуктора выступает статор, на котором расположена обмотка. На неё подаётся постоянный ток, в результате чего вокруг неё создаётся постоянное магнитное поле. Обмотка ротора состоит из проводников, запитанных через коллектор. В результате на них действуют пары сил Ампера, которые вызывают вращающий момент.

Основное уравнение ЭДС и напряжения. Под действием ЭДС якорной обмотки в цепи возникает ток

где U - напряжение на зажимах генератора;  R_я - сопротивление обмотки якоря.

 (2)

Уравнение (2) называется основным уравнением генератора.

Г енератор с самовозбуждением

Недостатком генератора с независимым возбуждением является необходимость иметь отдельный источник питания.

Самовозбуждающиеся генераторы имеют одну из трех схем: с параллельным, последовательным и смешанным возбуждением. На рис. изображен генератор с параллельным возбуждением.

Обмотка возбуждения подключена параллельно якорной обмотке. В цепь возбуждения включен реостат Rв. Генератор работает в режиме холостого хода.

Чтобы генератор самовозбудился, необходимо выполнение определенных условий.

1) наличие остаточного магнитного потока между полюсами. При вращении якоря остаточный магнитный поток индуцирует в якорной обмотке небольшую остаточную ЭДС.

2) согласное включение обмотки возбуждения

Генератор с независимым возбуждением. Характеристики генератора

Магнитное поле генератора с независимым возбуждением создается током, подаваемым от постороннего источника энергии в обмотку возбуждения полюсов.

Схема генератора с независимым возбуждением показана на рис. 6.

Рис. 6 Рис. 7

Магнитное поле генераторов с независимым возбуждением может создаваться

от постоянных магнитов (рис. 7).

Зависимость ЭДС генератора от тока возбуждения называется характеристикой холостого хода E = Uхх = f (Iв).

Схемы включения обмотки возбуждения. Генераторы с параллельным, последовательным и смешанным возбуждением относятся к машинам с самовозбуждением, так как питание их обмоток возбуждения осуществляется от самого генератора. 

Возбуждение генераторов постоянного тока: а - независимое, б - параллельное, в - последовательное, г - смешанное.

Все перечисленные генераторы имеют одинаковое устройство и отличаются лишь выполнением обмоток возбуждения. Обмотки независимого и параллельного возбуждения изготовляют из провода малого сечения, они имеют большое число витков, обмотку последовательного возбуждения — из провода большого сечения, она имеет малое число витков.

Основные характеристики ГПТ.