Номинальные величины и режимы работы

ЛЕКЦИ Я 1

дисциплины "Электрические машины переменного тока"

Тема: Введение. Физические основы

Устройства трансформаторов

Учебн ые вопросы:

Введение.

1. Порядок прохождения курса “Электрические машины”.

2. Классификация электрических машин.

3. Основные определения и номинальные величины трансформаторов.

4. Принцип действия трансформатора.

5. Режим холостого хода трансформатора.

Учебная литература:

1. Копылов И.П. Электрические машины. Учебник для вузов. – М.: Энергоатомиздат, 2000. - 360 с.

2. Токарев Б.Ф. Электрические машины. Учебное пособие для вузов. – М.: Энергоатомиздат, 1990. - 624 с.

3. Брускин Д.Э., Зорохович А.Е., Хвостов В.С. Электрические машины. Учебник для вузов. – М.: Высш. шк., 1987. Ч.1 – 360 с., ч.2 – 332 с.

4. Просужих Р. П. Лабораторные работы по электрическим машинам. Севастополь 1983г.

Порядок прохождения курса “ Электрические машины ” .

Дисциплина относится к базовой части профессионального цикла основной образовательной программы подготовки магистров по профилям: Релейная защита и автоматика; Электрические станции; Электрические системы и сети; Возобновляемые источники энергии.

Знания, полученные при освоении дисциплины, необходимы

для изучения последующих профессиональных дисциплин для всех вышеперечисленных профилей подготовки:

Целями освоения дисциплины является изучение:

конструкции, физических принципов работы, технологии изготовления, методов расчёта и проектирования, характеристик, основ использования, эксплуатации электрических машин.

Распределение объема дисциплины по видам работ

Курс	Семестр	Общий объем, ЗЕ (ч)	Контактная работа, ч			Самостоятельная работа, ч	Реферат, РГР, контр. работа, коллоквиум	Курсовой проект (работа)	Зачет (семестр)	Экзамен (семестр)
Курс	Семестр	Общий объем, ЗЕ (ч)	Лекции	Практические занятия	Лабораторные занятия	Самостоятельная работа, ч	Реферат, РГР, контр. работа, коллоквиум	Курсовой проект (работа)	Зачет (семестр)	Экзамен (семестр)
Очная форма обучения
1	1	3 (108)	18	18	-	72	-	-	-	1
1	2	4 (144)	18	18	18	90	-	-	-	2
1	1,2	7 (252)	36	36	18	162	-	-	-	1,2

Необходимо будет в 1 и 2 семестрах выполнить Практические занятия: “Расчёт однофазного трансформатора”, “Расчёт и построение схемы обмотки статора СГ”.

В 1 и 2 семестрах будет проведено по контрольной работе: КР-1, 2 “Рабочие свойства трансформаторов” и “Рабочие свойства СГ”.

Видом контроля в 1 и 2 семестре является - экзамен.

Классификация электрических машин

Электрическая машина - это электротехническое устройство, предназначенное для электромеханического преобразования энергии.

Электрические машины классифицируются по следующим признакам:

1). По назначению подразделяют на следующие виды:

- Электромашинные генераторы;

- Электрические двигатели;

- Электромашинные преобразователи;

- Электромашинные компенсаторы;

- Электромашинные усилители.

2). По роду тока подразделяют на следующие виды:

-машины постоянного тока;

-машины переменного тока.

3). В зависимости от мощности электрические машины подразделяются на:

- микромашины (0,1 – 500 Вт);

- машины малой мощности (0,5 – 1,5 кВт);

- машины средней мощности (1,5 – 100 кВт);

- машины большой мощности (100 – 1000 кВт и более).

4). В зависимости от напряжения электрические машины подразделяются на:

- низковольтные (меньше 100 В);

- средневольтные (до 1000 В);

- высоковольтные (свыше 1000 В).

5). В зависимости от скорости вращения электрические машины подразделяются на:

- тихоходные (меньше 250 об/мин);

- среднескоростные (250 - 1000 об/мин);

- быстроходные (1000 - 3000 об/мин);

- сверхбыстроходные (свыше 3000 об/мин).

Электромашинные генераторы преобразуют механическую энергию в электрическую. Их устанавливают на электрических станциях и различных транспортных установках: автомобилях, самолетах, тепловозах, кораблях, передвижных электростанциях и др.

Электрические двигатели преобразуют электрическую энергию в механическую; они приводят во вращение различные машины, механизмы и устройства, применяемые в промышленности, сельском хозяйстве, связи, на транспорте, в военном деле и быту.

В современных системах автоматического управления их используют в качестве исполнительных, регулирующих и программирующих органов.

Электромашинные преобразователи преобразуют переменный ток в постоянный и, наоборот, изменяют значения напряжения переменного и постоянного тока, частоту, число фаз и др.

Электромашинные компенсаторы осуществляют генерирование реактивной мощности в электрических установках для улучшения энергетических показателей источников и приемников электрической энергии.

Электромашинные усилители используют для управления объектами большой мощности посредством электрических сигналов малой мощности, подаваемых на их обмотки управления (возбуждения).

Микромашинами называются электрические машины небольшой мощности (до 500 Вт).

По назначению электрические микромашиныавтоматических устройств подразделяются на следующие группы:

- Силовые микродвигатели;

- Управляемые (исполнительные) двигатели;

- Тахогенераторы;

- Вращающиеся трансформаторы;

- Машины синхронной связи (сельсины).

Силовые микродвигатели приводят во вращение различные механизмы автоматических устройств, самопишущих приборов и пр.

Управляемые (исполнительные) двигатели преобразуют подводимый к ним электрический сигнал в механическое перемещение вала, т. е. отрабатывают определенные команды.

Тахогенераторы преобразуют механическое вращение вала в электрический сигнал — напряжение, пропорциональное частоте вращения вала.

Вращающиеся трансформаторы дают на выходе напряжение, пропорциональное той или иной функции угла поворота ротора, например синусу или косинусу этого угла или самому углу.

Машины синхронной связи (сельсины) осуществляют синхронный и синфазный поворот или вращение нескольких механически не связанных между собой осей.

Машины переменного тока в зависимости от принципа действия и особенностей электромагнитной системы подразделяют на:

- трансформаторы;

- асинхронные машины;

- синхронные машины;

- коллекторные машины.

Трансформаторы широко применяют для преобразования величины переменного напряжения: в системах передачи и распределения электрической энергии, в выпрямительных установках, устройствах связи, автоматики и вычислительной техники, а также при электрических измерениях (измерительные трансформаторы) и функциональных преобразованиях (вращающиеся трансформаторы).

Асинхронные машины используют главным образом в качестве электрических двигателей трехфазного тока. Простота устройства и высокая надежность позволяют применять их в различных отраслях техники для привода механизмов.

Синхронные машины применяют в качестве генераторов переменного тока промышленной частоты на электрических станциях и генераторов повышенной частоты в автономных источниках питания (на кораблях, самолетах и т. п.).

В электрических приводах большой мощности используют также синхронные электродвигатели.

В устройствах автоматики широко применяют различные синхронные машины малой мощности (реактивные, с постоянными магнитами, гистерезисные, индукторные и пр.).

Коллекторные машины переменного тока используют сравнительно редко и главным образом в качестве электродвигателей. Они имеют сложную конструкцию и требуют тщательного ухода.

В устройствах автоматики, а также в разного рода электробытовых приборах применяют универсальные коллекторные двигатели, работающие как на постоянном, так и на переменном токе.

Машины постоянного тока применяют главным образом в качестве электродвигателей в устройствах электропривода, требующих регулирования частоты вращения в широких пределах.

Например, на железнодорожном и морском транспорте, в прокатных станах, в грузоподъемных и землеройных машинах, в сложных металлообрабатывающих станках и пр.

Также используют двигатели постоянного тока в случаях, когда источниками электрической энергии для питания электродвигателей служат аккумуляторные батареи (стартерные двигатели, двигатели подводных лодок, космических кораблей и т.п.).

Генераторы постоянного тока часто применяют для питания устройств связи, зарядки аккумуляторных батарей, в качестве основных источников питания на транспортных установках (автомобилях, самолетах, тепловозах, пассажирских вагонах).

3. Трансформаторы. Основные определения и номинальные величины

Трансформатором называется статическое электромагнитное устройство, предназначенное для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения той же частоты.

Принцип трансформирования предложил и осуществил в 1876 г. русский ученый Яблочков.

Кроме свойства изменять величину напряжения трансформаторы обладают свойством разделять единую сеть на отдельные электрически не связанные между собой сети.

Как правило, трансформатор состоит из:

а) сердечника, набранного из листовой трансформаторной стали;

б) двух или нескольких обмоток, связанных между собой электромагнитно, а в автотрансформаторе — также и электрически.

Трансформатор, имеющий две обмотки, называется двухобмоточным, трансформатор с тремя или несколькими обмотками — трехобмоточным или многообмоточным.

Соответственно роду тока различают трансформаторы:

- однофазные;

- трехфазные;

- многофазные.

Под обмоткой многофазного трансформатора понимают совокупность всех фазных обмоток одинакового напряжения, определенным образом соединенных между собой.

Та из обмоток трансформатора, к которой подводится энергия переменного тока, называется первичной, другая, от которой энергия отводится, называется вторичной обмоткой.

В соответствии с названиями обмоток все величины, относящиеся к первичной обмотке, как, например, мощность, ток, сопротивление и т. д., тоже называются первичными, а относящиеся ко вторичной обмотке — вторичными.

Обмотка, присоединенная к сети с более высоким напряжением, называется обмоткой высшего напряжения (ВН).

Обмотка, присоединенная к сети меньшего напряжения, называется обмоткой низшего напряжения (НН).

Если вторичное напряжение меньше первичного, то трансформатор называется понижающим, а если больше — повышающим.

Чтобы предотвратить вредное влияние воздуха на изоляцию обмоток и улучшить условия охлаждения трансформатора, его сердечник с находящимися на нем обмотками помещают в бак, заполненный трансформаторным маслом. Такие трансформаторы называются масляными.

Трансформаторы, не погружаемые в масло, называются

сухими.

Номинальные величины и режимы работы

Номинальные величины трансформаторов — мощность, напряжения, токи, частота и т. д.— указываются на заводском щитке.

Номинальным режимом работы трансформатора называется режим, указанный на заводском щитке и в паспорте трансформатора.

Имея в виду, что к.п.д. трансформатора весьма высок, принимают, что номинальные мощности обеих обмоток равны.

4. Принцип действия трансформатора

Принцип действия трансформатора рассмотрим на примере простейшего однофазного двухобмоточного трансформатора.

Применение ферромагнитного магнитопровода позволяет усилить электромагнитную связь между обмотками, т. е. уменьшить магнитное сопротивление контура, по которому проходит магнитный поток машины.

Первичную обмотку 1 подключают к источнику переменного тока — электрической сети с напряжением u₁.

К вторичной обмотке 2 присоединяют сопротивление нагрузки Z_H.

Начала и концы обмотки ВН обозначают буквами А и X;

обмотки НН — буквами а и х.

Действие трансформатора основано на явлении электромагнитной индукции.

Если к зажимам первичной обмотки подведено напряжение переменного тока u₁, то в ее витках потечет переменный ток , который создаст в магнитопроводе переменное магнитное поле.

Синонимом магнитного поля и его силовой характеристикой является магнитный поток .

Одна основная часть магнитного потока , которая называется основным магнитным потоком, будет замыкаться по всему магнитопроводу и окажется сцепленной с витками, как первичной, так и вторичной обмоток.

В соответствии с законом электромагнитной индукции переменный поток будет индуктировать в обмотках ЭДС и , мгновенные значения которых, будут определяться формулами:

(1)

где и - число витков.

В соответствии с принципом электромагнитной инерции ЭДС стремится противодействовать той же причине, которая ее вызвала.

Поэтому ЭДС будет практически в противофазе с приложенным напряжением , ограничивая тем самым величину тока , в цепи первичной обмотки.

Иначе говоря, величина тока , определяется разностью мгновенных значений приложенного напряжения и ЭДС .

Другая (меньшая часть) магнитного потока замыкается по воздуху только вокруг витков первичной обмотки, и будет индуктировать в ней ЭДС и называется потоком рассеяния первичной обмотки.

При синусоидальном изменении основного магнитного потока имеем:

(2)

Переходя к действующему значению ЭДС получим:

. (3)

Аналогично найдём действующее значение ЭДС вторичной обмотки:

(4)

ЭДС и отличаются друг от друга лишь за счет величины и .

Это значит, что меняя соотношения числа витков, можно получить трансформаторы на любые соотношения ЭДС и .

Если к выводам вторичной обмотки подключить сопротивление нагрузки , то по цепи обмотки под действием ЭДС потечет переменный ток , а на ее выводах установится напряжение .

Ток создает в магнитопроводе свой магнитный поток , который будет направлен навстречу основному потоку .

Часть потока замкнется вокруг витков вторичной обмотки и эта часть называется потоком рассеяния вторичной

обмотки .

Большая часть потока замкнется по всему магнитопроводу, вследствие чего результирующий магнитный поток в нем уменьшится.

Это приведет к уменьшению ЭДС и к увеличению разности мгновенных значений напряжения и ЭДС , что в свою очередь, вызовет увеличение тока в цепи первичной обмотки и создаваемого им магнитного потока .

Благодаря этому результирующий магнитный поток в

магнитопроводе достигает своего исходного значения .

Таким образом, при увеличении тока в цепи вторичной обмотки и энергии, отдаваемой потребителям, автоматически возрастут ток и энергия, поступающие в первичную обмотку из

сети.

Поскольку между первичной и вторичной обмотками нет электрической связи, то электрическая энергия из первичной цепи во вторичную передается только электромагнитным путем.

При нагрузке ток первичной обмотки можно представить в виде суммы:

, (5)

где - добавочный ток, обусловленный током вторичной обмотки и его размагничивающим действием.

Если разделить уравнение (3) на (4), то можно получить:

, (6)

где - К равное отношению числа витков или их ЭДС, называют

коэффициентом трансформации.

На практике условились, что К определяется как отношение высшего напряжения к низшему, т.е. он всегда больше единицы.

5. Режим холостого хода трансформатора.

Режимом холостого хода трансформатора называется такой режим его работы, при котором на первичную обмотку подано номинальное переменное напряжение и по ней проходит ток силой I₀, а вторичная обмотка разомкнута и ток в ней равен нулю.

Изучение режима холостого хода имеет важное значение, так как позволяет определить расчетным или опытным путём следующие величины:

- коэффициент трансформации;

- ток холостого хода;

- потери холостого хода.

Считаем магнитный поток трансформатора синусоидальной величиной.

. (7)

Магнитный поток рассеяния первичной обмотки наводит в обмотке ЭДС рассеяния , которая также является ЭДС самоиндукции и равна:

. (8)

Поскольку поток замыкается по воздуху, имеющую постоянную магнитную проницаемость, то индуктивность является постоянной величиной.

Поток совпадает по фазе с током , а ЭДС отстает от него на угол .

Запишем это в символической форме:

, (9)

где - индуктивное сопротивление рассеяния первичной

обмотки.

Первичная обмотка имеет активное сопротивление и, соответственно, падение напряжения в этом в этом сопротивлении İ , которое совпадает по фазе с током .

В соответствии со вторым законом Кирхгофа для первичной обмотки справедливо уравнение для мгновенных значений:

. (10)

Подставим сюда значение из предыдущего уравнения и перейдем к символической форме записи:

. (11)

Это уравнение называется уравнением первичной обмотки трансформатора в режиме холостого хода.

Уравнение показывает, что приложенное к первичной обмотке трансформатора напряжение уравновешивается ЭДС и теряется в активном и индуктивном сопротивлениях первичной обмотки.

Следует отметить, что падения напряжения и İ , очень малы, поэтому приближенно считают: .

Во вторичной обмотке в режиме холостого хода, тока нет, поэтому: , или в символической форме: .

Ток имеет 2 составляющие:

- Ток намагничивания , создающий основной магнитный поток трансформатора;

- ток активный от потерь в стали .

Таким образом: . (12)

Обычно составляет 90% от . Поэтому трансформатор, работающий на холостом ходу, нагружает сеть реактивной мощностью.

При работе трансформаторе на ХХ полезная мощность равна нулю.

Следовательно, мощность Р₀, потребляемая трансформатором при ХХ, затрачивается на потери в трансформаторе:

, (13)

где - потери в меди первичной обмотки;

р_с – потери в стали сердечника;

р_д = (0,15 – 0,2) – добавочные потери ХХ, потери в стали, обусловленные недоброкачественностью сборки листов, потери в крепежных деталях и в кожухе от полей рассеяния и пр.

Выводы:

1. Принцип работы трансформатора основан на явлении электромагнитной индукции двух обмоток, связанных одним переменным магнитным потоком.

2. При существующем многообразии конструкций трансформаторов можно выделить общие конструктивные элементы: первичную обмотку, вторичную обмотку и магнитопровод.

3. Номинальные параметры трансформаторов указываются в паспорте и на заводском щитке, установленном на корпусе трансформатора.

4. Режимом холостого хода трансформатора называется такой режим его работы, при котором на первичную обмотку подано номинальное переменное напряжение и по ней проходит ток силой I₀, а вторичная обмотка разомкнута и ток в ней равен нулю.

5. Изучение режима холостого хода имеет важное значение, так как позволяет определить расчетным или опытным путём коэффициент трансформации, ток холостого хода, потери холостого хода

Дата добавления: 2020-11-15; просмотров: 137; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

Мы поможем в написании ваших работ!