Общие сведения о машинах переменного тока. Конструктивные особенности, классификация, области применения

Общие сведения об ЭМ. Классификация.ЭМ по принципу действия подразделяются на генераторы и двигатели. Первые преобразуют эл. эн., подведенную из вне к валу эл. машины в эл. эн., передаваемую по линии электропередач к потребителю. Вторые преобразуют эл. эн., подведенную из электросети в механическую энергию для привода разл. мех-мов. ЭМ нормального исполнения имеют неподв. часть статор и подв. часть ротор. Несмотря на разнообразие типов ЭМ, конструкция статора и ротора имеют одинаковые эл-ты. ЭМ подразделяются на МПоТ и МПеТ. МПоТ исп. как генераторы и как двигатели. Область их применения: установки, где требуется плавное регулирование скорости вращения в широком диапазоне (прокатные станы, электрофицированный транспорт. МПеТ: АМ и СМ. АМ исп-ся как двигатели и различаются по конструкции ротора (с КЗ и фазным ротором). СМ исп-ся как генераторы на электростанции и вырабатывают > 90% потребляемой энергии. СМ испол. в кач-ве эл.-дв., где требуется поддерживать частоту вращ. постоянной в допустимом диап. нагрузки (прокатные станы, вентиляторные и компрессорные установки, бытовая техника). Кроме того, СМ исп-ся в кач-ве компенсаторов при активной мощ-ти в системах электроснабжения. Это позволяет уменьшить потери ЛЭП, стабилизировать напряжение в сети, повысить cosφ в эл.-тех. установке. СМ различ. по конструкции ротора: с явнополюсным ротором (тихоход. машины), с неявнополюсным (быстроходные). Трансформаторы представляют собой статические электро-магн. устройства для преобразования и распред. эл. эн. и работающего на перем. токе. Они бывают: 1-фазные, 3-фазные и многофазные. Напряжение ЭМ и трансформаторов нах-ся в строгой зависимости от напряжения ЛЭП. Первичные обмотки трансформаторов и обмотки двигателей имеют напряжение, равное напряжению питающей сети. Вторичные обмотки трансформатора и обмотки генератора имеют напряжение, превышающее напряжение сетей на 5-10% для компенсации падения напряжения в них. На практике и в быту используются также различные ЭМ и трансформаторы спец. назначения и применения. По принципу действия они не отличаются от ЭМ трансформаторного действия, но различаются конструктивно и имеют различные характеристики. Основы теории электрических машин и трансформаторов. Принцип действия трансформаторов и ЭМ ос­нован на законах эл.-магн. явлений. Их знание не­обх. не только для изучения данного курса, но и для освоения методики проведения измерений и испытаний ЭО, ЭП и его систем управления, а также служит ба­зой других электротехн. дисциплин. Явление возникновения эл. тока в замкнутом про­водящем контуре с изменением магн. поля, пронизывающего этот контур, наз. индукцией. Появление в замкнутом контуре тока говорит о возникновении эдс индукции. Эдс, индуцируемая в контуре из кол-ва витков w, численно равна изменению магн. потока Ф, пронизывающего этот контур: e=-w·(dФ/dt) (1.1). Выраж. (1.1) характеризует закон электромагн. индук­ции, вытекающий из правила Ленца - направление индуктируемой эдс всегда таково, что в замкнутом контуре она стремиться создать ток, магн. поле кот. препятствует изменению вызвавшего его потока. Протекающий по замкнутому контуру ток индуктирует свое магн. поле, направление кот. определяется по правилу правого винта. Если предположить, что магн. поле однородное, то есть Ф=BS, где S - площадь, ограниченная некоторым контуром на плоскости, кот. перпендикулярен силовым линиям магн. поля с индукцией В, то (1.1) примет вид: e=-w·(dФ/dt)= -wS·(dB/dt)= -wB·(dS/dt)=eтр+eвр (1.2), где eтр – трансформаторная эдс; eвр – эдс вращения. Выраж. (1.2) показывает, что эдс в контуре наводится двумя способами: магн. полем, меняющемся во времени, кот. про­низывает неподвижную рамку, или при неизменном магнитном поле, кот. пронизывает вращающуюся рамку. Для любых ЭМ и трансформаторов характерен тот факт, что направление преобразования энергии в них может быть изменено на обратное. В этом состоит принцип об­ратимости. Для пояснения этого важного принципа рассм. элементарную электрическую машину (рис. 1.1.), состоящую из проводника длиной l, помещенного в магнитное поле. Приложим к проводнику извне силу F и начнем передвигать его в магн. поле в направлении перпен­дикулярном вектору магн. ин­дукции В с постоянной скоростью v. В проводнике наводится эдс е. При замыкании проводника накоротко или на какое-либо внешнее со­противление по нему под действием возникшей эдс потечет ток I в на­правлении, указанном на рис. 1.1. В однородном магн. поле этот ток будет постоянным. Направление эдс e в проводнике длиной l ус­танавливается по правилу правой руки, а выражение по определению е имеет вид: e=Blv (1.3) где B – ср. знач. индукции вдоль длины проводника l. Правило правой руки: силовые линии магн. поля входят в ладонь правой руки, большой палец отогнут на 90° по направлению движения проводника отн. силовых линий магн. поля, 4 вытянутых пальца показывают направление эдс в проводнике. При протекании в образовавшейся цепи тока i на проводник бу­дет действовать эл.-магн. сила, называемая силой Ампера FA, кот. противодействует внеш. силе F. Направление силы FA, оп­ределяется по правилу левой руки, ее рассчитывают по выраж.: FA=Bil (1.4). Правило левой руки: силовые линии магн. поля входят в ладонь левой руки, 4 вытянутых пальца показывают направл. тока в проводнике, а большой палец отогнут на 90º по направле­нию действия эл.-магн. силы, действующей на проводник с током. В случае равномерного движения со скоростью v внешняя сила F, приложенная к проводнику, должна быть численно равна силе Ам­пера FA. Для упрощения анализа, что практически не сказывается на основных рассматриваемых зависимостях, сопротивление элементов цепи приравняем к нулю. При этом мощности, развиваемые элемен­тарной ЭМ, будут соответствовать равенству: Fv=FAv (1.5). С учетом зависимостей (1.3) и (1.4) выраж. (1.5) будет: Fv=Bilv=ei (1.6). Из (1.6) следует, что затрачиваемая извне мех. мощ­ность Fv преобр. в мощность эл. тока ei без учета потерь в цепи. При этом ЭМ представляет собой элементарный генератор. Если внешней силы F к проводнику не прикладывать, а пропус­тить через него ток i от постороннего источника, то на проводник бу­дет действовать только сила Ампера FA. Под ее действием проводник станет передвигаться в магн. поле и, тем самым, совершит нек-рую мех. работу. В таком случае ЭМ представляет элементарный двигатель. В реальных машинах и трансформаторах проводники состав­ляют обмотки, имеющие эл. сопротивление r. Машина в генераторном режиме вырабатывает эдс е, кот. при подключении внеш. цепи идет на создание напряжения и и падение напряжения ir на сопротивлении обмотки: e=u+ir (1.7). В режиме двигателя одна часть напряжения u, приложенного от источника питания к проводникам обмотки, уравновешивается эдс e, наведенной в обмотке, а другая часть составляет падение напряжения ir на сопротивлении обмотки: Умножив обе части выражений (1.7) и (1.8) на ток i, получим с учетом (1.6) выр-ния для генератора и двигателя: ei=ui+i2r=Fv (1.9); ui=ei+i2r=Fv+i2r (1.10). Т. о., подводимая к генератору извне мех. мощность Fv расходуется на эл. мощность ui, отдавае­мую в сеть, и на эл. потери в обмотках i2r. В режиме дви­гателя эл. мощность ui, поступающая из сети, преобра­з. в мех. мощность Fv. Она расходуется на элек­трические потери в обмотках i2r. Выр-ния (1.9) и (1.10) справедливы для всех ЭМ. В трансформаторах происходит подобное преобразование энергии соответственно в обмотках, подключенных к нагрузке (вто­ричных), и обмотках, подключенных к питающей сети (первичных). В процессе эксплуатации машины могут переходить из двига­тельного режима в генераторный реж. и обратно; каждая обмотка трансформатора может быть подключена к сети или питать нагрузку при соблюдении ряда требований. Однако все выпускаемые машины или трансформаторы рассчитаны па определенный режим для наи­лучшего приспособления к заданным условиям работы, а так же в це­лях наилучшего использования электротехн. материалов. Материалы, применяемые в электромашиностроении и трансформаторостроении.Материалы, применяемые в ЭМ и транс­форматорах, подразделяются на конструкционные, активные, элек­троизоляционные. Конструкционные материалы применяются для изготовления деталей и частей машин или трансформаторов, главным назначением которых явл. восприятие и передача мех. нагрузок, обеспечение требуемой степени зашиты, охлаждения, смазки (валы, станины, подшипниковые щиты, крепежные детали, вентиляторы и др.). В качестве конструкционных материалов применяют сталь, чу­гун, цв. металлы и их сплавы, пластмассу. Активные материалы предназначены для изготовления токопроводящих частей, магн. систем, активной части машин и транс­форматоров, подразделяются на проводниковые и магнитные. Про­водниковые материалы (медь, алюминий) служат для изготовления обмоток машин и трансформаторов. Коллекторные пластины и кон­тактные кольца, подвергающиеся истиранию, изготавливаются из хо­лоднокатаной меди, а также из меди с разными присадками (кадмий и др.). Соблюдение определенной технологии обеспечивает необходи­мую проводимость и износостойкость проводниковых материалов. Магн. материалы предназначены для изготовления магнитопроводов. Магн. системы должны обладать высокой магн. проницаемостью (требуемый магн. поток в машине или в трансформаторе задается как можно меньшим значением магнито­движущей силы), повышенным эл. сопротивлением (для снижения потерь на вихревые токи), минимальными потерями на перемагничивание (гистерезис). Для обеспечения вышеназванных свойств в машинах и трансформаторах используют тонколистовую эл.-техн. холоднокатаную сталь, легированную кремнием, и нек-рыми цв. металлами (никель и др.). При из-нии эл-тов магн. систем машин и трансформаторов с целью не­допущения их повреждения учитывается уровень легирования стали, а также направление проката для улучшения энергетических показа­телей, эксплуатационных свойств, уменьшения массы машин и транс­форматоров. Отдельную группу представляют мат-лы, из кот. изг. эл. щетки (графитные, угольнографитные, металлографитные), применяемые для обеспечения скользящего кон­такта с коллектором и контактными кольцами ЭМ. Электроизоляционные, материалы (диэлектрики) применяются для электрической изоляции токоведущих частей от магн. сис­тем и корпусов, а также стальных листов магн. сердечников друг от друга. Их св-ва во многом определяют эксплуатационную надежность, габаритные размеры, массу и стоимость машины (транс­форматора). Наиболее широкую номенклатуру имеют твердые элек­троизоляционные материалы. К ним относятся хлопчатая бумага, шелк, слюда, смолы, лаки, миканит, текстолит, эл.-техн. картон и др. Одним из важнейших свойств эл.-изоляционных ма­териалов явл. нагревостойкость - способность материала сохра­нять свои изоляционные и механич. св-ва при воздействии рабочих температур в теч. времени, определяемого сроком служ­бы машины (трансформатора). Различают несколько классов нагревосгойкости в зависимости от состава изоляции, относящиеся к справочным данным. Согласно действующему стандарту предельные температуры нагревания токоведущих частей принимают несколько ниже предельно допустимых температур для изоляции соответст­вующего класса нагревостойкости. При нормальных условиях экс­плуатации в течении длительного срока службы (20-25 лет) изоля­ционные мат-лы не теряют своих свойств. В то же время экспе­риментально установлено, что превышение температуры на 10°С сверх установленной для данного класса изоляции ведет к ее старе­нию и сокращает срок службы примерно вдвое. Этот факт необхо­димо учитывать при выборе машины или трансформатора для кон­кретных условий эксплуатации. В современных ЭМ получили широкое применение композиционные электроизоляционные материалы, представляющие сочетание полимерных пленок (принимают на себя эл. и мех. нагрузки) с гибкими различными изоляционными материалами на основе синтетических волокон (при­дают изоляции эластичность, упругость, хорошее прилегание к по­верхностям). Все компоненты изоляции должны быть полностью со­вместимы друг с другом. Жидкие электроизоляционные материалы находят применение, как правило, в трансформаторостроении. К ним относятся специаль­ные сорта минерального (трансформаторного) масла. Выпускаются различные марки трансформаторных масел, отличающихся по своим диэлектрическим свойствам. Они предназначены для заливки в обо­рудование определенных классов напряжения. Перед заливкой и в процессе эксплуатации оборудования проверяются св-ва масла и, при необходимости, проводится его очистка и сушка. Масло служит охлаждающим агентом активных частей трансформаторов, более эф­фективным, чем воздух. К недостаткам масла следует отнести его го­рючесть, а также угрозу окр. среде. Кроме масел в транс­форматорах применяются жидкие негорючие диэлектрики (совтол, совол и т.п.). Они обладают хорошими диэл. св-ми в течение всего срока эксплуатации оборудования, однако представ­ляют опасность для человека и окр. среды из-за своей ток­сичности. В настоящее время оборудование с совтолом и другими жидкими негорючими диэл. снято с производства, но еще используются в эксплуатируемых системах электроснабжения. Ути­лизация таких диэл. проводится по специальным техноло­гиям. В то же время в России и за рубежом применяются трансфор­маторы, заполненные негорючими экологически нейтральными син­тетическими и кремнийорганическими жидкостями. Такие жидкости характеризуются в частности биологической расщепляемостью, низ­кой токсичностью, небольшой зависимостью диэлектрических свойств от влажности, высокой температурой воспламенения, отсут­ствием токсичных газов при горении. Трансформаторы с негорючими экологически нейтральными жидкостями используются для замены совтоловых и им подобных трансформаторов. Они применяются там, где требуются повышенные меры пожаробезопасности (жилые, слу­жебные, некоторые производственные помещения). Мероприятия по контролю состояния изоляции машин и транс­форматоров являются необходимыми перед их монтажом, при экс­плуатации, после приемки из ремонта. Потери и кпд электрических машин и трансформаторов.Величины потерь мощности и кпд ЭМ и транс­форматоров относятся к их важнейшим энергетическим показателям, определяемым в результате испытаний. Для заключения о пригодно­сти оборудования к дальнейшей эксплуатации результаты, получен­ные опытным путем, сравниваются с данными предприятий изгото­вителей, результатами предыдущих испытаний машины (трансфор­матора), а также по результатам серийных испытаний. При этом до­пускаются отклонения в соответствии со стандартами. ЭМ, работающие под нагрузкой, в общем случае имеют следующие виды потерь: потери в магнитопроводе (из них примерно 70% приходится на гистерезис и 30% - на вихревые токи); мех. потери, обусловленные всеми видами трения (в подшипниках, крыльчатки вентилятора о воздух и др.); потери в об­мотках и скользящих контактах, обусловленные током нагрузки; до­бавочные потери, составляющие 0,5%-1% от потребляемой маши­ной мощности в номин. режиме (неравномерность распределе­ния плотности тока по сечению проводников, искажение картины магн. поля в воздушном зазоре и др.). Потери в магнитопроводе Δрc и мех. потери Δрмех в сумме остаются неизменными во всем диапазоне нагрузок. Сумма этих потерь называется потерями холостого хода Р0 или постоянны­ми потерями. Потери в обмотках Δроб, скользящих контактах, а также добавочные потери Δрдоб зависят от тока нагрузки. Их называют электрическими (нагрузочными) или переменными. Суммарные по­тери в ЭМ определяются по формуле: ΔpΣ=Δpмех+Δpс+Δpоб+Δpдоб (1.11). Кпд ЭМ в общ. случае определяется выр-нием: η%=P2/P1·100% (1.12), где Р1 - мощность, подведенная к машине (полная мощность); Р2 - мощность, отдаваемая машиной (полезная мощность). Определение величин Р1 и Р2 для одной и той же ЭМ может быть сопряжено с техническими трудностями и отно­сительно > погрешностями. Поэтому чаще всего используют при определении кпд суммарные потери Δpz, а также либо мощность Р1, либо мощность Р2. Эти параметры связаны зависимостью: Р1=Р2+ΔрΣ (1.13). Выр-ние (1.12) с учетом (1.13) можно представить: η=1-(ΔрΣ/P1) (1.14); η=1-(ΔрΣ/P2+pΣ) (1.15). Зависимость (1.14) наиболее подходит для двигателей, уравне­ние (1.15) - для генераторов и трансформаторов. Величины Р1 и Р2 можно определить экспериментально. Методика экспериментального определения потерь описана в руководствах по испытаниям ЭМ. Представляет интерес определение условий, при кот. кпд машины наибольший. Для машин переем. тока полная мощность отображается выр-нием: P1=mUIcosφ (1.16), где m - число фаз; параметр mUcosφ можно считать постоянным. Полная мощность для машин пост. тока P1=UI (1-17) Обычно напряжение U явл. величиной постоянной => потребляемая мощность зависит от тока нагрузки. Поэтому зависимость (1.17) можно представить в виде: P1=AI; А=const (1.18). Суммарные потери тогда представим как: ΔрΣ=В+CI+DI2, В=const, С=const, D=const (1-19), где В - потери холостого хода; СI - потери в скользящих контактах; DI2 - потери в обмотках машин. Кпд машины будет максимальным, если дробь ΔpΣ/P1 в выр-ниях (1.14) и (1.15) имеет мин. знач.. Определим, при каком токе нагрузки I это произойдет. Исследуем на экстремум ф-цию, предварительно взяв производную по току I и приравняв результат к нулю: d·(ΔpΣ/P1)/dI=d/dI·(B+CI+DI2)/AI=d/dI·(B/I+C+DI)=0 (1.20). Из выр-ния (1.20) получаем: -B/I2+D=0; B=DI2 (1.21). Т. о., кпд будет макс. при таком токе нагрузки, когда потери холостого хода Р0 (постоянные потери) равны потерям в обмотках Δро6 (переменным потерям). Этот вывод справедлив для всех ЭМ и трансформаторов. Большинство ЭМ работает с нагрузкой примерно 75% от вырабатывае­мой номин. мощности. По­этому для общепромышленных целей машины проектируют так, чтобы их кпд достигал максимума данной нагрузке. У транс­форматоров максимум кпд наступает при нагрузках 50-70% от номин. мощности. Та­кие показатели определяются статистическими исследованиями и опытом эксплуатации машин и трансформаторов разных се­рий. На рис. 1.2 представлена зависимость кпд от полезной мощности Р2*. Она рассчитана в относит. единицах путем деления теку­щего значения полезной мощности на ее номин. знач. Р2H, называемое также базовым. Относительные единицы измерения весьма удобны для определения параметров машин, необходимых для их эксплуатации. Мощность ЭМ и трансформаторов ограничена главным образом их нагревом. Номин. мощностью наз-ся мощность допустимая по условиям нагрева. Все остальные пара­метры, характеризующие условия работы, на кот. рассчитана машина или трансформатор, так же наз-ся номинальными. Но­минальные параметры указываются в паспортных данных. Это мощ­ность на выходе Р2Н (Рн), напряжение UH, ток IН, частота вращ. вала nН, кпд ηH, коэф. мощности cosφH , частота сети fH. К номин. параметрам следует также отнести параметры систем охлаждения, подачи масла, характерные для крупных машин и трансформаторов. Принято считать, что для двигателя номинальной мощностью явл. полезная мощность на его валу, а для генератора – эл. мощность, отдаваемая с его выходных зажимов в сеть. Номин. напряжения ЭМ и трансформа­торов согласованы со стандартными номинальными напряжениями электрических сетей. Номинальные напряжения для электродвигателей и первичных обмоток трансформаторов берутся равными стан­дартным напряжениям электрических сетей, а для генераторов и вто­ричных обмоток трансформаторов на 5-10% большими с целью компенсации падения напряжения в сетях. В настоящее время актуальной является задача экономии энер­горесурсов, решение которой во многом зависит от внедрения раз­личных энергосберегающих технологий. Совершенствуется конст­рукция ЭМ и трансформаторов, направленная на снижение потерь энергии, расширение диапазона регулирования дви­гателей и т.д. Проектируются и производятся электроэнергетические установки, работающие за счет возобновляемых источников энергии (Солнца, ветра, воды и т.д.). Внедрение управляемых ЭП на технологических установках, в основном на базе двигателей переменного тока с вентильными преобразователями частоты пи­тающего напряжения, а также использование автоматич. систем учета энергии и программного обеспечения к ним позволяет обеспе­чить рациональное регулирование параметров установок, оптимизи­ровать энергопотребление, сократить потери энергии, повысить каче­ство выпускаемой продукции, более точно прогнозировать развитие систем электроснабжения предприятий. Влияние геометрических размеров электрических машин и трансформаторов на их технико-экономические показатели.Конструкция ЭМ и трансформаторов, их раз­меры, масса, стоимость находятся в зависимости от мощности и скорости вращения. Для ряда подобных в геометрическом отношении машин или трансформаторов геометрические размеры любой ма­шины или трансформатора отличаются от размеров другой машины в одинаковое число раз. Для удобства анализа следует предположить, что плотности тока, магн. индукции в соответствующих частях, скорости вращения одинаковы. В этом случае можно рассматривать зависимость мощности, потерь и других величин от какого-либо ха­рактерного для машины или трансформатора геометрического раз­мера С. Внутренняя электромагн. мощность машины или транс­форматора Р пропорциональна произведению тока I на эдс обмотки Е. В свою очередь величина тока I пропорциональна сечению про­вода витка, а величина эдс Е - площади контура, охватываемой вит­ками. Т. о., получается зависимость электромагн. мощности Р от геом. размера l определяемая выр-­нием: P≡EI≡l4. (1.22) Для машин с номин. частотой вращения n можно пола­гать: l≡4√(P/n)≡4√(M) (1.23), где М - момент, развиваемый ЭМ и образован­ный в результате действия на проводники обмотки эл.-магн. сил. Если рассматривать ЭМ с одинаковой часто­той вращения или трансформаторы, то их геом. размеры будут изменяться пропорционально корню четвертой степени из их мощности: l≡4√(P) (1.24). Объем машин или трансформаторов V, их масса G, стоимость С прямо пропорциональны l3; те же величины на единицу мощности обратно пропорциональны l, а, следовательно, корню четвертой сте­пени из мощности 4√(P): V≡G≡C≡l3 (1.25); V/P≡G/P≡C/P≡1/l≡1/4√(P) (1.26). При соблюдении начальных условий эл. и магн. потери, а, следовательно, суммарные потери мощности ΔpΣ в от­дельных частях машины на единицу объема постоянны они растут прямо пропорционально l3: ΔpΣ≡l3 (1.27); ΔpΣ/P≡1/l (1.28). Отсюда следует, что масса машины или трансформатора, их стоимость на единицу мощности уменьшаются с увеличением гео­метрических размеров. Потери на единицу мощности при увеличении l и Р уменьша­ются, а кпд машин и трансформаторов увеличивается. В то же время площадь поверхностей охлаждения Sохл, с которых отводятся выде­ляющиеся в виде тепла потери ΔpΣ, растет прямо пропорционально l2, поэтому: ΔpΣ/Sохл≡l (1.29). Значение потерь на единицу поверхностей охлаждения растет прямо пропорционально l. В результате условия охлаждения в круп­ных машинах и трансформаторах ухудшаются. Это предъявляет вы­сокие требования к системам их охлаждения и контролю над их рабо­той. Приведенные зависимости показывают, что с ростом мощности ЭМ и трансформаторов относительный расход ма­териалов и относительная стоимость у крупных машин снижаются, а кпд возрастает. Аналогичным образом нетрудно установить, что при сохранении неизменными геом. размеров и эл.-маг­н. нагрузок масса, стоимость и потери на единицу мощности с увеличением скорости вращения уменьшаются. Экономически целе­сообразно строить и применять, где это возможно, быстроходные и крупные ЭМ, а также трансформаторы большой мощности. Зависимости (1.22) - (1.29) для машин и трансформаторов воз­растающей мощности на практике не соблюдаются точно, так как при увеличении мощности и скорости вращения всегда приходится но конструктивным и другим причинам отступать от геометрического подобия машин. Общие тенденции в изменении показателей масс, по­терь и стоимости указанные зависимости отображают достаточно хо­рошо. Именно поэтому они могут использоваться для практических целей. Нагревание и способы охлаждения электрических машин и трансформаторов.Процессы преобразования энергии в электрических машинах и трансформаторах сопровождаются потерями, которые в свою очередь выделяются в виде тепла, частично нагревая машину или трансфор­матор, а частично рассеиваются в окружающую среду. Для удобства проведения тепловых расчетов принято считать, что нагрев происхо­дит равномерно по всему объему машины, а рассеивание теплоты осуществляется равномерно со всей ее поверхности. В этих условиях уравнение теплового баланса имеет вид: qdt=mcdτ (1.30), где q – кол-во теплоты, выделяемое в машине (трансформаторе) в единицу времени. Оно равно q=Q/dt=ΔpΣ (1.31), где ΔpΣ - суммарные потери мощности в объекте, Вт; mcdτ – кол-во теплоты, расходуемой на нагревание объекта; m - масса нагре­ваемого объекта; с - удельная теплоемкость материала объекта, т.е. кол-во теплоты, необходимое для нагревания 1 кг этого материа­ла на 1 °С; τ - превышение температуры нагрева объекта над темпе­ратурой окр. среды; Sλτ – кол-во теплоты, рассеивае­мое с поверхности объекта в окружающее пространство в единицу времени; λ – коэф. теплового рассеяния, т.е. кол-во теп­лоты, рассеиваемой с единицы поверхности двигателя в 1с при пре­вышении температуры на 1°С. В нач. период работы машина (трансформатор) имеет температуру нагрева, не отличающуюся от температуры окр. среды Ɵ1, т.е. τ=0. При этом вся выделяемая в машине (трансформа­торе) теплота идет на его нагревание. Затем температура нагрева на­чинает превышать температуру окружающей среды, т.е. τ>0, часть теплоты, выделяемого в машине (трансформаторе), начинает рассеи­ваться в окр. среду. Когда температура нагрева объекта дос­тигает установившегося значения Ɵуст=const, вся выделяемая в ма­шине теплота рассеивается в окр. среду, т.е. наступает ре­жим теплового равновесия: qdt=Sλτустdt (1.32), где τуст – установившаяся температура перегрева, °С. τуст=Ɵуст-Ɵ1=q/Sλ (1.33). Из выр-ния (1.33) следует, что установившаяся температура перегрева определяется кол-вом теплоты q, выделяемым в ма­шине (трансформаторе) в единицу времени, а также от интенсивности ее охлаждения. Когда машина или трансформатор включаются в сеть, а их тем­пература равна температуре окр. среды Ɵ1, то зависимость температуры перегрева τ от времени t выражается равенством: τ=τуст(1-et/TH) (1.34), где Тн - постоянная времени нагревания, показывающая время, необ­ходимое для нагревания машины (трансформатора) до установив­шейся температуры, если бы не было теплового рассеяния с ее по­верхности, с. Принято считать, что в реальных условиях температура перегре­ва машины (трансформатора) достигает установившегося значения за время нагревания t=(4-5)TH. Если машину (трансформатор) отключить от сети, прекратив этим дальнейшее нагревание, то тепловое рассеяние будет происходить за счет накопленной в ней теплоты. В процессе остывания тем­пература перегрева понижается до τ=0, т.е. пока она не станет рав­ной температуре окружающей среды. Процесс охлаждения машины (трансформатора) отображается выр-нием: τ=τуст·et/TO, где ТО - постоянная времени охлаждения, с. Принято считать, что в реальных условиях температура перегре­ва машины (трансформатора) достигает установившегося значения за время нагревания t=(4-5)TO. Графики нагревания и охлаждения ЭМ и трансформаторов представлены рис. 1.3. В процессе работы ЭМ (трансформатора) нагреваются все детали и узлы. Наиболее чувствительна к перегреву эл. изоляция обмоток, теряющая свои изоляционные и ме­х. св-ва под действием температур, превышающих до­пустимые значения. Температура нагрева какой-либо части машины (трансформатора) Ɵ2 при известной температуре ее перегрева τуст и температуре окр. среды Ɵ1=40°С определяется по формуле: Ɵ2=τуст+Ɵ1=τуст+40 (1.36). Для ЭМ (трансформаторов) специального на­значения, работающих в условиях повышенной температуры окр. среды, напр., в условиях металлургического производст­ва, температуру Ɵ1 принимают равной более 40°С. Действующие стандарты устанавливают предельно допустимые температуры пере­грева для частей машины (трансформатора) при разных способах из­мерения. Увеличение мощности ЭМ (трансформато­ров), а также изменение параметров эксплуатации требует улучшения условий их охлаждения. Это достигается путем конструктивных ре­шений, применения сложных систем с автоматическим управлением и контролем параметров охлаждающей среды, охлаждаемых частей и т.д. На рис. 1.4 представлена классификация систем охлаждения (бло­ки, обведенные пунктиром, относятся только к вращающимся ЭМ). ЭМ (трансформаторы) по способам охлаждения разделяют на два вида: с естественным охлаж­дением и с искусственным охл-нием. Естественное охл-ние происх. без применения спец. мер путем теплопроводности и конвекции. Теплопроводность - передача теплоты внутри твердого тела от более нагретых слоев к менее нагретым слоям. Конвекция состоит в том, что частицы газа, воздуха или трансформаторного масла, соприкасающиеся с поверх­ностью нагретого тела, нагреваются, становятся легче и поднимаются вверх, уступая место менее нагретым частицам, и т.д. Такая конвек­ция называется естественной. Искусственная конвекция происходит во вращающихся машинах, которых создается принудительная цир­куляция воздуха или газа. Для искусственного охлаждения применяют спец. уст­ройства, кот. создают направленное движение газа или воздуха для охлаждения нагретых частей машин (трансформаторов). Искусст­венное охлаждение может проводиться как принудительно (по ра­зомкнутой или замкнутой системе), так и посредством самовентиля­ции с учетом конструктивного исполнения машины и ее отдельных частей. На технологич. установках предприятий металлургической и горной промышленности работает множество машин и трансфор­маторов разной мощности и исполнения. В условиях современного производства от специалистов, занимающихся вопросами эксплуата­ции, ремонта, испытаний данного типа ЭО, требу­ются знания по теории, принципу действия, конструктивному испол­нению, протеканию различных процессов в машинах и трансформа­торах. Представляется не менее важным уметь рассчитывать требуе­мую мощность и выбирать ЭМ и трансформаторы с учетом степени защиты, способа вентиляции, климатич. ис­полнения, мест эксплуатации; ориентироваться в возможных неис­правностях, причинах их появлений и способах устранения. Электромеханические преобразователи энергии. Основные характеристики электрических машин.Осн. использование ЭМ состоит в их применении в качестве генераторов или двигателей. В качестве гене­раторов используются преимущественно синхр. машины > мощности, составляющие основу эл. станций, а также асинхр. машины и машины пост. тока, применяемые в энергетич. установках малой мощности. Наиб. кол-во ЭМ используется как двигатели. Они составляют основу ЭП разл. промышленных мех-­мов. Св-ва ЭМ описываются математическими формулами и уравнениями, многие из которых можно представить в виде графически выраженных функциональных зависимостей в за­данной системе координат. Их исп. для анализа работы ЭМ в разл. режимах, обеспечения оптимальных условий эксплуатации, поиска неисправностей и т.д. Основные харак­теристики электрогенераторов: 1) внеш. характеристика - это зависимость напряжения на вы­ходе генератора от тока нагрузки U=f(I) при неизменных токе воз­буждения (Iв=const) и частоте вращения n=const; 2) характеристика холостого хода, выражающая зависимость на­пряжения (эдс) на выходе генератора от тока возбуждения U=f(Iв) в режиме холостого хода (I=0) и неизменной частоте вращения (n=const); 3) регулировочная характеристика, отображающая зависимость тока возбуждения от тока нагрузки Iв=f(I) при неизменных частоте вращения (n=const) и напряжении на выходе генератора (U=const). Осн. характеристиками эл.-двигателей являются: 1)мех. характеристика, показывающая взаимосвязь час­тоты вращения от момента нагрузки на валу двигателя (статического момента сопротивления рабочего мех-ма) n=f(M) при неизмен­ных значениях напряжения питания двигателя, тока возбуждения, со­противления в цепи рабочей обмотки (обмотки статора и ротора или обмотки якоря); 2) эл.-мех. характеристика, устанавливающая зави­симость частоты вращения от тока нагрузки n=f(I) при неизменных значениях напряжения и сопротивления в цепи рабочей обмотки дви­гателя; 3) регулировочная характеристика, выражающая зависимость частоты вращения от регулирующего параметра (ток возбуждения или напряжение питания); 4) рабочие характеристики, отображающие зависимости кпд η, коэффициента мощности cosφ, рабочего тока I, частоты вращения n от нагрузки двигателя (полезной мощности) Р2. Кроме вышеупомянутых зависимостей существуют и ряд других характеристик, используемых для определения недостающих пара­метров при промышленных испытаниях ЭМ, для оценки регулировочных возможностей ЭП в це­лом и т.д. Основы механики электропривода.В наст. время более 60% вырабатываемой эл.-эн. потребляется различными ЭП. ЭП - это управляемая эл.-мех. система, кот. преобраз. эл. эн. в мех. и обратно, а также управляет этом процессом. Основой ЭП явл. эл.-мех. преобразователь энергии (ЭМ), связанный с системой электроснабжения, мех. частью и системой управления. Изменения в сопря­женных системах непосредственно сказываются на работе ЭМ и на ее характеристиках. Влияние системы электро­снабжения связано с режимами ее работы. Действие системы управ­ления зависит от настроек ее параметров или заданной программы. Изменения в эл. части привода (регулирование величин напряжения питания, его частоты, тока возбуждения и т.д.) позволя­ют сформировать семейства характеристик ЭМ, кот. в силу конструктивных особенностей и принципа действия имеют различные количественные и качественные показатели. Воз­действия на ЭМ возмущающих факторов со сто­роны мех. агрегата в целом проявляется одинаково и зависит от назначения мех-ма. ЭМ с вращ. частями, на базе которых строится большинство ЭП обладают целям рядом преимуществ по отнош. к машинам с др. видами дв-ния рабочих органов. Чтобы оценить св-ва конкретного ЭП требуется описать его ур-ние дв-ния. Для этой цели рассм. самую простую мех. систему, представлен­ную на рис. 3.1. Она со­ст. из ротора двигате­ля и непосредственно связанной с ним нагруз­ки - рабочего органа машины. Такая система отражает реальную ме­х. часть многих промышленных мех-мов. При рассмот­рении режимов работы привода удобно относить все моменты к валу ЭМ. Состояние приводного агрегата зависит от действия вращ. момента машины М, возникающего в резуль­тате действия эл.-магн. сил, и статич. момента МС, ко­т. характеризует противодействие мех-ма (нагрузки), а также потери в мех. части на трение. Обычно между ЭМ и нагрузкой нах-ся какая-либо мех. передача, т.е. имеется несколько различных валов со своими моментами и ско­ростями. Для сведения любой реальной системы к модели рис. 3.1 следует выполнить приведение моментов мех-ма МС к валу ЭМ, заменить реальную мех. систему на эк­вивалентную ей. Каждый из моментов М и МС может быть как движущим, так и тормозящим. Напр., при вращении вентилятора или движении конвейера М - движущий, МС - тормозящий; при опускании краном груза при генераторном режиме М - тормозящий, МС — движущий; при силовом спуске груза оба момента являются движущими; при эл. торможение прокатного стана оба момента - тормо­зящие. Двигательный режим ЭМ характеризуется тем, что вращ. привода происх. в направлении действия ее момента М. В генераторном режиме ЭМ ее мо­мент М направлен против вращения. В результате изложенного можно прийти к выводу, что ур-ние движения системы рис. 3.1 имеет вид: ±M±MC=J·dω/dt (3.1) где ω - угловая скорость вращения, с-1; J - суммарный момент инер­ции привода, приведенный к валу ЭМ, кг-м2. Правая часть ур-ния (3.1) представляет собой динамический момент J·dω/dt=Mдин. Он возникает, когда алгебраическая сумма мо­ментов М и МС отлична от нуля. Знак и значение динамического мо­мента определяют ускорение (замедление) ЭП. Реж. работы с неизменной скоростью вращения, при кот. моменты машины и нагрузки равны и противоположно направлены (Мдин=0), называют установившимся или статическим. Реж., при кот. Мдин≠0, наз-ся переходным или динамическим (разгон, тормо­жение, смена нагрузки и т.д.). Моменты М и МС могут зависеть от времени, от параметров ЭМ или механизма, от скорости. Зависимости моментов от скорости представл. собой мех. характери­стики, кот. достаточно удобны при анализе статич. и дина­мич. режимов ЭП. Моменты и скорости могут иметь разл. знаки, мех. характеристики располаг. в 4 квадрантах системы координат ω-М. Квадранты номеру­ют римскими цифрами I-IV. Знаки величин определяют, принимая одно из направлений за положительное, например, по часовой стрелке или вверх, или вправо и т.п. Моменты, направленные по движению (движущие), имеют знак, совпадающий со знаком скорости. Моменты, направленные против движения (тормозящие) имеют знак, противоположный знаку скорости. Знаки в уравнении движения (3.1) с учетом этих правил можно записывать следующим образом: 1) при совпадении направления М и ω ставится знак «+»; 2) при встречном направлении М и ω ставится знак «-». Моменты рабочих мех-мов, представленные на рис. 3.2, принято делить на активные и реактивные. Активные (потенциаль­ные) статические моменты действуют неизменно в одном направлении, независимо от направления движения механизма (рис. 3.2, а). Такой момент остается неизменным даже при неподв. мех-ме, так как он вызывается постоянно действующими внешними силами (момент сопротивления подъемного механизма типа «ле­бедка», создаваемый грузом, подвешенным на тросе). Реактивные статические моменты действуют только в движу­щихся мех-мах. Они направлены всегда противоположно этому движению, т.е. противоположно вращ. моменту двигателя. При изменении направления дв-ния также изменится направление реакт. статич. момента. На рис. 3.2,б представлена мех. характеристика реакт. статич. момента сопро­тивления, вызванного силами трения, резания, пластической дефор­мации в движущихся частях любого мех-ма. Реакт. статич. моменты большинства производствен­ных мех-мов зависят не только от направления, но и от скорости движения. Мех. характеристики реактивных статич. моментов могут иметь разную форму. Напр., у центробежных вентиляторов, насосов и др. аналогичных мех-мов статич. момент сопротивления пропорционален квадрату частоты вра­щения (М~ω2). Мех. характеристика таких мех-мов показана на рис. 3.2,в. Рассмотренные мех. характеристики мех-мов име­ют приближенный вид. Характеристики реальных мех-мов с уче­том особенностей их конструкции и условий эксплуатации имеют бо­лее разнообразную форму. Установившийся режим ЭМ и рабочего ме­х-ма характеризуется их совместной работой при неизменных значениях частоты вращения и эл.-магн. момента. Этому режиму соответствует точка на мех. характеристики, для определения координат которой следует воспользоваться мех. характеристиками ЭМ и рабочего мех-ма, построив их в одних осях координат, но в разных квадрантах, как показано на рис. 3.3,а. Для упрощения построений обе характе­ристики изображают в первом квадранте, т.е. вместо характеристики ω=f(MC) в первом квадранте строят ее зеркальное изображение ω=f(-МC). Точка пересечения этой характеристики с мех. характеристикой машины (точка А) с координатами ωуст и Mvcm будет точкой установившегося режима. Характеристику оценивают по ее жесткости β (рис. 3.3,б): β=ΔM/Δω=(M2-M1)/ω1-ω2 (3.2). Для прямолинейной мех. характеристики жесткость определяется тангенсом угла α наклона характеристики к оси орди­нат. При криволинейной мех. характеристике ее жесткость β определяется в рабочей точке, как тангенс угла α наклона каса­тельной, проведенной в этой точке, к оси ординат. Чем больше угол α, тем жестче характеристика. При α=90° мех. характери­стика расположена параллельно оси абсцисс и наз-ся абсолютно жесткой. В случае α=0 мех. характеристика расположена параллельно оси ординат. Она наз-ся абсолютно мягкой харак­теристикой. ЭМ в режимах двигателя и генератора долж­на обладать устойчивостью, т.е. автоматически поддерживать задан­ную частоту вращения при воздействии каких-либо возмущающих факторов со стороны сети или приводных мех-мов. Режимы работы и охлаждение электрических машин.Режим работы ЭМ - это установленный по­рядок чередования периодов, характеризуемых величиной и продол­жительностью нагрузки, отключений, торможения, пуска и реверса во время ее работы. Режимы работы эл.-двигателей в ЭП разл. рабочих мех-мов разнообразны. Они определяются технологическими процессами, реализуемыми рабочими мех-ма­ми. Для иллюстрации этих режимов используют нагрузочные диа­граммы. Такая диаграмма представляет графически выраженную за­висимость параметра, характеризующего нагрузку приводного двига­теля (мощности Р, момента М, силы потребляемого тока I) от про­должительности t отдельных этапов, составляющих время работы ЭП. Согласно действующему стандарту сущ-ет 3 осн. режима работы двигателей, различающиеся характером изменения нагрузки: продолжительным, кратковременный и повторно- кратковременный. Продолжительный режим работы S1 характеризуется такой дли­тельностью работы двигателя, при которой температура перегрева всех его частей достигает установившихся значений τуст. Различают продолжительный режим с неизменной нагрузкой, показанный на рис. 3.4,а (ЭП насосов, вентиляторов, транспортеров), и продолжительный режим с изменяющейся нагрузкой, представлен­ный на рис. 3.4,б (ЭП прокатных станов, металлорежу­щих станков и т.п.). Кратковременный режим работы S2 характеризуется тем, что периоды неизменной номи­н. нагрузки чередуются с периодами отключения двига­теля. При этом периоды работы (нагрузки) двигателя tp на­столько кратковременны, что температуры нагрева всех частей двигателя не достигают устано­вившихся значений, а периоды отключения двигателя настолько продолжительны, что все части двигателя успевают охладиться до температуры окр. среды. По стандарту tp=10; 30; 60; 90 мин. В условном обозначении кратковременного режима указывается продолжительность периода нагрузки, например S2-30 мин. В крат­ковременном режиме работают ЭП разного рода засло­нок, вентилей и других запорных устройств, регулирующих подачу рабочего в-ва (газ, вода и др.) посредством трубопровода к объ­екту потребления. Нагрузочная диагр. режима S2 отображена на рис. 3.5. Повторно-кратковременный режим S3 характеризуется тем, что кратковременные периоды работы двигателя tp чередуются с перио­дами его отключения (паузами) tn. Причем за период работы tp пре­вышение температуры не успевает достигнуть установившихся зна­чений, а за время паузы части двигателя не успевают охладиться до температуры окр. среды. Общее время ра­боты двигателя в режиме S3 делится на периодиче­ски повторяющиеся цик­лы продолжительностью tц=tp+tn. Нагрузочная диаграмма повторно-кратковременного режима представлена на рис. 3.6. На диагр. τуст - уста­новившееся значение температуры перегрева при повторно-кратковременном режиме. В режиме S3 работают ЭП лифтов, подъемных кранов, экскаваторов, для кот. характерна цикличность. Этот реж. характеризуется относи­тельной продолжительностью включения ПВ, %: ПВ=tp/tц·100% (3.3). Действующим стандартом предусмотрены номинальные по­вторно-кратковременные режимы с ПВ 15, 25, 40 и 60% (для продол­жительного режима ПВ=100%). В усл. обозначении повторно-кратковременного режима указывают величину ПВ, например, S3-40%. Двигатель с номин. мощностью Рн с ПВ1 может быть ис­пользован при другой ПВ2. Мощность Р, на которую допускается при этом нагружать двигатель, определяется приближенным соотно­шением: P=PH·√(ПВ1/ПВ2) (3.4). Напр., при переводе двигателя из продолжительного режи­ма (ПВ=100%) в повторно-кратковременный режим, мощность двига­теля, по сравнению с его мощностью в продолжительном режиме, может быть увеличена на 30% для ПВ-60%, на 60% для ПВ=40%, в 2 раза в случае ПВ=25%, а в 2,6 раза для ПВ=15%. Режимы SI, S2, S3 считаются основными. В каталогах на двига­тели, предназначенные для работы в каком-либо из этих режимов, указаны номинальные данные, соответствующие режиму. Стандар­том предусмотрены еще и дополнительные режимы: 1) повторно-кратковременный режим S4 с частыми пусками, с числом включений в час 30, 60, 120 или 240; 2) повторно-кратковременный режим S5 с частыми пусками и эл. торможением в конце каждого цикла; 3) перемежающийся реж. S6 с частыми реверсами и эл. торможением; 4) перемежающийся режим S7 с частыми пусками, реверсами и эл. торможением; 5) перемежающийся режим S8 с двумя и более разными частота­ми вращения. Работа ЭМ в любом из упомянутых режимах, особенно при пусках и торможениях, сопровождается потерями энер­гии с выделением теплоты в их частях. Охлаждение, особенно машин большой мощности, явл. сложной и ответственной задачей. При этом исп-ся не только конструктивные, но и спец. меры, заключающиеся в приме­нении систем охлаждения. Как правило, в ЭМ применимо искусственное охлажде­ние (рис. 1.4), включаю­щее в себя самовентиляцию и принудительную вентиляцию. Самовентиляция состоит в создании направленного движения воздуха от вентилятора на валу машины, которые охлаждают ее на­гретые части. При наружной самовентиляции воздухом обдувается внеш. пов-ть корпуса статора. Машина, как правило, имеет за­крытое исполнение с ребристой поверхностью, кот. обеспечивает увеличение пов-ти охлаждения. Для внутр. самовентиляции в корпусе и подшипниковых щитах машины выполняют специ­альные отверстия, через которые воздух из среды, окружающей ма­шину, проникает внутрь благодаря центробежному вентилятору на валу, охлаждает машину, «омывая» ее нагретые части, а затем нагре­тым выбрасывается наружу через специальные отверстия (жалюзи) в левом подшипниковом щите со стороны, противоположной вентиля­тору. Принцип внутренней самовентиляции ЭМ отображен на рис. 3.7. Тепловые потоки от эл. и магн. потерь соответственно показаны светлыми и темными стрелками. Тонкие линии показывают направления воздуха с температурой ок­р. среды θ1, проникающего внутрь машины, и выбрасываю­щегося наружу с температурой θ2. Для более эффективного охлаждения в магнитопроводе нек-рых ЭМ де­лают вентиляционные каналы, через кот. проходит охлаждающий воздух. Вентиляционные каналы называется соответственно аксиаль­ными и радиальными. Аксиальные каналы расположены параллельно оси машины, радиальные каналы расположены перпендикулярно этой оси. Примеры аксиальной и радиальной систем вентиляции изображе­ны на рис. 3.8. Радиальные вентиляционные каналы получаются деле­нием общей длины сердечника на пакеты по 40 - 60 мм. Между паке­тами оставляют промежутки по 10 мм, которые явл. радиальны­ми каналами. Иногда в машинах применяют радиально-аксиальную вентиляцию. Независимая вентиляция необх. при работе ЭМ на низких частотах вращения, а также во взрывоопасной или химически активной среде. Для обеспечения этого вентилятору ма­шины требуется собственный привод, частота вращения которого не зависит от режима работы машины, или применяются разомкнутые и замкнутые независимые системы вентиляции, схемы кот. показа­ны на рис. 3.9. Воздух в машину 1 нагнетается с помощью вентилято­ра 2 через трубопровод 3. При разомкнутой системе независимой вентиляции (рис. 3.9,а) воздух выбрасывается наружу по трубе 4. В системе независимой вентиляции, работающей по замкнутому циклу (рис. 3.9, б), нагретый воздух проходит через радиатор охладителя 5, охлаждаясь посредством протекающей в радиаторе холодной воды. Применяемые в ЭМ способы охлаждения нах-ся во взаимосвязи с конструктивными формами исполнения машин. Стандартизация основных параметров электрических машин. Стандартизация осн. параметров ЭМ от­носится, прежде всего, к номин. мощности, номин. на­пряжению и номин. частоте вращения. Стандартизация ЭМ по высоте оси вращения, установочным и присоедини­тельным р-рам позволяет избежать неоправданного увеличения типоразмеров машин. Она удобна при комплектовании ими энергети­ч. установок и комплектных ЭП, необходима для международной торговли ЭМ и различным оборудованием, совместно с кот. ЭМ эксплуатируются. Государственными стандартами определены ряды но­мин. мощностей (кВт), напряжений (В), частот вращения (об/мин), высот оси вращения (мм), а также мероприятия, кот. проводятся при проектировании, испытаниях, эксплуатации ЭМ. Конструктивные формы исполнения ЭМ оп­ределяются степенью защиты, способами охлаждения и монтажа, воздействием климатических факторов окр. среды и катего­рий мест размещения ЭМ при эксплуатации, и ого­ворены стандартами. Степень защиты ЭМ для обслуживающего персонала и от попадания внутрь тв. предметов и воды обозна­чается буквами IP (International Protection) и двумя цифрами: IPXX. Первая цифра обозначает степень защиты персонала от защиты пер­сонала от соприкосновения с токоведущими и вращающимися частя­ми и от попадания внутрь машины твердых тел (0-5); вторая цифра обозначает степень защиты от проникновения воды внутрь машины (0-8). Стандартом оговорены термины и определения применитель­но к видам защиты ЭМ. Опытом эксплуатации оп­ределена увязка способов защиты со способами охлаждения машин. Способы охлаждения ЭМ обозначают буквами IС (International Cooling). Следующие за ними буквы и цифры характе­ризуют способ охлаждения машины, а также наличие разомкнутой или замкнутой системы охлаждения. Сначала указывается буква, обо­значающая вид хладагента: А - воздух, Н - водород, W - вода. Если хладагентом явл. только воздух, то буква опускается. Первая цифра условно обозначает устройство цепи охлаждения для циркуля­ции хладагента (0-8); вторая цифра обозначает способ перемещения хладагента (0-8). Если машина имеет несколько цепей охлаждения (внутренняя вентиляция и наружный обдув и др.), то в обозначении может быть 4 цифры: две - для обозначения наружной цепи ох­лаждения и две - для внутренней. Монтаж ЭМ определяет способ крепления ЭМ в месте ее установки и способ ее сочленения с рабочим мех-мом. Монтаж машин в большинстве случаев осу­ществляется на лапах или посредством фланцев с возможностью го­ризонтального или вертикального расположения вала машины. Раз­новидности конструктивного исполнения ЭМ по способу монтажа определяются стандартом. Условное обозначение машины по способу монтажа отображается буквами IM (International Mounting) и четырьмя цифрами: IMXXXX. 1 цифра - это груп­па конструктивного исполнения (1-9); 2 и 3 цифры обо­знач. способ монтажа; 4 цифра показывает кол-во и форму исполнения выступающих концов вала (0-8). На надежность ЭМ при их эксплуат. зна­чит. влияние оказывают различные климатические условия внеш. среды. Установлены категории мест размещения ЭО при эксплуатации. Оговорены стандартами допусти­мые отклонения в связи с реальными условиями эксплуатации, в ко­т. может оказаться машина. Напр., если машины общего на­значения предназначены для работы на высоте над уровнем моря до 1000 м, то в случае работы на высоте более 1000 м их номинальная мощность должна быть снижена. ЭМ изготавливают сериями. Серия пред­ставляет ряд подобных машин с возрастающей по заданной шкале мощностью, имеющих однотипную конструкцию и удовлетворяющих единому комплексу требований. Каждая ЭМ, вхо­дящая в серию, представляет типоразмер с определенными парамет­рами (мощность, частота вращения, масса и т.п.) и установочно-присоединительными размерами. Периодически некоторые серии подвергаются модернизации; часть серий снимаются с производства, взамен создаются новые, более совершенные. Накопление опыта по проектированию и эксплуатации машин, развитие науки и техноло­гии, унификация типоразмеров составных частей приводят к созда­нию экономически более выгодных серий ЭМ. Машины постоянного тока. Общие сведения. Принцип действия.Машины пост. тока первыми из ЭМ получили практическое применение. В настоящее время электропро­мышленность выпускает машины мощностью от долей ватт до не­скольких сотен и тысяч киловатт. Машины пост. тока применяют в качестве эл.-двигателей и генераторов. Эл.-­двигатели пост. тока имеют хорошие регулировочные св-ва, значительную перегрузочную способность и могут быть спроек­тированы с любыми рабочими характеристиками. Они широко ис­пользуются для приводов мех-мов, требующих плавного и глубо­кого регулирования скорости. На металлургических и горных пред­приятиях такими приводами являются прокатные станы, кантователи, шахтные подъемники, экскаваторы; на транспорте - железнодорож­ные локомотивы, электромобили, морские и речные суда и т.д. Ге­нераторы пост. тока используются как источники эл. эн. для заряда аккумуляторных батарей, питания электро­лизных и гальванических ванн, обмоток возбуждения синхронных генераторов и т.д. В системах автоматики применяются выпол­ненные на разные мощности машины специальной конструкции (исполнительные двигатели, тахогенераторы, электромашинные усилители). Разработаны машины пост. тока с полупровод­никовыми коммутаторами, МГД-машины и т.д. Машины пост. тока дороже машин переменного тока, имеют по сравнению с ними завышенные габариты и массу, относи­тельно сложны в изготовлении. В крупных машинах серьезные экс­плуатационные трудности создает наличие щеточного-коллекторного узла. Это ведет к образованию радиопомех и явл. источником пожароопасности. В различных отраслях промышленности ЭП пост. тока постепенно заменяются ЭП переем. тока. Несмотря на это в некоторых установках машины пост. тока незаменимы. Изучение разл. про­цессов эл.-мех. преобразования эн., построение систем управления ЭП, оценку качества регулирова­ния их параметров часто целесообразно начинать применительно к машинам пост. тока. Простейшая машина пост. тока (рис. 6.1) состоит из ин­дуктора 1, кот. представлен в виде пост. магнита, и якоря 2. Индуктор предназначен для создания основного магн. поля машины. На якоре закреплена обмотка, состоящая из одного витка. Ее выводы прикреплены к пластинам 3, кот. образуют элемен­тарный коллектор. С коллекторными пластинами соединены щётки 4, предназначенные для замыкания обмотки якоря на внеш. цепь или для присоединения ее к источнику питания. В режиме генератора (рис. 6.2,а) якорь вращается по часовой стрелке в постоян­ном магн. поле индукто­ра. В обоих проводниках якорной обмотки индуктиру­ется одинаковые эдс. Они складываются по контуру об­мотки, образуя эдс якоря Еа. Направление Еа в проводни­ках определяется по правилу правой руки. После замыка­ния обмотки якоря на внеш­нюю цепь в ней течёт ток Iа, совпадающий по направлению со своей эдс. Ток якоря взаимодействует с магн. полем ин­дуктора. Возникает эл.-магн. сила FA. Направление силы FA, действующей на проводник, определяется по правилу левой руки. Она образует эл.-магн. момент М генератора, направлен­ный против направления вращ. якоря. Машина в генераторном режиме развивает тормозной момент, на преодоление кот. рас­ходуется эн. приводного агрегата. Напряжение пост. тока Uа на зажимах якоря будет < эдс Еа на величину падения на­пряжения в сопротивлении обмотки якоря rа: Ua=Ea-Iara (6.1). В режиме двигателя (рис. 6.2,б) к обмоткам подводят напряже­ние, полярность кот. обеспечит то же направление тока. Возникающие эл.-маг­н. силы приведут ро­тор во вращение и совер­шат некоторую мех. работу. В якорной обмотке двигателя также индуктируется эдс. Одна­ко, в отличие от режима генератора, она направле­на встречно относ. тока Iа и ограничивает его величину. Приложенное к якорю двигателя напряже­ние Ua уравновешивается эдс Еа и падением напря­жения в обмотке якоря: Ua=Ea+Iara (6.2). При вращении якоря в его обмотке индуцируется эдс. Она явл. переменной, поскольку проводники обмотки якоря поочередно проходят под северными и южными полюсами. Если на концах про­водников (рис. 6.1) устано­вить контактные кольца, то форма кривых эдс Еа и тока Iа обмотки якоря будет иметь вид на рис. 6.3,а По­ложение щеток не имеет значения. В случае примене­ния коллектора если обмотка якоря с помощью щёток замкнута на внеш. цепь, то при работе машины в ге­нераторном режиме форма кривых Еа и Iа в про­водниках такие же, как и на рис. 6.3,а. Для внеш. цепи формы кривых эдс и тока якоря представлена на рис. 6.3,б. Это объ­ясняется тем, что при повороте якоря и коллектора изменяются на­правления эдс в проводниках. Также происходит смена коллекторных пластин под щетками. Из-за этого под верхней щёткой всегда будет находиться пластина, соединенная с расположенным под северным полюсом проводником, а под нижней щеткой - пластина, соединен­ная с проводником, расположенным под южным полюсом. В резуль­тате этого полярность щёток и направление тока во внешней цепи ос­таются неизменными. =>, в режиме генератора коллектор явл. мех. выпрямителем, преобразующим переем. ток обмот­ки якоря в пост. ток внеш. цепи. В режиме двигателя маши­на потребляет от источника пост. ток. Коллектор превращает пост. ток в перем. ток обмоток якоря, и работает мех. инвертором. Устройство машин постоянного тока. Назначение элементов конструкции. Способы возбуждения.Машины пост. тока (рис.6.4) по конст­руктивному исполнению подобна обращенной син­хр. машине, у кот. обмотка якоря распо­ложена на роторе, а об­мотка возбуждения - на статоре. Машины пост. тока имеет на яко­ре коллектор. Ее статор кроме гл. полюсов с обмоткой возбуждения содержит добавоч. по­люсы для уменьшения ис­крения под щетками. Ста­нина машины выполняет­ся, как правило, литой и явл. основным несущим эл-том конструкции. На ее торцах устанавливаются подшипни­ковые щиты. Станина одновременно явл. магнитопроводом для созда­ния магн. полей гл. и доба­вочных полюсов. Сердечники полю­сов с обмотками крепятся к станине болтами. Число гл. полюсов все­гда является четным. Северные и юж­ные полюсы чередуются. Сердечники гл. полюсов (рис. 6.5) набираются из изолирован­ных штампованных пластин холодно­катаной эл.-техн. стали. При этом снижаются потери на вих­ревые токи и упрощается технология их изготовления. Обмотки гл. полюсов (рис. 6.6,а) обычно разделя­ют на несколько катушек (секций) для улучшения их охлаждения. Катушки изготавливаются из изолированного медного провода круглого сечения. Между секциями обмотки уста­навливаются дистанционные шайбы, посредством кот. образуют­ся вентиляционные каналы. Сердечники добавочных полюсов (рис. 6.6,б) набирают из пластин холоднокатаной стали толщиной 1 мм или монолитными из полосовой стали. Катушки этих полюсов выполня­ются проводом прямоугольного сечения (полосовая медь). Аналогич­ное исполнение имеют последовательные катушки обмоток возбуж­дения. Сердечник якоря набирают из пластин холоднокатаной эл.-техн. стали толщиной 0,5 мм, кот. предварительно изоли­руются друг от друга (рис. 6.7). Затем пластины спрессовывают и сжимают нажимными шайбами в пакет, в кот. выполнены каналы для аксиальной венти­ляции. При диаметре якоря до 1 м пластины выполнены как на рис. 6.8,а. При > диаметрах сер­дечник набирают из сегментов (рис.6.8,б). Для крепления к кор­пусу якоря в сегмен­тах штампуются гнез­да для соединения ти­па «ласточкин хвост». На наружной по­в-ти сердечника якоря в пазах распола­гается обмотка. Она изготавливается из провода круглого или прямо­угольного сечения. Обмотка сост. из отдельных якорных катушек, кот. выполняются по шабло­нам. Катушки обматывают изоля­ционными лентами и укладывают в пазы сердечника якоря. Обмотку выполняют двухслойной. В каждом пазу укладывают одну поверх дру­гой две стороны различных якор­ных катушек (рис. 6.9). Это актив­ные части обмотки, кот. нах-ся в области действия осн. магн. поля машины. Части обмотки, выступающие за пределы сердечника, наз-ся лобовыми. Каждая якорная катушка включает в себя несколько секций, концы кот. припаивают к соответст­вующим коллекторным пластинам. Секции могут быть одно- или многовитковыми. Нажимные шайбы (рис. 6.1,а) выполняют роль обмоткодержателей лобовых частей обмотки якоря. Наиболее сложным и ответственным узлом машины пост. тока явл. коллектор (рис. 6.10). Он расположен на одном валу с сердечником якоря и вентилятором. Коллектор состоит из набора медных пластин трапецеидального сечения, изолированных друг от друга миканитовыми прокладками. Выступающая вверх часть кол­лекторных пластин наз-ся «петушок». Она служит для присоединения секций обмотки якоря к пластинам коллектора. На пластинах делают фаски, чтобы уменьшить износ щеток при работе машины. Периодически выполняется «продораживание» коллектора, т.е. меж­ду рабочими пов-ми коллекторных пластин фрезеруют пазы (дорожки) на глубину до 1,5 мм. По цилиндрической час­ти коллектора скользят щет­ки, кот. установлены в щеткодержателях (рис.6.11,а). Щеткодержатели укреплены на изолированных от них щё­точных пальцах (рис.6.11,б). Число щёточных пальцев равно числу гл. полюсов машины. Они крепятся к тра­версе. Траверса обычно кре­пится к подшипниковому щи­ту, а в мощных машинах - к станине. Предусматривается возможность поворота тра­версы для установки щёток в правильное положение. Щет­ки (рис.6.11,в) соединяют коллектор с вн. цепью. Они изготавливаются прес­совкой и термич. обра­боткой из порошков графита, кокса и других компонентов. При вращении якоря щетки сохраняют неизменное поло­жение отн. полюсов машины. Давление на щетку должно быть отрегулировано. Чрезмерный нажим щетки на коллектор вызывает прежде­временный ее износ, а недос­таточный нажим - искрение на коллекторе. Щетки делятся на группы в зависимости от состава, способа изготовления и физических св-в. Для каждой машины следует применять щетки только уста­новленной марки, кот. выбирается заводом-изготовителем, исхо­дя из условий работы машины. Способы возбуждения. Катушки обмотки возбуждения всех полюсов соединяются по­следовательно по магн. потоку. В зависимости от их включе­ния по отнош. к обмотке якоря машины пост. тока имеют следующую классификацию (рис.6.28): 1) машины незав. возбуждения, когда обмотка возбуждения запитана от независ. (автономного) источника или поле машины образуется пост. магнитом; 2) машины паралл. возбуждения (шунтовые), когда обмотка возбуждения включена паралл. обмотке якоря; 3) машины последов. возбуждения (сериесные), когда ток якоря явл. током возбуждения; 4) машины смеш. возбуждения (компаудные), имеющие паралл. и последов. обмотки. Такие машины имеют характеристики промежуточные между характеристиками машин па­ралл. и последов. возбуждения и приближаются к тем или другим в зависимости от соотношения по магнитодвижущим силам обмоток. На рис.6.28 сплошные стрелки показывают направления токов в режиме генератора, а штриховые - в режиме двигателя. Мощность, затрачиваемая на возбуждение машины, составляет 0,5-3% ее номи­н. мощности. Чем мощнее машина, тем эта доля меньше. Спо­соб возбуждения влияет на св-ва машины пост. тока. Волновые и петлевые обмотки якорей машин постоянного тока.Обмотка якоря должна удовлетворять следующим требованиям: 1) быть рассчитана на напряжение и токи нагрузки, соответст­вующие номин. мощности машины; 2) иметь необх. электрич., мех. и термич. стойкость; 3) иметь конструкцию, обеспечивающую удовлетворительные условия токосъема с коллектора; 4) соответствовать миним. расходу материала при задан­ных показателях работы машины; 5) технология изготовления обмотки должна быть по возможно­сти простой. Обычно обмотки якоря выполняют двухслойными. При этом одна активная сторона нах-ся в нижнем слое одного паза, а другая - в верхнем слое другого паза. Различают петлевые и волновые обмотки якоря (рис. 6.12). В машинах большой мощности при­меняют обмотки, пред­ставляющие сочетание петлевой и волновой об­моток. Основной частью каждой обмотки является секция, состоящая из од­ного или нескольких последовательно соединенных витков. Концы секции присоединены к «петушкам» коллекторных пластин. Две стороны разных секций, располагаются одна над другой и образуют элементарный паз. Число пластин коллектора К равно числу секций обмотки S и числу пазов Z. Число коллекторных пластин по возможности должно быть > для уменьшения пульсаций тока и эдс. При этом уменьшается разность потенциалов между ними. Практически в низковольтных машинах пост. тока имеет место отнош. K/2p=12=35. Однако, при изготовлении якорей с > числом Z пазы получают­ся узкими, снижается их прочность. Изоляция обмоток занимает зна­чительную часть сечения паза, уменьшается сечение проводников. Это ведёт к снижению мощности машины и ее удорожанию. Во из­бежание этого в каждом слое паза размещают рядом несколько эле­ментарных пазов uП. В каждом слое элементарного паза располагает­ся одна секционная сторона (рис. 6.13). Общее число элементарных пазов якоря определяется выр-нием ZЭ=uпZ=S=K (6.3). Пазовые стороны секций расположе­ны в пазах сердечника якоря. Расст. между пазовыми сторонами секции при­мерно = полюсному делению τ=πDa (6.4), где Da - диаметр сердечника якоря. Секции обмоток якоря соединены по­следов. друг с другом и образуют замкнутую на себя цепь (рис. 6.14). В этом случае обмотка имеет одну пару (а=1) па­ралл. ветвей. Машина может иметь а=1,2,3,... Для обеспечения наилучших условий работы требуется, чтобы эдс всех ветвей обмотки и их сопротивления были =. В этом случае токи всех паралл. ветвей также будут равны ia=Ia/2a (6.5). Обмотка якоря считаются симметричной, если симметрична магн. цепь и все пары паралл. ветвей располагаются в магн. поле идентичным образом. При нарушении указанных требований разные ветви обмотки нагружаются различными по зна­чению токами. Это вызывает на­рушение работы щеточных кон­тактов и рост потерь в обмотке. На схемах обмоток стороны секций, находящиеся в верхнем слое, изображаются сплошными линиями, а стороны, расположен­ные в нижнем слое, - штриховы­ми линиями. В простой волн. обмотке (рис. 6.15) концы каждой секции присоединены к пласти­нам коллектора. Пластины нах-ся на расстоянии, кот. наз-ся шагом обмотки по коллектору yК=(К±1)/p≈τ (6.6). В схеме рис. 6.15 у1 - первый частич­ный шаг, кот. определяет расст. по пов-ти якоря между нач. и конечной сторонами секции. Второй час­тичный шаг у2 определяет расст. ме­жду конечной стороной данной секции и нач. стороной следующей за ней секции. Результирующий шаг обмотки y=y1+y2. Число паралл. ветвей 2а=2. В простой петл. обмотке (рис. 6.16) каждая секция присоединена к двум рядом лежащим коллекторным пластинам. Результирующий шаг обмотки у=у1+у2. Шаг обмотки по коллектору ук=у=±1. Число паралл. ветвей = числу полюсов 2а=2р. Эдс, наводимые во всех паралл. ветвях петлевой обмотки, должны быть =. Однако, из-за технологических допусков в вели­чинах возд. зазора под разными полюсами, дефектов литья в корпусе и других причин магн. потоки отдельных полюсов раз­личаются между собой. При этом в паралл. ветвях индуциру­ются неодинаковые эдс. Эти эдс могут оказаться достаточными для того, чтобы по паралл. ветвям протекали уравнительные токи. Из-за малого сопротивления обмотки якоря они оказываются значи­тельными, даже на хол. ходу машины. Уравнит. токи на­гружают щетки и вызывают искрение на коллекторе. Поэтому в пет­левых обмотках выполняются уравнительные соединения точек об­мотки, кот. имеют теоретически равные потенциалы. Уравни­тельные соединения располагают обычно под лобовыми частями об­мотки рядом с коллектором. При этом они нах-ся вне магн. поля гл. полюсов и эдс в них не наводятся. Токи, проходящие по уравнит. соединениям, создают магнитодвижущие силы, кот. уменьшают неравенство магн. потоков отдельных полюсов. Схема простой петлевой обмотки показана на рис. 6.17. Уравнит. соединения для простой волн. обмотки не требуется. У таких обмоток в каждую паралл. ветвь входят секции, стороны кот. расположены под всеми полюсами. При этом неравенство потоков отдельных полюсов не вызывает неравен­ства эдс в паралл. ветвях. Схема простой волн. обмотки показана на рис. 6.18. Простые петл. обмотки применяются в машинах с мощно­стями 50 - 500 кВт при напряжении до 440 В и большой мощности при напряжении до 600 В. При этом уменьшается величина тока в па­ралл. ветви. В мощных машинах этот ток не должен превышать опред. значений. При этом по (6.5) с увеличением мощности и тока машины увеличивают число полюсов. Простые волновые об­мотки используются в машинах малой и ср. мощности (до 200 - 300 кВт) при напряжениях 750 В и выше. В машинах мощностью бо­лее 1000 кВт применяют сложные петлевые и волн. обмотки, а также обмотки комбинированного типа. Эдс якоря и электромагнитный момент машин постоянного тока.При вращении якоря в магн. поле в его обмотке наводится эдс. Она осуществляет связь между эл. и мех. системами, т.е. между отдачей энергии машиной и ее потреб­лением. В генераторном режи­ме под действием эдс во внеш­ней цепи протекает ток. В дви­гательном режиме противоэдс уравновешивает > часть приложенного напряже­ния сети. Эдс обмотки якоря рас­считывают по закону эл.-магн. индукции. При этом для одного проводника ср. знач. эдс определяется вы­р-нием eср=Bδсрlv (6.7), где v – окр. скорость якоря: v=πDan/60=2pτn/60 (6.8). Выр-ние (6.7) с учетом (6.8) примет вид eср=Bδсрlτ2pn/60=2pnФ/60, где Ф - поток на полюс (полезный поток). Обмотка в общем случае состоит из N активных проводников и содержит 2а паралл. ветвей, т.е. в каждой паралл. ветви последовательно соединено N/2a проводников (рис. 6.19). Эдс обмотки якоря при этом равна Eа=eсрN/2a=2pnФ/60·N/2a=pNnФ/60a=CenФ (6.10), где Сe=pN/60a - конструктивная постоянная для машины данного исполнения. Если считать, что частота вращения n=30ω/π, то (6.10) будет Ea=30ωpNФ/60aπ=pNωФ/2aπ=CмωФ (6.11), где См=pN/2aπ. Эл.-магн. момент определяют на основе закона эл.-магн. взаимодействия магн. поля и проводника с то­ком. Для одного проводника на пов-ти якоря эл.-магн. сила равна Fср=Bδсрlia=BδсрlIa/2a (6.12), где Ia - ток во внеш. цепи по отнош. к якорю. Mср=FсрDa/2 (6.13). Если на полюсном делении — проводников (рис. 6.19), то суммарный эл.-магн. момент с учетом (6.8), (6.9) и (6.12) опре­деляется выр-нием M=NFср/2p·Da/2=pNФIa/2aπ=СмФIa (6.14). Выр-ния (6.11) и (6.14) исп. в теории ЭП. Они справедливы как для генератора, так и для двигателя. В генераторном режиме ток в обмотке якоря совпадает по направлению с эдс, а момент является тормозным. В двигат. режиме эдс направле­на встречно относ. тока в обмотке якоря, а момент явл. вращающим. Эл.-магн. мощность можно представить как РЭМ=ЕаIа=Мω0 (6.15), где ω0 — угловая скорость идеального хол. хода. Зубцы пазов, в кот. уложена обмотка якоря, снижают маг­н. поле в них. При этом уменьшаются эл.-магн. силы, кот. действуют непосредственно на проводники с током, а силы, приложенные к зубцам, возрастают. Реакция якоря машины постоянного тока.В машине пост. тока при работе в нагрузочном режиме сущ-вуют поля обмотки возбуждения и обмотки якоря. Эти поля взаимодействуют между собой и оказывают наиб. влияние на эксплуатационные св-ва машины. Линия, кот. условно прохо­дит между гл. полюсами, назыв. геом. нейтра­лью. Вдоль этой линии индукция магн. поля машины В=0. При вращении якоря часть секций его обмотки оказывается замкну­той накоротко через щётки. В этих секциях эдс должны быть мини­мальными и не вызывать большие токи. Они должны находиться на геом. ней­трали или как можно ближе к ней. Установ­ка щеток на геом. нейтраль осу­ществляется по схеме рис.6.20. В цепь воз­буждения машины ОВ подаются импульсы напряжения от ист. пост. тока GB. Ток возбуждения IВ=(0,05-1)IВН ог­раничивается реостатом R и контролируется амперметром А. При замыкании и размы­кании ключа К наблюдают за показаниями стрелки милливольтметра mV. При ней­тральном положении щёток стрелка милливольтметра будет неподвиж­на или отклоняться незначи­тельно. На рис.21,а поле обмот­ки возбуждения симметрич­но относительно оси полю­сов. В невозбужденной ма­шине (рис.21,6) по обмотке якоря протекает ток, соз­дающий собственное маг­н. поле. Оно симмет­рично отн. геом. нейтрали (линия 1-1). На рис.22 представлен режим работы под нагрузкой. Магн. поле явл. результатом взаимодействия пост. тока при положении магнитодвижущих сил обмоток возбуждения FB и якоря Fa. Воздействие магнитодвижущей силы якоря Fa на магн. поле машины наз-ся реакцией якоря. В результате взаимодействия этих полей обоих обмоток возникает эл.-магн. момент. На рис.21,6 ток в обмотке якоря создаёт магн. поле поперечной ре­акции якоря. При работе машины в на­груз. режиме она вызывает ос­лабление поля под одним краем полюса и усиление под другим (рис.22). Вслед­ствие этого ось результирующего поля поворачивается в генераторе по на­правлению вращ. якоря, а в двига­теле - в противоположную сторону. Линия, где индукция магн. поля машины B=0, наз-ся физич. нейтралью (2-2). Увеличение нагрузки приводит еще большему ее смещению. Поперечная реакция якоря всегда искажает распределение поля в зазоре. Она вызывает умень­шение потока гл. полюсов, т.е. имеет размагничивающий харак­тер. При насыщении магн. цепи машины, малом воздушном за­зоре и > токе нагрузки Ia искажение поля и размагничивание проявляются сильнее. Если щётки установлены на оси полюсов, то поле якоря дейст­вует вдоль этой оси и наз. полем продольной реакции якоря (рис. 6.23). В зависимости от направления тока в якоре оно оказывает на поле полюсов размагничивающее или намагничивающее действие. Эл.-магн. момент в результате взаимодействия этих полей не возникает. Обычно щётки сдвинуты с геом. нейтрали на угол β=0-90°эл. Для двухполюсной машины (рис. 6.24) поверхность яко­ря можно разбить на две пары симметричных секторов - аб, вг и аг, бв. Токи первой пары секторов задают поле поперечной, а токи вто­рой пары - поле продольной реакции якоря. При повороте щёток ге­нератора в направлении вращения и щёток двигателя против направ­ления вращения возникает размагничивающая продольная реакция якоря. Она вызывает уменьшение потока гл. полюсов машины. Сдвиг щёток в обратном направлении вызывает намагничивающую продольную реакцию якоря. Поток гл. полюсов возрастает. Причины искрения на коллекторе машины постоянного тока. Способы улучшения коммутации.При работе машины пост. тока щетки и коллектор обра­зуют скользящий контакт. В результате возникает искрение на кол­лекторе. Причины искрения разделяют на мех., потенциаль­ные и коммутационные. Мех. причины обусловлены нару­шением эл. контакта между щеткой и коллектором (сла­бое прижатие щеток к коллектору, его негладкая поверхность, загряз­ненность пов-ти и т.д.). Потенциальные причины искрения вы­званы проявлением реакции якоря. В секциях якорной обмотки ин­дуктируются эдс, кот. отличаются друг от друга. Это приводит к увеличению сверх допустимого значения напряжения между сосед­ними коллекторными пластинами (16-20 В). Промежутки между коллекторными пластинами перекрываются дугами, кот. посте­пенно сливаются в круговой огонь. Возникает перекрытие коллекто­ра, приводящее к его износу. Коммутационные причины искрения возникают при физических процессах в машине и связаны с перехо­дом секций обмотки якоря из одной паралл. ветви в другую. Согласно стандартам искрение на коллекторе оценивается степенью искрения (классом коммутации) под сбегающим краем щетки. Ком­мутация считается хорошей, если искрение незначительно. Неудовлетворительная коммутация возникает из-за добавочного тока коммутации iдоб=(eр+eвр)/rщ (6.16), где eр - реактивная эдс, индуцируемая в коммутирующих секциях за счет взаимной индуктивности и явления самоиндукции секций; евр - эдс вращения, наводимая в коммутирующих секциях магн. ин­дукцией в зоне коммутации Вк за счет реакции якоря; rщ - электриче­ское сопротивление щетки току ido6. Для улучшения коммутации машины необходимо уменьшить величину добавочного тока коммутации. Это достигается: 1) выбором щеток; 2)уменьшением реактивной эдс ер в коммутирующих секциях; 3)компенсацией магнитодвижущей силы реакции якоря по гео­м. нейтрали и оси полюсов; 4)смещением щеток с геом. нейтрали. Щетки выбираются в соответствии с рекомендациями завода-изготовителя. От типа щеток, их вольтамп. характеристик зави­сит скорость протекания коммутационных процессов. Улучшение коммутации определяется также политурой коллектора - тонкой ок­сидной пленкой на поверхности коллектора, обладающей повышен­ным эл. сопротивлением. Уменьшение реактивной эдс ер в коммутирующих секциях дос­тигается применением обмоток с укороченным шагом (у1<τ), со­кращением числа витков в секциях обмотки якоря, использованием щеток шиной не более чем в 2-3 коллекторных деления. Улучшения коммутации по геом. нейтрали достигает­ся установкой добавочных полюсов (рис. 6.25). Добавочные полюса устанавливаются между гл. полюсами в машинах мощностью свыше 1 кВт. Их число = числу гл. полюсов или меньше в 2 раза. Магнитодвижущая сила добав. полюсов FДП направлена против магнитодвижущей силы поперечной реакции якоря Faq. При этом тре­буется не только компен­сация Faq, но и создание коммутирующего поля ВK для компенсации реактив­ной эдс ер. Обмотка доба­в. полюсов включа­ется последовательно встречно с обмоткой яко­ря. Компенсация величин FДП и еp, зависящих от тока нагрузки, происходит автоматически. За гл. полюсом данной полярности по на­правлению вращения яко­ря в режиме генератора должен следовать доба­воч. полюс противо­положной полярности, а в режиме двигателя - доба­вочный полюс той же по­лярности (рис. 6.26). Для уменьшения рассеяния обмотку добавочных по­люсов размещают как можно ближе к якорю. Добавочные полюсы обеспечивают удовлетво­рительную коммутацию в машине при нагрузках не превышающих номинальную. При перегрузке машины происх. насыщение маг­н. цепи этих полюсов и коммутация ухудшается. В мощных быстроходных машинах пост. тока, кот. работают в режиме интенсивных нагрузок, применяется компенсаци­онная обмотка (рис. 6.25). Она предназначена для компенсации поля якоря под гл. полюсами машины. Компенсационная обмотка расположена на пов-ти гл. полюсов в пазах, обращенных к якорю, и включена последовательно встречно с его обмоткой. Магн. поле гл. полюсов машины практически не зависит от ее нагрузки. В машинах до 1кВт без добавоч. полюсов улучшение комму­тации достигается смещением щеток с геом. нейтрали по ходу вращения у генератора и против хода вращения у двигателя. Этот способ улучшения коммутации применим в нереверсируемых ЭМ, работающих с неизменной нагрузкой. Для снижения влияния помех на электрическую сеть из-за коммутации используют проходные конденсаторы. Процессы коммутации в машинах пост. тока сложны. Для их исследования применяются теоретический анализ и различ­ные экспериментальные методы. При отклонении коммутации от прямолинейной токи в комму­тируемых секциях создают доп. реакцию якоря, кот. наз-ся коммутационной. В генераторном режиме при прямоли­нейной коммутации размагничивающее и подмагничивающее дейст­вие коммутируемой секции одинаково (рис. 6.27,а). В среднем за пе­риод коммутации эта реакция якоря не проявляется. При замедленной коммутации (рис. 6.27,6) длительность раз­магничивающей силы реакции якоря > длительности намагни­чивающей реакции якоря. Результирующая коммутационная реакция якоря получается размагничивающей. При ускоренной коммутации (рис. 6.27,в) - коммутационная реакция якоря намагничивающая. В двигат. режиме эти процессы носят обратный характер. Генераторы постоянного тока независимого возбуждения. Основная группа характеристик.Генератор незав. возбуждения. Характеристика хо­л. хода показана на рис. 6.29. Она имеет форму кривой намаг­ничивания. Кривизна характеристики определяется насыщением маг­н. системы машины. Неоднозначность при увеличении и уменьшении тока возбуждения объясняется явлением гистерезиса. Генератор обычно проектируют так, чтобы точка N, соответствующая его номин. напряжению, находилась на изломе кривой намагничивания. Ниже точки N эдс генератора неустойчива, а выше - снижается эффективность его ре­гулирования. Эдс Еост составляет 2-3% номин. напряже­ния. Она явл. следствием ос­таточной намагниченности магнитопровода. Характеристика хо­л. хода позволяет опреде­лить соответствие расчетных и опытных данных. Она явл. основной при исследовании экс­плуатационных св-в машины. Внеш. характеристика снимается при пост. токе возбуждения IВ. Рост тока нагрузки Ia приводит к снижению напряжения Ua на зажимах якоря генератора (рис. 6.30). Это про­исх. под действием раз­магничивающей поперечной ре­акции якоря и падения напр. на внутр. сопротив­лении машины raΣ. Чем больше величина rа, тем более круто па­дающей будет внеш. характе­ристика и больше значение ΔuН%. Регулировочная характери­стика (рис.6.31) показывает, как надо изменять ток возбуждения, чтобы напряжение на зажимах генератора оставалось постоянным. С увеличением тока нагрузки Iа растет размагничивающее действие ре­акции якоря и падение напряжения на raΣ. Для компенсации их влия­ния ток возбуждения IВ увеличивают. Чем > величина rа, тем > величина изменения этого тока. Она составляет 15 - 25% его номин. значения. Величина ΔuН%=5-10%. Разница объясня­ется насыщением магн. цепи машины. Для получения характе­ристики корот. замыкания обмотку якоря закорачивают. Ток в ней доводят до значения 1,2-1,25IaH. Ток в обмотке возбуждения при этом отно­сит. мал. Магн. цепь машины не насыщена. Харак­теристика практически пря­молинейна. Она аналогична по виду характеристике ко­рот. замыкания синхр. машины (рис. 5.15) и не проходит через начало коор­динат вследствие остаточного намагничивания стали магнитопровода генератора при IВ=0. Нагрузочная характеристика 1 (рис. 6.32) проходит ниже харак­теристики хол. хода 2. Разность ординат этих кривых объясня­ется действием размагничивающей поперечной реакции якоря и па­дения напряжения на внут­р. сопротивлении ма­шины raΣ. Влияние этих факторов можно оценить с помощью характеристиче­ского треугольника ABC. Внутр. характе­ристика машины (кривая 3) Ea=f(IB) при Ia=const. Отрезок BD соответствует току возбуждения, кот. обеспечивает номин. реж. работы. Отрезок BD - эдс в этом режиме. Отре­зок CD характеризует па­дение напряжения на внутр. сопротивлении генератора IaraZ. Эдс в режиме хол. хода (отрезок AF) обеспечивается меньшим током возбуждения (отрезок OF). Избыток тока возбуждения (отрезок FD) необходим для компен­сации размагничивающего действия реакции якоря. С помощью ха­рактеристики хол. хода и характеристического треугольника можно построить внеш. и регулировочную характеристики. Генераторы постоянного тока параллельного возбуждения. Основная группа характеристик.Генератор паралл. возбуждения. В магн. цепи существует остаточный магн. поток Фост=(0,02-0,03)ФН. Если якорь вращать в остаточном магн. поле, то в его обмотках наво­дится эдс Еост. Под действием этой эдс в замкнутом контуре возникает ток возбуждения, ко­т. образует добавочный магн. поток. Если этот по­ток действует согласно с оста­точным потоком, то результи­рующий магн. поток воз­растает и происх. самовоз­буждение. Процесс самовозбуж­дения может развиваться только в одном направлении. Поэтому характеристика хол. хода генератора паралл. воз­буждения может быть построена только в одном квадранте (рис.6.33). Расчетные характеристики хол. хода у генераторов независ. и паралл. возбуж­дения практически одинаковые. Ток возбуждения IВ составляет всего несколько процентов от тока нагрузки Iа и не оказывает существен­ного влияния на действие реакции якоря и падение напряжения IаrаΣ. Внеш. характеристика генератора паралл. возбужде­ния показана на рис. 6.34. Снижение напряжения на выводах якорной обмотки происх. не только из-за влияния падения напряжения внутри машины и размагничивающего действия реакции якоря, но и из-за снижения тока возбуждения IВ=Ua/Rb. После значения тока нагрузки Iаmах напряжение Ua уменьшается. Магн. цепь машины становится менее насыщен­ной. В результате незначи­тельное уменьшение тока возбуждения вызывает ещё > уменьшение маг­н. потока, эдс якоря и тока Iа. Величина ΔuН% >, чем при независ. возбуждении. Значение тока IК уст наз. уста­новившимся током кор. замыкания. Характери­стики регулировочная, на­грузочная и кор. замы­кания снимаются аналогично указанным характеристикам генератора незав. возбуждения. Генераторы постоянного тока последовательного и смешанного возбуждения. Основная группа характеристик.Генераторы последоват. возбуждения и смешан. возбуждения. Генератор последоват. возбуждения практи­чески не используется для выработки эл.-эн., поскольку у него Iа=Iв. В процессе самовозбуждения наступает насыщение маг­н. цепи. Действие реакции якоря и падение напряжения IaraΣ приводят к снижению напряжения Uа. Генераторный режим машин посл. возбуждения используется на электрифицирован­ном транспорте. Обмотку возбуждения подключают к независимому источнику. В генераторе смешан. возбуждения осн. роль играет паралл. обмотка возбуждения. Она создает 60-85% магнито­движущей силы, необходимой для возбуждения. Последовател. обмотка возбуждения предназначена для формирования желаемых внеш. характеристик и чаще всего включается согласно с обмот­кой якоря машины. В режиме хол. хода последовательная об­мотка возбуждения не задействована. При этом характеристика холо­стого хода аналогична характеристике генератора паралл. воз­буждения. Внеш. и регулировочные характеристики генераторов с различными схемами возбуждения показаны на рис. 6.35. Генератор смешанного согласного возбуждения имеет наиболее благоприятную внеш. характеристику. Параллельная работа генераторов постоянного тока (на примере машин независимого и смешанного возбуждения).Парал. работа генераторов на общую нагрузку позволяет снизить установленную мощность каждого из них. Она также необ­ходима для обеспечения бесперебойного питания обмоток возбужде­ния синхр. машин, в транспортных средствах и т.д. в случае вывода генератора в ремонт. Резервирование организуется путем пе­ревода нагрузки с одного генератора на другой. При паралл. работе можно используются генераторы независимого, паралл., смешан. возбуждения близкие друг другу по мощности и од­ной и той же системой возбуждения. Требуется соблюдать следующие условия: 1)при включении генераторов на паралл. работу не долж­но возникать значительных бросков тока, кот. могут вызвать на­рушения в работе генераторов и сети; 2)генераторы требуется нагружать по возможности равномерно, пропорционально их номин. мощности. На рис. 6.36 показана схема паралл. работы генераторов независ. возбуждения. Подключаемый к сети генератор приво­дят во вращение с номин. скоростью и возбуждают до нужного напряжения. При включе­нии генераторов на парал­л. работу полярность напряжений должна быть одинаковой и U1≈U2. Если полярность не соблюдается, то возникает аварийный режим, поскольку между генераторами протекает значительный уравнитель­ный ток даже на хол. ходу. Чем < величина ΔU=U1-U2, тем < бросок тока при включении генератора на общие шины. При паралл. работе генераторов напряжения их напряжения равны напряжениям на шинах нагрузки U: U=E1-Ia1raΣ1=E2-Ia2raΣ2 (6.20), где E1=Ce1ω1Ф1; E2=Ce2ω2Ф2. Чтобы изменить нагрузку на одном из генераторов надо изме­нить эдс Еа1 или Еа2. Для этого чаще всего регулируют ток возбуж­дения. При увеличении Е2 надо уменьшить Е1 для выполнения усло­вия U=const. Если требуется разгрузить генератор 1 и передать его нагрузку генератору 2, то снижают IВ1 и одновременно повышают IВ2 до тех пор, пока ток I1 не станет равным нулю. После этого генератор 1 отключают от сети. Снижать IВ1 требуется плавно, поскольку рез­кое его снижение может привести к тому, что E1<U. Генератор 1 пе­рейдёт в двигат. режим и это может при­вести к выходу из строя приводного агрегата. Согласно (6.20) при паралл. работе должны быть равным эдс генераторов. Поэтому на общую нагрузку R (рис. 6.36) могут включаться генераторы с разл. числом полюсов и частотами вращения. При паралл. работе желательно иметь одинаковые внеш. характеристики генераторов. Если характеристики отлича­ются друг от друга, то генераторы загружены неравномерно. Пере­гружается генератор, имеющий более жесткую внеш. характери­стику (рис. 6.37). Чтобы выровнять в этом случае нагрузки надо уве­личить ток возбуждения генератора 1. При включении на паралл. работу генераторов разл. мощности необх., чтобы внеш. характеристики, построенные в относительных единицах, были приближены друг к другу. В работе генераторов независимого и паралл. возбуждения нет существенных отличий. Генераторы смешан. возбуждения включаются на паралл. работу по схеме рис. 6.38. При согласном включении последова­тельной обмотки возбуждения требуется устанавливать уравнитель­ную перемычку аб. Это делается для того, чтобы при случайном изме­нении тока одного генератора не допустить его перегрузки, а также не допустить разгрузки второго генератора. Тем самым предотвращается возможность перехода второго генератора в двигат. режим. Благодаря перемычке аб случайное приращение тока якоря одного из генераторов разделится между последовательными обмотками возбу­ждения и вызовет увеличение эдс обоих генераторов. Двигатели постоянного тока. Основная группа характеристик. Условия получения. Графическое представление.Двигатели пост. тока мощностью от единиц ватт до ты­сяч киловатт применяются в ЭП, где требуется плавное регулирование частоты вращения, большие пусковые моменты, ус­тойчивость к перегрузкам (прокатные станы, мощные экскаваторы, электротранспорт и др.). Для двигателей пост. тока уравнение напряжений будет Ua=Ea+IaRa+ΔUщ (6.21). Можно принять, что ΔUщ≈0, тогда ток якоря Ia=(Ua-Ea)/Ra (6.22). Эл.-магн. момент двигателя пост. тока М=СмФIа=9,55Pэм/n (6.23). Полезный момент двигателя (момент на валу) М2=М-М0=9,55P2/n=9,55P1η/n=9,55P1/n·(1-ΔpΣ/P1) (6.24) где М0 - момент хол. хода; Р2 и P1 полезная и полная мощно­сти двигателя. Частота вращения якоря двигателя определяется по формуле ω=(Ua-RaIa)/CмФ=ω0-Δω (6.25). Зависимость (6.25) наз-ся эл.-мех. характери­стикой двигателя пост. тока. Уравнение мех. харак­теристики получается совместным решением (6.23) и (6.25): ω=Ua/СмФ-RaM/(CмФ)2=ω0-Δω. Величина Ua/СмФ в зависимостях (6.25) и (6.26) наз-ся частотой вращения идеаль­ного хол. хода. Изменение частоты вращения Δω равно RaIa/CмФ по (6.25) и RaM/(CмФ)2 по (6.26). Характеристика, получен­ная при номинальных напряже­ниях на обмотках якоря и возбу­ждения, а также при отсутствии добавочных сопротивлений в це­пи якоря, наз-ся естественной. Если изменен хотя бы один из перечисленных параметров, то характеристику наз-ют искус­ственной. Кроме эл.-мех. и мех. характе­ристик рабочие св-ва двигателя пост. тока оцениваются по: 1) пусковым характеристикам, к кот. относятся кратность пускового тока Iпуск/Iан и момента Мпуск/Мн, время пуска двигателя, характер пуска (плавный, ступенчатый); 2) рабочим характеристикам Ia,ω,M,η,P1=f(P2) при условиях Ua=const =Uaн, полное сопротивление цепи якоря Ra=raΣ; 3) регулировочным характеристикам, к кот. относятся диа­пазон регулирования ωmax/ωmin, характер регулирования (плавный, ступенчатый). Рабочие характеристики для двигателя пост. тока парал­л. возбуждения показаны на рис.6.39. Способы регулирования скорости двигателей постоянного тока независимого и параллельного возбуждения. Электромеханические и механические характеристики.Эти двигатели обладают практически равными регулировочными возможностями по скорости (в отношении изменения величин Ra и Ф). Регулирование скорости изменением напряжения Uа применяется только для двигателей независи­мого возбуждения. При этом у двигателей паралл. воз­буждения изменяется поток воз­буждения Ф и их скорость меня­ется незначительно. Регулирование скорости двигателя независ. возбуж­дения вниз от номинальной осуществляется уменьшением величины Uа. Для этой цели ис­п-ся полупроводниковые преобразователи. При этом чаще всего Ra=raΣ и Ф=const. Из (6.25) и (6.26) следует, что изменение скорости Δω от напряжения не зависит. Эл.мех. и мех. характеристики двигателя качественно не отличаются друг от друга (рис. 6.40). Повышение напряжения Ua для регулирования час­тоты вращения якоря приводит к насыщению магн. системы двигателя и росту потерь. Такое регулирование нецелесообразно. Увеличение сопротивления цепи яко­ря Ra ведет к сниже­нию скорости двигате­ля. Данный способ не является экономичным, поскольку возрастают потери в добавочном сопротивлении rдоб, однако он применим из-за простой схемной реализации. На рис. 6.41 представлена схема реостатного пуска двигателя независимого возбуждения в три ступени. Здесь Л - линейные контакторы; k1, k2, k3 - контакторы ус­корений; Ra1, Ra2, Ra3 - сопротивления цепи якоря двигателя на со­ответствующих ступенях; UBH – номин. напряжение обмотки возбуждения ОВД; r1, r2, r3 - сопротивления соответствующих ступе­ней; ОДП и КО - обмотки добавоч. полюсов и компенсационная. Расчет величин пусковых сопротивле­ний данной схемы проводится аналити­ческим методом. Рео­статный пуск двигате­ля предполагает ра­венство пусковых то­ков Iпуск1 и переключающих токов Iпуск2 на всех ступенях пус­ка. Значение Iпуск1 находят по (6.27), а Iпуск2=Iпуск1/λ. λ=n√(Ra1/raΣ) (6.28), где n - число пусковых ступеней; Ra1=UaH/Iпуск1 – полное сопротивление цепи якоря. Сопротивление двигателя гаΣ, приведенное к рабочей темпера­туре обмоток, нах-ся по формуле raΣ=[ra+rОДП+rКО+rщ]kθ где kθ - температурный коэф.; rа - сопротивление обмотки якоря; rОДП - сопротивление обмотки добавоч. полюсов; rКО - со­противление компенсационной обмотки; rщ=2/IaH – сопротивление щеточных контактов. Температурный коэф. для меди при рабочей температу­ре обмоток 75 С0 рассчитывается как kθ=310/235+θ1 (6.30), где θ1 - температура окр. среды, при кот. измерены со­противления обмоток. Реостатный пуск осуществляется при выполнении условия Iпуск2>1,2Iс. Если данное условие не выполняется, то число ступеней n увеличивается на единицу и расчет повторяется. Полные сопротивле­ния якорной цепи нах-ся {Ra3=λraΣ; Ra2= λRa3=λ2raΣ; Ra1=λra2= λ3raΣ} (6.31). Сопротивления пусковых ступеней: {r3=raΣ(λ-1); r2=λr3=λraΣ(λ-1); r1=λr2=λ2raΣ(λ-1)} (6.32). Пример построения эл.-мех. характеристик рео­статного пуска при заданном кол-ве ступеней показан на рис. 6.42. Мех. характеристики имеют аналогичный вид. В нек-рых управляемых ЭП металлургического производства (клети прокатных станов, моталки, летучие ножницы и др.) регулирование скорости двигателей независ. возбуждения осуществляется в двух зонах. В 1 зоне изменяется подводимое к цепи якоря напряжение Uа и скорость двигателя меняется в соответ­ствии рис. 6.40. Во 2 зоне, как правило, при Ra=raΣ и Uа=const, она регулируется изменением потока возбуждения двига­теля Ф. Данный способ позволяет регулировать скорость двигателя как вниз, так вверх от ее номинального значения. Согласно (6.25) и (6.26) скорость идеального хол. хода ω0~1/Ф. Изменение скоро­сти Δω на мех. характеристике >, чем на эл.-ме­х. (рис. 6.43). Ток IКа характеризует кор. замыкание якорной цепи двигателя при ω=0. Он не зависит от величины маг­н. потока и определяется только сопротивлением якоря. Способы регулирования скорости двигателей постоянного тока последовательного и смешанного возбуждения. Электромеханические и механические характеристики.При последовательном соединении обмоток якоря и возбужде­ния магн. поток двигателей последоват. возбуждения за­висит от нагрузки, т.е. тока якоря Iа. Если пренебречь насыщением магн. цепи, то можно считать, что Ф=kla=klB, k≈const. Эл.-магн. момент при этом М=AI2a, А=const. =>, двигатели последоват. возбужд. развивают гораздо > пусковой момент, чем двигатели с паралл. возбуждением при тех же токах нагрузки, и имеют < габаритные размеры. Поскольку у двигателя с последоват. возбуждением ω~1/Ф~1/Ia~1/√M, то мощность на его валу Р2=ωМ~√M. Для двигателя с паралл. возбуждением Р2~М. Двигатели с последоват. возбуждением характеризуются изменением мощности в меньших пределах, чем двигатели с паралл. возбуждением при одинако­вом изменении момента. Они применяются на эл.-транспорте в кач-ве тяговых двигателей при тяжелых условиях пуска и изме­няющемся в широких пределах моменте нагрузки. Двигатели с по­следовательным возбуждением следует запускать при нагрузке не менее 25% номинальной. Это связано с тем, что при малых токах якоря скорость хол. хода значительно возрастает, что может привести к «разносу» двигателя. Расчет мех. характеристик двигателя последоват. возбуждения проводится по универсальным естественным харак­теристикам. Они строятся в относит. единицах тока I*=Ia/IaH, момента M*=M/MH, частоты вращения в режиме естествен­ной мех. характеристи­ки ω*=ne/nH. Скорость регулируется теми же способами, что и у двигателей независимого и па­ралл. возбуждения. Естественная характери­стика двигателя последоват. возбуждения получается при Uа=const=UaH; Ia=IB; Ra=raΣ. До номинального зна­чения тока якоря магн. цепь машины насыщена незначительно. С увелич. тока Iа растет магн. поток, скорость двигателя уменьшается. При значениях тока, превышающих номинальные, магн. цепь насыщается, поток и скорость стабилизируются. Естественная эл.-механическая характеристика строится с использованием универсальных характери­стик в следующем порядке: 1)задаются значениями тока I* в установленном диапазоне; 2)по универсальной характеристике определяются относит. значения частоты вращения n*; 3)рассчитывают значения тока и скорости в абсолютных единицах; 4)строят естественную эл.-мех. характеристику по вычисленным значениям частоты вращения ω и тока Iа. Регулирование скорости двигателя изменением напря­жения Ua, подводи­мого к якорной цепи, осуществляется вниз от номин. значения (рис. 6.44). Характеристики па­раллельны и распо­лагаются одна под другой в области Ia≥IaH. Схема реостат­ного пуска двигателя последоват. возбуждения в три ступени приведена рис. 6.45. Величины пусковых сопротивлений рассчитываются графо-аналитическим методом луче­вой диаграммы (рис. 6.46). После построения естественной характеристики двигателя задаются токами переключения Iпуск1, Iпуск2>1,21Iс. При этом Ic=I*CIаН. Значение тока, соответствующего нагрузке на валу двигателя I*C, определяется с помощью универсальной характеристики по значению момента нагрузки M*C=MC/MH=MCωH/PH. Полное сопротивление силовой цепи при неподвижном якоре для пускового тока Iпуск1 равно RaΣ=UaH/Iпуск1. Предполагается, что при заданном кол-ве ступеней значения токов Iпуск1, Iпуск2 будут неизменными. Для тока Iпуск2 аналитическим путем определяем частоту вращения двигателя на искусственной характеристике ωИ (точка b) при полностью введен­ном сопротивлении добавочного резистора ωИ=ωe·(UaH-Iпуск2RaΣ)/(UaH-Iпуск2raΣ) (6.33), где ωе - частота вращ. двигателя на естественной характеристике притоке Iпуск1, raΣ - сопротивление двигателя по (6.29). Для токов Iпуск1 и Iпуск2 обозначаются буквами g, h и a, b точки естественной и искусственной характеристик при введенном пол­ном сопротивлении пускового резистора; через точки g - h и а - b проводятся прямые до пересечения в точке t. Проводя лучи из точки t, строятся пусковые характеристики cd, ef. Полное сопротивление пускового резистора rдо6=RaΣ-rаΣ. Сопротивления пусковых ступеней {r1=acraΣ/da; r2=ceraΣ/da; r3=edraΣ/da} (6.35). Если при построении пусковых характеристик значение тока Iпуск1 на последней ступени отличается от значений на предыдущих сту­пенях, то требуется задаться иным значением тока переключения Iпуск2 и вновь построить характеристики. Изменением магн. по­тока Ф возможно регулирование скорости двигателя вверх и вниз от ее номин. значения. При этом возможно получение скоро­сти идеального хол. хода ω0. При шунтировании только об­мотки возбуждения магн. по­ток ослабляется (IВ<Iа). Характе­ристика ложится выше естествен­ной, опасность «разноса» возраста­ет. Если зашунтировать только об­мотку якоря, то IВ>Iа. Это равно­ценно усилению магн. пото­ка машины. Характеристика ло­жится ниже естественной. Появ­ляется скорость идеального хол. хода ω0, поскольку при Iа=0 поток Ф≠0 (рис. 6.47). Мех. характеристики двигателей с последоват. возбуждением также описывают гиперболу (ω~1/√M). Обмотки возбуждения дви­гателей смешан. возбуждения включаются согласно, чтобы их магнитодвижущие силы были на­правлены в одну сторону. Встречное включение обмоток недопустимо, поскольку при на­грузке двигателя последовательная обмотка возбуждения будет размагничивать магн. систему двигателя, и его работа станет неустойчивой. Двигатели смешан. возбуждения применяются там, где требуется повышенный пусковой момент, высокое ускорение, устойчивость к перегрузкам. Наличие двух обмоток возбуждения увеличивает, габариты, массу и стоимость двигателей смешан. возбуждения по сравне­нию с двигателями независимого и последовательного возбуждения. Характеристика будет мягче (3), чем у двигателя с паралл. возбуждением (1), но более жёсткая, чем у двигателя с последо­ват. возбуждением (2). Скорость регулируется в основном так же, как и у двигателя с паралл. возбуждением. Двигатели со смешанным возбуждением применяются при условиях, когда требу­ется большой пусковой момент, значительное изменение скорости вращения при изменении нагрузки в широких пределах. Испытания, эксплуатация и ремонт машин постоянного тока.Для машины постоянного тока программа приемо-сдаточных испытаний предусматривает следующие операции: 1) измерение сопротивления изоляции обмоток относительно корпуса машины и между обмотками, измерение сопротивления по­стоянному току в практически холодном состоянии; 2) испытание машины при повышенной частоте вращения; 3) испытание изоляции обмоток на электрическую прочность от­носительно корпуса машины и между обмотками, а также электриче­скую прочность межвитковой изоляции обмоток; 4) определение тока возбуждения генератора или частоту враще­ния двигателя при холостом ходе; 5) проверка коммутации при номинальной нагрузке и кратковре­менной перегрузке по току (для машин мощностью свыше 500 кВт до­пускается проводить это испытание в режиме короткого замыкания); 6) определение внешней характеристики генератора или механи­ческой характеристики двигателя, а также регулировочную характе­ристику генератора или двигателя; 7) испытание машины на нагревание; 8) определение области безыскровой работы (для машин с доба­вочными полюсами) и коэффициента полезного действия; 9) измерение вибрации и уровня шума. До начала испытаний машин постоянного тока проверяется пра­вильность соединений обмоток машины и состояние коллектора, проверка правильности соединения обмоток между собой в собран­ной и подготовленной к испытанию машине заключается в определе­нии правильного обозначения начал и концов всех обмоток и их со­единения между собой. Для генератора и двигателя началом обмотки якоря считается та часть обмотки, которая соединена со щетками той же полярности, к которой присоединен положительный провод сети. Щетки на коллекторе обычно располагают примерно против середи­ны главных полюсов. Правильность соединения обмоток проверяется следующим образом: 1) при сохранении направления вращения машины при переходе от двигательного режима работы к генераторному и обратно ток яко­ря и в обмотках последовательной цепи должен изменить направление, а в обмотках параллельного или независимого возбуждения со­хранить направление; 2) при изменении направления вращения и сохранении режима работы машины (генератор или двигатель) ток должен изменить на­правление или в последовательной цепи, или в обмотках параллель­ного или независимого возбуждения. Важной и ответственной операцией является проверка состоя­ния поверхности коллектора до начала испытания машины или в процессе испытаний. Поверхность коллектора должна иметь пра­вильную цилиндрическую форму, коллектор не должен создавать биения щеток (эксцентричность при неправильной центровке, обточ­ке коллектора, выступания или провала отдельных пластин). Между пластинами коллектора не должно быть грязи, стружки, пыли и т.п. Эксплуатация двигателей связана с местом их установки. Подготовка к пробному пуску включает в себя: 1) внешний осмотр составных частей двигателя, проверка марки­ровки выводов; 2) проверка свободного вращения вала «от руки» (якорь должен сделать несколько оборотов); 3) проверка присоединения заземляющих проводов; 4) измерение электрической изоляции обмоток (не менее 0,5 МОм в низковольтных машинах) и при необходимости сушка машины. При пробном пуске двигатель включают в сеть на несколько се­кунд, обращают внимание на направление вращения (соответствие паспортным данным), отсутствие посторонних шумов, состояние за­щитных устройств. Если никаких признаков неисправности не обна­ружено, то пуск в режиме холостого хода повторяют на более про­должительное время. Проводится измерение тока холостого хода и сравнение результатов измерения с паспортными данными. Эксплуатационный режим вводится после монтажа машины, ее соединения с механизмом, проверки центровки валов. Обслуживание двигателей заключается в контроле за их состоянием (температурой нагрева, отклонениями от нормы питающего напряжения, перегруз­кой, состоянием подшипников, искрением под щетками и т.д.). Трансформаторы. Общие сведения. Классификация. Устройство и принцип действия.Трансформатор - статическое электромагнитное устройство, предназначенное для преобразования (трансформации) электроэнер­гии переменного тока с одним напряжением в электроэнергию пере­менного тока с другим напряжением при неизменной частоте. Транс­форматоры, которые служат для преобразования энергии переменно­го тока в электрических сетях энергетических систем (на электро­станциях, промышленных предприятиях, городских сетях и т.д.), на­зывают силовыми. Они представляют наиболее распространенный и важный класс трансформаторов. Силовые трансформаторы бывают масляные и сухие. В масляных трансформаторах магнитопровод с обмотками помещают в бак с трансформаторным маслом, которое яв­ляется одновременно и изоляцией, и охлаждающим агентом. Однако масло горючее и при авариях существует опасность пожара. Поэтому в общественных и жилых зданиях и других случаях применяют сухие трансформаторы, охлаждение которых осуществляется воздухом. В настоящее время в работе остается достаточное количество транс­форматоров, заполненных совтолом и другими негорючими жидко­стями. Такие трансформаторы используются в случаях невозможно­сти применения масляных трансформаторов (затруднено сооружение маслосборных ям и т.д.) или недопустимости установки сухих транс­форматоров по соображения пожарной безопасности. Трансформаторы классифицируют по следующим параметрам: 1) способ охлаждения (масляные с естественным и принудитель­ным охлаждением, сухие с естественным и принудительным охлаж­дением, трансформаторы с водомасляпым и дутьевым охлаждением, совтоловые и с применением других синтетических жидкостей); 2) исполнение (внутренняя или наружная установка, герметич­ные, уплотненные); 3) число фаз (однофазные и многофазные); 4) число обмоток (двухобмогочные и многообмоточные); 5) конструкция обмоток (концентрические, чередующиеся); 6) конструкция магнитопровода (стержневые, броневые, бропе- стержневые, тороидальные); 7) способ регулирования напряжения (под нагрузкой и при от­ключении напряжения). 8) Трансформаторы различают также по областям применения: 1) силовые общего применения (в линиях электропередач и рас­пределения электроэнергии); 2) силовые специальные (печные, сварочные, выпрямительные и др.); 3) трансформаторы специального назначения и применения (ав­тотрансформаторы, измерительные, испытательные, преобразователи числа фаз, формы кривой эдс, частоты и т.д.). Силовые трансформаторы общего применения обозначаются: хххх-х/х, где первые четыре обозначения (буквы) характеризуют конструкцию, а последние два обозначения (цифры) - электрические параметры трансформатора. Обозначения расшифровываются следующим обра­зом: 1 - число фаз (О - однофазный, Т - трехфазный); 2- способ охлаждения (М - масляное естественное; Д - масля­ное с дутьевым охлаждением и естественной циркуляцией масла; ДЦ - масляное с дутьевым охлаждением и принудительной циркуляцией масла; Ц - охлаждение масла водой с его принудительной циркуля­цией; С, СЗ, СГ - естественное воздушное охлаждение соответствен­но при открытом, закрытом и герметизированном исполнении; Н - естественное охлаждение негорючим жидким диэлектриком; НД - охлаждение негорючим жидким диэлектриком с принудительным дутьем); 3 - число обмоток (Т - трехобмоточный); 4 - выполнение одной из обмоток с устройством регулирования напряжения под нагрузкой (Н); 5 - номинальная мощность, кВА; 6 - номинальное напряжения обмотки высшего напряжения, Кв. В последнее время добавляют еще две цифры, означающие год разработки трансформатора данной конструкции. Паспортные данные силовых трансформаторов общего приме­нения: 1) номинальная полная мощность SH, кВА; 2) линейные номинальные напряжения обмоток Uлн, В (кВ); 3) линейные номинальные токи обмоток 1т, А; 4) потери холостого хода Рон, Вт; 5) потери Ркн (Вт) и напряжение ик% (%) короткого замыкания; 6) число фаз т; 7) номинальная частота fH, Гц; 8) схема и группа соединения обмоток; 9) номинальный кпд , %; 10) режим работы (длительный, кратковременный); 11) способ охлаждения; 12) масса охлаждающей жидкости; 13) масса активной части (магнитопровод с обмотками); 14) полная масса трансформатора и габаритные размеры; 15) год выпуска. В настоящее время трехфазные силовые трансформаторы изго­товляют на мощности 10, 16, 25, 40, 63 кВА с увеличением каждого из этих значений в 10, 100, 1000 и 10000 раз. По ранее действовав­шему Государственному стандарту трансформаторы выпускались на мощности 10, 20, 50, 100, 180, 320, 560, 750, 1000, 1800,' 3200, 5600 кВА и т. д. Трансформаторы условно распределены по габаритам на шесть групп в зависимости от мощности и класса изоляции обмоток выс­шего напряжения. К первым трем габаритам отнесены трансформа­торы классов напряжения до 35 кВ мощностью до 6300 кВА (первый - мощностью до 160 кВА, второй - до 630 кВА). Трансформаторы на­пряжением до 35 кВ, но мощностью более 6300 кВА относят к чет­вертому габариту. В эту же группу входят и все трансформаторы класса напряжения 110 кВ. Пятый и шестой габариты — это осталь­ные трансформаторы классов напряжения 220 кВ и выше независимо от мощности. В энергоустановках имеет место многократная трансформация энергии переменного тока, поэтому суммарная мощность установ­ленных в энергосистемах трансформаторов в несколько раз превышает суммарную мощность генераторов станций, что говорит о важно­сти этого элемента системы электроснабжения. Устройство и принцип действия трансформатора. Передача электрической энергии в трансформаторах различного назначения от одной обмотки к другой осуществляется в соответст­вии с законом электромагнитной индукции. Эдс, наводимая в обмот­ке с числом витков w, численно равна изменению магнитного потока во времени, проходящего через нее. Согласно (1.2) эдс индуктируется переменным во времени магнитным потоком: Устройство и принцип действия однофазного трансформатора могут быть рассмотрены согласно рис. 2.1. В простейшем случае од­нофазный трансформатор состоит из двух обмоток 1 и 2, закрепленных на замкнутом магнитопроводе 3 для усиления элек­тромагнитного взаимодейст­вия между ними. Магнитопровод состоит из верхнего и нижнего ярма, а так же из стержней, на которых закре­плены обмотки. Магнитная система трансформатора со­стоит из изолированных друг от друга листов анизо­тропной электротехнической (трансформаторной) стали с присадками кремния для снижения уров­ня вихревых токов толщиной 0,35...0,55 мм. Обмотка 1, к которой подводится энергия от генератора Г, называется первичной; обмотка 2, к которой подключена нагрузка ZНГ, называется вторичной. При прохождении тока I1, по первичной обмотке возникает маг­нитный поток Ф1, образующий две свои составляющие: полезный по­ток Ф1m, проходящий по стали магнитопровода, и поток рассеивания Ф1S, замыкающийся по воздуху. Полезный поток Ф1m индуктирует в обеих обмотках эдс. При замыкании вторичной обмотки на нагрузку ZНГ под действием наведенной в ней эдс протекает ток I2 , создаю­щий свой магнитный поток Ф2S. Поток Ф1 в соответствии с правилом Ленца в каждый момент времени направлен навстречу потоку Ф1. Он так же образует две составляющие - полезную Ф2т и рассеивания Ф18. Потоки обеих обмоток Ф1т и Ф2т образуют результирующий по­лезный магнитный поток Фт, определяющий величины эдс обмоток в режиме нагрузки трансформатора. Обмотка трансформатора, подключаемая к сети с более высоким напряжением, называется обмоткой высшего напряжения (ОВН). Об­мотка трансформатора, к которой подключается сеть с более низким напряжением, называется обмоткой низшего напряжения (ОНН). Си­ловые трансформаторы и автотрансформаторы бывают повышающи­ми и понижающими. Такое разделение обусловлено различными зна­чениями напряжений в электрических сетях. Повышающие транс­форматоры и автотрансформаторы установлены на электростанциях с целью повышения напряжения, вырабатываемого синхронными гене­раторами, для дальнейшей передачи энергии по электрическим сетям на большие расстояния. Понижающие трансформаторы установлены на понизительных, распределительных электрических подстанциях с целью понижения напряжения электрических сетей и для передачи энергии пониженного напряжения в определенные районы или кон­кретным потребителям. Первичные обмотки трансформаторов под­ключены к источникам питания (для повышающих трансформаторов - к генераторам электростанций; для понижающих трансформаторов - к сетям, питающим подстанции) и являются потребителями элек­троэнергии. Вторичные обмотки трансформаторов подключены к на­грузке (для повышающих трансформаторов - к сетям, питающим подстанции; для понижающих трансформаторов - к сетям, питающим подстанции более низкого напряжения и потребителей), являясь ге­нераторами электроэнергии. Для всех трансформаторов существуют два предельных режима работы: режим холостого хода и режим короткою замыкания. При наложении одного режима на другой можно моделировать любой на­грузочный режим трансформатора. Изучение предельных режимов трансформаторов необходимо для проведения их испытаний с целью поиска неисправностей, определения эксплуатационных параметров, построения схем замещения, служащими по существу расчетными моделями трансформаторов. Холостой ход однофазного трансформатора. Схема замещения и векторная диаграмма.Изучение трансформаторов в режиме холостого хода проводит­ся по схемам, представленным на рис.2.2. Данный режим позволяет определить коэффициент трансформации, ток холостого хода, потери холостого хода. Первичная обмотка подключается на синусои­дальное напряжение, к вторичной обмотке подключается вольтметр, имеющий большое внутреннее сопротивление. При включении трансформатора на номинальное напряжение U1, по первичной обмотке начинает протекать ток I0. В замкнутом контуре, образованном обмоткой и сетью, в каждый момент времени наводится эдс самоин­дукции e1, которая препятствует нарастанию тока. e1=-L1di0/dt (2.2). В результате протекания тока I0 в магнигопроводе наводится магнитный поток Фт. По закону электромагнитной индукции в каж­дый момент времени мгновенное значение этого потока φ создает во вторичной обмотке эдс: e2=-w2dφ/dt (2.З). Таким образом, напряжение u1, приложенное к первичной об­мотке в каждый момент времени, расходуется на падение напряжения на сопротивлении обмотки и уравновешивается эдс самоиндукции е1: u1=i0r1+L1di0/dt=i0r1-e1 (2.4). Целесообразно для начала работы сначала рассмотреть идеаль­ный трансформатор, у которого нет потерь в стали, отсутствуют по­токи рассевания, обмотки не имеют активных сопротивлений и соот­ветственно падений на них напряжения. В этом случае U1=-E1; U2=E2. Мгновенные значения питающего напряжения и эдс: u1=U1msinωt; e1=E1msin(ωt-π) (2.6), где U1m=E1m. Начальное мгновенное значение потока φ с учетом закона элек­тромагнитной индукции: e1=-w1dφ/dt; dφ=-e1dt/w1 (2.7). Зависимость (2.7) с учетом (2.6) преобразуется φ=-E1m/w1ʃsin(ωt-π)dt=-E1mcosωt/w1ω=E1msin(ωt-π/2)/w1ω (2.8), где ω=2πf1 - круговая частота сети, рад/с; E1m - амплитудное значение эдс первичной обмотки, В. Зависимость (2.8) позволяет найти действующие значения эдс обмоток трансформатора при условии, когда sin(ωt-π/2)=1. В данном случае мгновенное значение потока ср равно его амплитудному зна­чению Фт: El=4,44flwlФm; (2.9). E2 =4,44f1w2Фm (2.10). В режиме холостого хода определяется один из важных пара­метров трансформатора - коэффициент трансформации k. Коэффи­циент трансформации - это отношение количества витков первичной обмотки w1, к количеству витков вторичной обмотки w2. Трансформа­торы бывают повышающие (k<1) и понижающие (k>1). В случае идеального однофазного трансформатора, у которого ток холостого хода не имеет активной составляющей, т.е. является чисто индук­тивным, коэффициент трансформации находится как отношение эдс обмотки первичной Е1 к эдс обмотки вторичной Е2: k=w1/w2=E1/E2 (2.11). При исследовании трансформатора в режиме холостого хода следует обратить внимание на несинусоидальность формы кривой ти­ка холостого хода i0 при синусоидальной форме кривых питающего напряжения u1 и потока φ. Если бы между потоком φ и током холо­стого хода i0 была бы линейная зависимость, то синусоидальную форму во времени имели бы оба этих параметра. Но магнитопровод трансформатора насыщается с ростом тока i0. Связь между ним и по­током определяется кривой намагничивания φ=f(i0). При синусои­дальной форме кривой приложенного напряжения и, ее можно урав­новесить наводимой в первичной обмотке синусоидальной эдс е1, вы­зывающей поток φ синусоидальной формы (рис. 2.3,а). Насыщение магнитной цепи проводит к пикообразной форме тока холостого хода i0 (рис. 2.3,6). В этой кривой кроме первой гармоники i01 наиболее сильно выражена третья гармоника i03, оказывающая в трехфазных трансформаторах существенное влияние на их работу. Реальный трансформатор в отличие от идеального трансформа­тора имеет потери в стали, активное сопротивление обмоток и паде­ние напряжения в них I02r1, потоки рассеяния Ф1S. Последние обуслов­лены индуктивностью рассеяния LS1 обмоток и наводят в них эдс рас­сеяния E1S. Система уравнений реального трансформатора имеет вид: {U1=(-E1-ES1)+I0r1; ES1=-jI0x1; x1=2πf1LS1; U1=-E1+I0r1+jI0x1; U1=-E1+I0z1; z1=r1+jx1; U2=E2} (2.12). Ток холостого хода в трансформаторах I0 средней и большой мощности не превышает 10% от номинального значения. При этом, чем больше мощность трансформатора, тем эта доля меньше. Потери в первичной обмотке I02r1 очень малы по сравнению с мощностью, по­требляемой первичной обмоткой из сети. Следует полагать, что для трансформаторов в режиме холостого хода почти вся потребляемая из сети мощность расходуется на покрытие потерь в стали магнитопровода. В маломощных трансформаторах величина тока холостого хода I0 может составлять более 10% от номинального значения. Вызвано это тем, что велика доля активного сопротивления обмоток r1 в пол­ном их сопротивлении z1, а соответственно и потерь в них от потреб­ляемой из сети мощности. Значение тока холостого хода иногда вхо­дит в паспортные данные трансформаторов. Оно указывается в про­центах: i0%=I0H/I1H·100% (2.13), где I1H - номинальный ток первичной обмотки; I0Н - ток холостого хода при номинальном напряжении U1H. Величину тока холостого хода необходимо знать для выбора электрических аппаратов, например отделителей, для настройки ре­лейных защит, для определения характера неисправностей активных частей трансформаторов и т.д. Этот параметр также устанавливается в результате промышленных испытаний. Он необходим также для опре­деления мощности (потерь) холостого хода Р0. Значение этого пара­метра используется в расчетах нагрузочных режимов трансформаторов с целью оптимизации в них потерь. Величина потерь холостого хода входит в паспортные данные. Однофазный трансформатор испытывают в режиме холостого хода также для определения полного z0, активного r0 и индуктивного х0 сопротивления при напряжении питания U0-U01=U1H. z0=U0/I0; r0=P0/I02; x0=√(z02-r02) (2.14). Коэффициент мощности холостого хода cosφ0: cosφ0=P0/U0I0 (2.15). В современных силовых трансформа­торах при U0=Um значения z1, г1 и х1 в десятки и сотни раз меньше значений z0, r0 и х0, которые в свою очередь называются сопротивлениями маг­нитной цени транс­форматора. Результатом ис­пытаний трехфазного трансформатора по схеме на рис. 2.2 явля­ется построение харак­теристик холостого хода, зависимостей I0,P0,cosφ0=f(U0). Они представлены на рис. 2.4. Опыт холо­стого хода проводят для ряда значений подводимого напряжения U0, которое меняют в пределах (0,3-1,1)U1H. Электроизмеритель­ными приборами контролируют между фазами величину питающего напряжения, ток по фазам, а также потребляемую мощность. Особен­ностью трехфазного трансформатора является магнитная несиммет­рия, обусловленная его конструкцией, и проявляющаяся преимуще­ственно в режиме холостого хода. Вследствие этого при построении характеристик величины U0 и I0 определяются как средние арифме­тические по значениям измерения для каждой величины подводимого напряжения в результате использования схемы рис. 2.2. U0=U0Л=1/3·(UAB+UBC+UCA) (2.16). I0=I0Л=1/3·(IA+IB+IC) (2.17). Мощность, потребляемая в режиме холостого хода Р0, (рис. 2.2) определяется по показаниям ваттметров: P0=|P0’+P0’’| (2.18). По характеристикам на рис. 2.4, при условии U0=U1H находят ток I0H потери Р0H, коэффициент мощности cosφ0H холостого хода. Последовательность поиска указанных величин показана на рис. 2.4 пунктирными линиями со стрелками. Потери и ток холостого хода, полученные в результате испытаний, должны соответствовать пас­портным данным завода-изготовителя или находится в пределах до­пустимых отклонений от них. Для трехфазного трансформатора при расчете значений сопро­тивлений z0,r0 их0 необходимо принимать во внимание схему со­единения первичной обмотки. В случае соединения первичной об­мотки в звезду: z0=U0Л/√(3)I0Л; r0=P0/3I0Л2; х0=√(z02-r02) (2.19). При соединении первичной обмотки в треугольник: z0=√(3)·U0Л/I0Л; r0=P0/I0Л2; x0=√(z02-r02) (2.20). Коэффициент мощности cosφ0 для обеих схем соединения об­моток: cosφ0=P0/√(3)·U0ЛI0Л (2.21). Коэффициент трансформации k трехфазного трансформатора в случае соединения обеих обмоток по одной схеме (однородно) может быть определен как среднеарифметическое значение путем измере­ния фазных напряжений первичной обмотки, фазных эдс вторичной обмотки и нахождения соответствующих фазных коэффициентов трансформации: kA=UAX/Eax; kB=UBY/Eby; kC=UCZ/Ecz (2.22). k=kф=1/3·(kA+kB+kC) (2.23). Значение k, полученное из (2.23), называется фазным коэффи­циентом трансформации kф и сравнивается с коэффициентом транс­формации завода-изготовителя k3-И: kЗ-И=w1/w2=U1H/U20 (2.24), где U1H - номинальное напряжение первичной обмотки; U20 - линей­ное напряжение вторичной обмотки на холостом ходу, численно рав­ное ее эдс. Коэффициент трансформации к, полученный в процессе кон­трольных измерений, не должен отличаться от данных завода-изготовителя kЗ-И более чем на 2%. Когда разница, превышает ука­занное значение, то проверяют состояние активных частей трансфор­матора. При соединении обеих обмоток трехфазного трансформатора по разным схемам (разнородно) кроме фазного kф находят линейный ко­эффициент трансформации kЛ, превышающий kф в √3 раз. Знание величины кл необходимо для проведения промышленных испыта­ний, подготавливающих трансформаторы к параллельной работе. Векторная диаграмма на рис. 2.5 построена на основании (2.6) - (2.8) и (2.12) для понижающего трансформатора в режиме холостого хода. Ток холостого хода I0, который называют также током намагничива­ния, имеет активную I0а и реактив­ную I0р составляющие, величины которых определяется параметрами намагничивающего контура. Ток I0 создает в магнитопроводе поток Фт, отстающий от него на угол δ. Угол δ составляет 3...40, характеризует маг­нитные, диэлектрические (высоко­вольтные трансформаторы) потери, измеряется специальными прибора­ми в процессе промышленных испы­таний. В обмотках индуктиру­ются эдс Е1, Е2. Величины эдс пер­вичной обмотки Е1, падения напря­жения r1I0 и jx1I0 уравновешивают величину напряжения сети U0, кото­рое опережает ток I0 на угол φ0. Форма кривой тока намагничивания реального трансформатора существенно не отличается от кривой тока намагничивания идеального трансформатора (рис. 2.3), за исключением активной составляющей, повторяющей форму первой гармоники напряжения сети U0. Операция приведения. Короткое замыкание однофазного трансформатора. Схема замещения и векторная диаграмма.Первичные и вторичные токи, напряжения и другие величины в общем случае имеют разный порядок при условии разного числа вит­ков первичной и вторичной обмоток. Между обмотками трансформа­тора нет электрической связи (кроме автотрансформатора), что за­трудняет его электрический расчет. Операция приведения выпол­няется с целью построения схем замещения реальных трансформато­ров, в которых электромагнитные связи заменяются электрическими. Целесообразно рассматривать вместо реального трансформатора при­веденный, первичные и вторичные обмотки которого имеют одинако­вое число витков. Вторичная обмотка приводится к первичной, т.е. реальная вторичная обмотка с числом витков w2 пересчитывают в эк­вивалентную ей обмотку с числом витков w1: w2=w'2=w1 (2.25). Таким образом, число витков вторичной обмотки изменяется в k раз. Величина k называется коэффициентом приведения и численно равна коэффициенту трансформации. Операция приведения не долж­на сказываться па режиме работы первичной цепи, т.е. в приведенном трансформаторе остаются те же потоки, мощности, потери. Исходя из этих особенностей, можно записать следующие зависимости: k=E1/E2; E2’=E1; E2’=kE2 (2.26). Электромагнитная мощность трансформатора и ток вторичной обмотки определяется соответственно выражениями: E2I2cosψ2=E2’I2’cosψ2’ (2.27). I2’=I2/k (2.28), где ψ2 - угол фазового сдвига между эдс и током вторичной обмотки. При этом намагничивающие силы приведенной и реальной об­моток, в результате которых образуются соответствующие магнитные потоки, равны: I'2w'2=I2w2. (2.29). Приведенная обмотка имеет в k раз больше витков. Поэтому из условия равенства потерь и реактивных мощностей в реальной и при­веденной обмотках, ее активное и реактивное сопротивления в k2 раз больше, чем реальной обмотке: r2’=r2(I2/I2’)2=r2k2; (2.30). x2’=x2(I2/I2’)2=x2k2 (2.31). Значение угла фазового сдвига ψ2 между эдс и током вторичной обмотки с учетом (2.30) и (2.31) будет: ψ2=ψ2’=arctg(x2/r2)=arctg(x2’/r2’) (2.32). Приведенные значения будут использованы в дальнейшем для исследования режимов работы трансформаторов. Аналогичная опера­ция приведения проводится также для асинхронных машин в процессе исследования их работы. Режим короткого замыкания трансформатора. Изучение трансформаторов в режиме короткого замыкания про­водится по схемам, представленным на рис.2.6. В результате оказы­вается возможным определить напряжение и потери короткого замы­кания. При замыкании вторичной цепи накоротко в ней возникает ток. Намагничивающая сила тока в соответствии с правилом Ленца находится в противофазе с намагничивающей силой первичной обмотки. Чем мощнее трансформатор, тем меньше величина тока холо­стого хода по сравнению с величиной номинального тока в первич­ной обмотке. Поэтому его влиянием можно пренебречь: I1w1=-I2w1 (2.33). В результате потоки первичной и вторичной обмоток, образуе­мые намагничивающими силами, вытесняют друг друга за пределы сердечника магнитопровода, замыкаясь по воздуху. Сопротивление магнитной цепи для обоих потоков значительно возрастает, магнитопровод насыщается слабо. Токи в обмотках могут в десятки раз пре­вышать свои номинальные значения. Чтобы избежать перегрева и по­вреждения трансформатора анализируют не эксплуатационное, а испытательное короткое замыкание. При этом напряжение, подводимое к первичной обмотке от регулируемого источника напряжения, сни­жают до такого уровня, чтобы токи в обмотках находились в пределах своих номинальных значений. Значение напряжения короткого замыкания определяется для номинальных токов в обмотках. Оно входит в паспортные данные трансформаторов и указывается в процентах: uКН%=UКН/U1H·100% (2.34), где U1H - номинальное напряжение первичной обмотки; UKH - напря­жение, подводимое к первичной обмотке при замкнутой накоротко вторичной обмотке, обеспечивающее протекание в них номинальных токов. Для силовых транс­форматоров величина на­пряжения короткого за­мыкания составляет 4-15%. При этом, чем транс­форматор мощнее, тем зна­чение напряжения коротко­го замыкания меньше. Зна­ние величины этого пара­метра необходимо для воз­можности подключения на параллельную        работу трансформаторов станций и подстанций, а также орга­низации экономичного ре­жима работы трансформа­торов. Проведение опыта ко­роткого замыкания необхо­димо также для определе­ния мощности (потерь) короткого замыкания РK. Она используется для расчета нагрузочных режимов трансформаторов с целью оптимизации потерь в них. Величина потерь короткого замыкания входит в паспортные данные или определяется в результате испытаний трансформаторов. Однофазный трансформатор испытывают в режиме короткого замыкания также для определения полного zK, активного rк и индук­тивного хк сопротивления короткого замыкания при номинальных токах в обмотках IK=IH. zK=UKH/IH; rK=PKH/IH2; xK=√(zK2-rK2) (2.35). Коэффициент мощности короткого замыкания cosφк: cosφK=PKH/UKHIH (2.36).Результатом испытаний трехфазного трансформатора по схеме на рис. 2.6 является построение характеристик короткого замыкания, зависимостей IK,PK,cosφK=f(UK), которые представлены на рис. 2.7. Опыт короткого замыкания проводят для ряда значений подводи­мого напряжения Uк, которое регулируют таким образом, чтобы ток в обмотках изменялся в пределах (0,5-1,2). Электроизмеритель­ными приборами контролируют между фазами величину питающего напряжения, ток по фазам, а также потребляемую мощность. Чтобы построить характеристики короткого замыкания величины Uк и Iк определяются как средние арифметические по результатам измерения для каждого значения подводимого напряжения. При этом использу­ется схема рис. 2.6. UK=UКЛ=1/3(UAB+UBC+UCA); (2.37). IK=IKЛ=1/3(IA+IB+IC) (2.38). Мощность, потребляемая в режиме короткого замыкания РK (рис. 2.6) определяется по показаниям ваттметров: PK=|PK’+PK’’| (2.39). По характеристикам на рис. 2.7, при условии IК=I1H находят напряжение UKH, потери РKH, коэффициент мощности cosφKH ко­роткого замыкания. Последовательность поиска указанных величин показана на рис. 2.7 пунктирными линиями со стрелками. Потери и напряжение короткого замыкания, полученные в результате испыта­ний, должны соответствовать паспортным данным завода- изготовителя или находится в пределах допустимых отклонений от них. Величина напряжения короткого замыкания в процентах иKH% определяется выражением (2.34). Для трехфазного трансформатора при расчете значений сопро­тивлений zK, гк и хк необходимо принимать во внимание схему со­единения первичной обмотки. В случае соединения первичной об­мотки в звезду: zK=UKЛ/√(3)·IKЛ; rK=PK/3IKЛ2; xK=√(zK2-rK2) (2.40). При соединении обмотки в треугольник: zK=√(3)·UKЛ/IKЛ; rK=PK/IKЛ2; xK=√(zK2-rK2) (2.41). Коэффициент мощности cosφK для обеих схем соединения об­моток: cosφK=PK/√(3)·UKЛIKЛ (2.42). При проведении опыта короткого замыкания и расчете парамет­ров трансформатора в этом режиме требуется измерить температуру окружающей среды θ1. Полученное значение считают равной темпе­ратуре обмоток при опыте короткого замыкания. Величины zK, rK, РKH, cosφKH и иKH% приводятся к расчетной рабочей температуре 75°С. Она отражает эксплуатационный режим работы трансформато­ра. Приведенные величины rК75 и РКН75 получаются умножением rK и РKH на температурный коэффициент kθ, величина которого составляет для меди 310/(235+θ1), а для алюминия 320/(245+θ1): rK75=rKkθ; PKH75=PKHkθ (2.43). Величина индуктивного сопротивления короткого замыкания хК от температуры обмоток практически не зависит. Приведенное пол­ное сопротивление короткого замыкания zK75 определяется выраже­нием: zK75=√(rK752+xK2) (2.44). Приведенное значение коэффициента мощности cosφКН75: cosφКН75=rK75/zK75 (2.45). С учетом (2.33), пренебрегая током намагничивания, можно считать, что I1=-I2’ (2.46). Векторная диаграмма понижающего трансформатора в режиме короткого замыкания изображена на рис. 2.8. Она представляет собой так называемый треугольник короткого замыкания, построенный при номинальном токе трансформатора IК=IH. В треугольнике короткого замыкания гипотенуза OA определяет напряжение короткого замыкания трансформатора UKH. Катеты ОВ и АВ представляют его активную UKHa и реактивную UKHp составляющие: OA=UKH=√(rK2+xK2)IH=zKIH (2.47). OB=UKHa=(r1+r2’)IH=rKIH (2.48). AB=UKHp=(x1+x2’)IH=xKIH (2.49). Для проведения расчетов систем электроснабжения используют величины напряжения и сопротивления короткого замыкания транс­форматора, выраженные в процентах (относительных единицах). На­пряжение короткого замыкания икн% равно полному сопротивлению короткого замыкания zK%: uKH%=UKH/U1H·100%=zKIH/U1H·100%=zK/zH·100%=zK% (2.50). Векторная диаграмма на рис. 2.8 позволяет определить активную и реактивную составляющие напряжения uKH% и сопротивления короткого замыкания zK%: uKHa%=UKHa/U1H·100%=rKIH/U1H·100%=rK/zH·100%=rK% (2.51). uKHp%=UKHp/U1H·100%=xKIH/U1H·100%=xK/zH·100%=xK% (2.52). Угол φKH из треугольника короткого замыкания определяется зависимостями: cosφKH=UKHa/UKH=rK/zK (2.53). sinφKH=UKHp/UKH=xK/zK (2.54). Величины uKH% и uKHa% также приводятся к расчетной рабочей температуре обмоток 75°С. Активная составляющая иКНа% находится из треугольника короткого замыкания: uKHa%=uKH%cosφKH (2.55). Реактивная составляющая напряжения короткого замыкания uKHp% от температуры обмоток практически не зависит. Она равна: uKHp%=√(uKH%2-uKHa%2) (2.56). Значение активной составляющей напряжения короткого замы­кания, приведенное к расчетной рабочей температуре uKHa75%=uKHa%·kθ (2.57), где kθ - температурный коэффициент приведения к температуре 75°С. Значение напряжения короткого замыкания, приведенное к рас­четной рабочей температуре обмоток uКН75%, с учетом (2.55) - (2.57) определяется по формуле: uКН75%=√(uKHa75%2+uKHp%2) (2.58). При проведении опыта короткого замыкания основной поток в сердечнике магнитопровода незначителен. Поэтому потерями в стали можно пренебречь. Практически вся мощность, потребляемая трансформатором в этом режиме, идет на покрытие потерь в обмотках: PK=Δpоб1+Δpоб2=I12r1+I22r1+I12r2’=I12rK (2.59). Величины сопротивлений короткого замыкания zK, rK, хK используют для расчетов в схемах замещения, для анализа работы трансформаторов под нагрузкой, параллельной работы трансформа­торов на станциях и подстанциях. Работа однофазного трансформатора под нагрузкой. Схема замещения и векторная диаграмма.Режимы холостого хода и короткого замыкания трансформато­ров являются предельными. Они используются преимущественно для его испытаний. Режим нагрузки, промежуточный между этими режимами, является для трансформаторов основным. Анализ номенклатуры приемников электрической энергии показывает, что наиболее часто встречаются приемники, представляющие активно-индуктивную нагрузку (трансформаторы, двигатели и т.д.). Данный вид нагрузки будем считать основным при анализе работы трансформаторов. В режиме холостого хода при первичном напряжении U1 трансформатор потребляет из сети ток I0, который необходим для создания потока Фm. У трансформаторов средней и большой мощности можно пренебречь величинами сопротивлений первичных обмоток r1 и х1. Следует также считать, что мощность сети значительно выше мощности трансформатора, т.е. величины питающего напряжения U1  и потока Фт остаются постоянными при любых изменениях во вторичной цепи. U1≈E1; Фm≈U1/4,44w1f1; U1≈const; Фm≈const (2.60). Во вторичной обмотке при подключении нагрузки ZHГ возника­ет ток I2. Намагничивающая сила вторичной обмотки w2I2 в соответ­ствии с правилом Ленца стремиться создать в магнитопроводе свой поток и изменить поток, существовавший в режиме холостого хода. Однако, из-за того, что U1≈const, поток существенно измениться не может. Для компенсации намагничивающей силы w2I2 должен воз­расти ток, потребляемой первичной обмоткой: I1=I0+IHГ (2.61), где IHГ - нагрузочная составляющая тока первичной обмотки. w1IHГ=-w2I2=-w1I2’ (2.62). IHГ=-I2’ (2.63). Ток, потребляемый первичной обмоткой, определяется с учетом выражения (2.63): I1=I0-I2’ (2.64). Намагничивающие силы обеих обмоток создают результирую­щий магнитный поток, индуктирующий в них эдс Е1 и Е2’ соответст­венно. Эдс вторичной обмотки Е2’, приводящая к возникновению вторичного тока I2’, уравновешивается падением напряжения на со­противлении обмотки r2’+jx2’ и на нагрузке ZHГ’=rНГ’+jxHГ’. Величи­на (rНГ’+jxHГ’)I2’ является напряжением, которое приложено к нагрузке U2’. Система уравнений трансформатора с учетом происходящих в первичной и вторичной цепях явлений, имеет вид: {U1=-E1+I1(r1+jx1); U2’=E2’-I2’(r2’+jx2’); I1=I0-I2’} (2.65). При работе трансформатора с нагрузкой, близкой к номиналь­ной, можно пренебречь током намагничивания I0 и полагать: I1=-I2 (2.66). Для облегчения расчетов трансформатора и исследования про­текающих в нем электромагнитных процессов часто используют электрическую схему замещения. В схеме замещения реальные электромагнитные связи между первичной и вторичной цепями заменя­ются электрическими. Такой прием делает схему удобной для поль­зования. Схема замещения представляет совокупность трех ветвей: намагничивающей, первичной и вторичной. Намагничивающей вет­вью является ветвь, по которой протекает ток I0, ограничиваемый со­противлением z0=r0+jx0. Параметры этой ветви определяются из опыта холостого хода. В схеме замещения первичная ветвь представ­ляется током I1 и сопротивлением z1=r1+jx1, а вторичная ветвь ото­бражается током и сопротивлениями z2’=r2’+jx2’ и ZHГ’=rНГ’+jx'HГ. Для расчетов и анализа работы систем электроснабжения применяют­ся Т-образная, Г-образная и упрощенная схемы замещения трансфор­матора, работающего под нагрузкой. В последнем случае пренебре­гают током намагничивания трансформатора при работе в пределах номинальных нагрузок. За сопротивление трансформатора принима­ется его сопротивление короткого замыкания zK. Схемы замещения трансформатора представлены на рис. 2.9. Проанализировать работу трансформатора в режиме нагрузки позволяет векторная диаграмма рис. 2.10, соответствующая работе трансформатора на активно-индуктивную нагрузку. Она строится на основе схем замещения или системы уравнений (2.65). Эдс Е1=Е2’ отстает от потока магнитопровода Фm на 90°. Ток I2’ отстает от эдс Е2’  на угол ψ2, значение которого определяется характером нагрузки. Вычитанием из Е2’ падения напряжения r2’I2 и jx2’I'2 получают вектор вторичного напряжения U'2. Ре­активная составляющая тока намагничивания I0p совпадает по фазе опережает Фт на 90°. Ток намагничивания I0=I0а+I0р опережает Фт на угол δ, который характеризует магнитные и диэлектрические (для высоковольтных трансформаторов) потери. Ток первичной обмотки I1 определяется выражением (2.64). Вектор первичного напряжения U1 получается прибавлением к вектору –E1 падения напряжения r1I1 и jx1I1. В случае активно-индуктивной нагрузки ω1>ω2. При условиях U1=const, ѱ2=const, φ2=соnst увеличение нагрузки I2’ вызывает некоторое уменьшение Е2’ и U2’, а также I0 и Фm. Работу трансформатора под нагрузкой следует рассматривать как результат наложения режима холостого хода на режим короткого замыкания. Внешняя характеристика трансформатора. Процентное изменение вторичного напряжения при работе под нагрузкой.Внешней характеристикой трансформатора (рис. 2.11) называется зависимость U2=f(I2), полученная при постоянном и номинальном напряжении сети U1H, частоте напряжения сети f1H, а также при неизменном характере нагрузки (φ=const). Внешняя характеристика позволяет оценить работу трансформатора на известные виды нагрузки, определяет изменение напряжения на вторичной обмотке, а, как следствие, и у потребителей. Изменение напряжения трансформатора ΔU представляет арифметическую разность между вторичным напряжением в режиме холостого хода U20, которое численно равно его эдс, и вторичным напряжением U2 при номинальной нагрузке I2Н. На рис. 2.12 проиллюстрировано определение величины изменения напряжения трансформатора ΔU при работе на активно-индуктивную нагрузку. Следует считать, что при номинальной нагрузке трансформатора его вторичное напряжение имеет номинальное значение U2=U2H. Изменение напряжения трансформатора часто выражается в процентах: Δu%=(U20-U2H)/U2H·100% (2.67). Изменение напряжения трансформатора можно также определить, зная составляющие напряжения короткого замыкания. При номинальной нагрузке трансформатора I2=I2Н и номинальном первичном напряжении U1=U1H величина Δu% равна: Δu%≈β(uKHa%cosφ2+uKHp%sinφ2) (2.69). При нагрузке трансформатора, которая отличается от номинальной (I2≠I2Н), и номинальном первичном напряжении U1=U1H: Δu%≈β(uKHa%cosφ2+uKHp%sinφ2) (2.69), где β - коэффициент нагрузки трансформатора. Зависимости (2.68) и (2.69) можно получить из векторной диаграммы трансформатора, которая строится на основе упрощенной схемы замещения, представленной на рис. 2.9,в. Чем мощнее трансформатор, тем меньше значение Δи%. Внешняя характеристика трансформатора также может быть представлена зависимостью U2=f(β). Энергетические диаграммы, потери и кпд трансформаторов.Энергетические диаграммы трансформатора с числом фаз m представлены на рис. 2.13. Преобразование активной энергии в указанном направлении включает в следующие составляющие: 1) активная мощность, потребляемая из сети Р1=mU1I1cosφ1; 2) активные потери в первичной обмотке; 3) активные потери в стали магнитопровода Δрс=тI12r1; 4) активные потери во вторичной обмотке Δроб2=тI2r2'; 5) электромагнитная мощность РЭМ, передаваемая во вторичную обмотку; 6) полезная мощность трансформатора Р2. Электромагнитная мощность РЭМ определяется выражением: PЭМ=P1-Δpоб2-Δpс=mE1I2’cosѱ2=mE2’I2’cosѱ2 (2.70). Полезная мощность Р2, передаваемая в нагрузку, запишется в виде: P2=PЭМ-Δpоб2=mU2’I2’cosφ2 (2.71). Преобразование реактивной энергии в указанном направлении включает в себя следующие составляющие: 1) реактивная мощность, потребляемая из сети Q1=mU1I1sinφ1; 2) потери рассеяния в первичной обмотке Δqоб1=mI12x1; 3) реактивные потери в стали магнитопровода Δqc=mI02x0; 4)потери рассеяния во вторичной обмотке Δqоб2=mI2’x2’; реактивная мощность, отдаваемая трансформатором в нагрузку Q2=mU2’I2’sinφ2. Потери активной мощности в трансформаторе подразделяются на электрические, преимущественно в обмотках, и магнитные, в стали магнитопровода. Магнитные потери можно считать постоянными во всем диапазоне нагрузок и равными потерям холостого хода Р0H при U1=const=U1H. Электрические потери являются переменными. В общем случае они равны β2РКН. Суммарные потери определяются выражением ΔpΣ=P0H+β2PKH (2.53). Полезная мощность трансформатора Р2 и его кпд 𝜂 находятся: P2=mU2I2βcosφ2=S2βcosφ2 (2.54). 𝜂=P2/P1=βS2cosφ2/(βS2cosφ2+(P0H+β2PKH)). Практический интерес представляет нахождение нагрузки трансформатора, при которой достигается максимальное значение его кпд 𝜂mах. Для этого следует взять производную от (2.55) по коэффициенту нагрузки трансформатора β и приравнять ее к нулю. Кпд достигает максимума при равенстве электрических и магнитных потерь: β2PKH=P0H (2.56). Зависимость (2.56) позволяет по паспортным данным определить коэффициент нагрузки трансформатора: β=βmax=√(P0H/PKH) (2.57). Кпд трансформатора достигает максимальной величины 𝜂max при βmах=0,45...0,7. Значение 𝜂max можно получить путем подстановки (2.57) в (2.55). То есть 𝜂max=βmaxS2cosφ2/(βmaxS2cosφ2+2P0H). В современных силовых масляных трансформаторах кпд достигает 99%, а в маломощных 40-50%. Для оценки экономичности используется понятие годового кпд трансформаторов, равного отношению энергии, отданной трансформатором во вторичную цепь за год, к энергии, полученной трансформатором за тот же период из первичной сети. На рис. 2.15 представлены зависимости кпд от коэффициента нагрузки трансформатора β при различных значениях коэффициентов мощности cosφ2. Особенности конструктивного исполнения трансформаторов. Основные варианты конструкций магнитопроводов и обмоток. Способы соединения обмоток.Основными элементами конструкции трансформаторов являют­ся магнитопровод, обмотки с отводами и элементами изоляции, а для масляных, кроме того, бак с расширителем. Трансформаторы снаб­жаются также устройствами охлаждения, переключения ответвлений обмоток, защиты масла от воздействий внешней среды, контроля и сигнализации, а также вводами. Магнитопроводы трансформаторов выполняют функции магнитной системы, а также конструктивной и механической основы. В конструкции магнитопровода различают ак­тивную часть, непосредственно проводящую магнитный поток, и не­активную часть, придающую магнитопроводу необходимую жест­кость. Различают два основных типа магнитных систем трансформа- тора: стержневую и броневую. В таких типах магнитных систем стержни и ярма расположены в одной плоскости. В однофазных стержневых трансформаторах каждая обмотка со­стоит из двух частей, которые располо­жены на двух стержнях и соединяются последовательно или параллельно. Такое расположение обмоток позволяет усилить электромагнитную связь между ними. В трехфазных стержневых трансформато­рах каждой фазе соответствует один стержень (рис. 2.15). Однофазный трансформатор бро­невой конструкции имеет один стержень с обмотками и развитое ярмо, которое частично закрывает обмотки подобно броне. Трехфазный броневой трансфор­матор можно рассматривать как три од­нофазных броневых трансформатора, поставленных рядом. В трансформато­рах такого типа электромагнитная связь между обмотками несколько лучше, чем в стержневых. Однако силовые броневые трансформаторы не получили широкого распространения в отечественных энер­гетических установках. В трехфазных сетях, рассчитанных на большую мощ­ность (SH>300 MBА) применяются трехфазные трансформаторные группы. Такие трансформаторы называют также групповыми (рис. 2.16). Чаще применяются трехфазные транс­форматоры с магнитопроводом, который является общим для всех фаз. Идея образования такого трансформатора (рис. 2.17) заключа­лась в том, что, для синусоидальных токов и синусоидальных потоков справедливо: iA+iB+iC=0 (2.59); ФA+ФB+ФC=0 (2.60). Следовательно, общий стер­жень магнитопроводов 1, 2, 3 мож­но удалить. Эта конструкция была предложена известным российским электротехником М.О. Доливо-Добровольским в 1889 г. У современных трехфазных трансформаторов магнитопроводы всех фаз находятся в одной плоско­сти (рис. 2.18). Для такой конст­рукции характерна некоторая не­симметрия магнитной цепи, т.е. длина магнитных линий средней фазы несколько короче, чем для крайних. Влияние такой несиммет­рии заметно проявляется только на холостом ходу, а при работе под нагрузкой оно незначительно и им можно пренебречь. По способу сочленения ярем и стержней магнитопроводы бывают стыковые и шихтованные. В сты­ковых магнитопроводах магнитная цепь состоит из вертикальных стержней и перекрывающих их сверху и снизу ярм. Ярма и стерж­ни собираются отдельно и крепятся с помощью стяжных шпилек. Во избежание замыкания листов и возникновения значительных вихре­вых токов, между ними помещают изоляционные прокладки из нагревосгойкого материала. Однако это вызывает увеличение сопро­тивления магнитной цепи и ведет к росту тока намагничивания. В на­стоящее время стыковые магнитопроводы применяются редко. В шихтованных магнитопроводах стержни и ярма собираются как единая конструкция. Вместо прямо­угольных листов применяют листы, одна из сторон которых срезана под углом. Такая шихтовка называется в «косой стык» и приводит к сниже­нию потерь в углах магнитоировода из-за уменьшения длины пути маг­нитного потока S, не совпадающего с направлением прокатки листа 1 (рис. 2.19). В качестве материала, из кото­рого изготовляют магнитопроводы трансформаторов, применяют кремневую сталь, пермаллой и т.п. Листы изолируются друг от друга с помощью изоляционной бумаги толщиной 0,03 мм, либо двухсторонним покрытием лаком. Стержни магнитопровода имеют в сечении вид многоугольника, вписанного в окружность. Число ступеней растет с увеличением мощности транс­форматора. В масляных трансформаторах предусматривают каналы для масла (рис. 2.20). Стерж­ни и ярма магнитоироводов трансформаторов средней и большой мощности стягива­ют при помощи специальных шпилек. В трансформаторах малой мощности эту опера­цию производят деревянны­ми планками, используют бандажи из стали или стеклоленты (рис. 2.21). При работе трансфор­матора на металлических частях его магнитопровода наводятся электрические заряды. Чтобы избежать разрядов внутри бака, активная сталь и ярмовые балки за­земляются при помощи медной ленты, соединяющей крайний пакет активной стати с ярмовой балкой и проходящей далее к заземленно­му баку. Для упрощения технологии сечение ярма берется прямоуголь­ным или с небольшим числом ступеней. Форма сечения ярма и его сочленение со стержнем, представленные на рис. 2.22, выбираются с учетом обеспечения равномерного распределения магнитного потока в сечении магнитопровода. Площадь сечения ярма принимают на 5-10% больше сечений стержней. При этом индукция в ярмах на 10-15% меньше, чем в стержнях, в результате несколько снижаются потери и ток холостого хода. Чтобы снизить магнитные потери при переходе линий магнитного поля и стержней в ярма применяют скошенные стыки и особые способы шихтовки листов из холоднокатаной стали (рис. 2.20). У мощных однофазных трансформаторов, у которых диаметры стержней доходят до 1 метра и более, магнитные системы выполня­ются в виде двух рам. Такая конструкция обеспечивает лучшие усло­вия охлаждения магнитной системы. В зазоре между рамами уста­новлены шунтирующие прокладки с учетом необходимой циркуля­ции масла. Схемы и группы соединения обмоток трехфазных трансформаторов.Требования, которым должны удовлетворять обмотки транс­форматоров, заключаются в следующем: 1) обмотки не должны иметь разрушающих деформаций от механи­ческих воздействий, а так же при коротких замыканиях от действия электромагнитных сил, обладать необходимой механической прочно­стью; 2) изоляция обмоток должна выдерживать длительное воздейст­вие электрического поля в номинальном режиме, а также при перена­пряжениях, т.е. обладать необходимой электрической прочностью; 3) обмотки должны быть технологичными, т.е. относительно про­сты в изготовлении и недороги; 4) температура нагрева обмоток не должна превышать пределов для данного класса изоляции при необходимом режиме охлаждения; 5) электрические потери в обмотках не должны превышать уста­новленных пределов. Конструкция обмоток зависит от тока и напряжения транс­форматора. По вели­чине тока определяют сечение проводников, а величина на­пряжения влияет на выбор конструкции изоляции. Обмотки изготовляют из медного и алюминиевого провода. В качестве изоляции обмоток круглого сечения в масляных трансформаторах применяют эмаль и хлопчатобумажную изоляцию, а в обмотках прямоугольного сечения, кроме того, кабель­ную бумагу и хлопчатобумажную пряжу. В сухих трансформаторах используют провода с нагревостойкой изоляцией из стекловолокна. По взаимному положению обмотки подразделяются на дисковые че­редующиеся и концентрические. Первые обеспечивают хорошую электромагнитную связь друг с другом, однако сложны в изготовле­нии и применяются редко. Вторые в современных трансформаторах используются достаточно широко. В трансформаторах небольшой мощности цилиндрическая об­мотка надевается на стержень магнитопровода и крепится относи­тельно него деревянными клиньями, рейками, которые одновременно играют роль изоляции. В остальных случаях применяют цилиндр из изоляционного картона. Наружная и внутренняя обмотка также кре­пятся друг относительно друга рейками. Между обмоткой и баком трансформатора устанавливаются барьеры из электромеханического картона. При сборке концентрических обмоток ближе к стержню рас­полагается обмотка НН. В результате снижается толщина изоляции и, следовательно, габариты трансформатора. Обмотки трехфазных трансформаторов соединяются в звезду (Y), треугольник (Δ) и зигзаг (Z). Выбор схемы соединения об­моток зависит от ряда причин. В сетях с напряжением выше 35 кВ выгодно соединить обмотки трансформатора в звезду и заземлить ну­левую точку. При этом напряжение выводов трансформатора и про­водов линий передачи относительно земли будет в √3 раз меньше линейного, что позволит снизить стоимость изоляции. Осветительные сети выгодно строить на более высокое напряжение. Поэтому вто­ричные обмотки трансформаторов, предназначенных для питания ос­ветительных сетей, обычно соединяют в звезду и включают осветительные лампы на фазное напряжение - между линейным и нулевым выводами. Однако, из-за влияния высших гармоник и при несимметричной нагрузке целесообразно включать одну из обмоток трансформатора в треугольник. Когда обмотки соединяют в звезду, то зажимы нулевой точки обозначают 0, 0m. В ряде случаев применяется соединение зигзагом (Z). Каждая фаза делится на две одинаковые части. Эти части распо­лагают на соседних стержнях, причем конец одной катушки соеди­няют с концом другой, т.е. катушки включены встречно, чтобы их эдс при таком последовательном соединении геометрически складыва­лись (рис. 2.25). Соединение зигзагом полезно применять в транс­форматорах для питания вентильных преобразователей или неравно­мерной нагрузке. Стандартное обозначение способов соединения обмоток транс­форматора выполняются в виде дроби. Символ в числителе относится к ОВН, символ в знаменателе - к ОНН (Y/Y , Y/A,Y/Z, Л/А, Л/Y, A/Z ). При наличии нулевого вывода добавляется символ "н" или "0" (Y/YH, Y/Y0). При включении трансформатора на параллельную работу с дру­гими трансформаторами имеет значение сдвиг фаз между эдс первич­ной и вторичной обмоток. Для характеристики этого сдвига вводится понятие о группе соединения обмоток. Принадлежность трансформа­тора к той или иной группе определяется фазовым углом сдвига меж­ду одноименными векторами линейных эдс обмоток ВН и НН. Этот угол зависит от направления намотки обмоток, способов их мар­кировки и соединения. Если обмотки расположены на одном стержне, намотаны в одну и ту же сторону и имеют одну маркировку зажимов (рис. 2.26,а), то они пронизываются одним и тем же магнитным потоком. Эдс, наводимые в обмотках, по фазе будут совпадать и в любой момент вре­мени будут одинаково ориентированы относительно зажимов. Если обмотки расположены на одном стержне, намотаны в одну и ту же сторону, но имеют разную маркировку, то в таком случае эдс обмоток находятся в противофазе (рис. 2.26,6). То же самое будет на­блюдаться, если изменить направление намотки одной из обмоток. Практически принято сдвиг фаз между эдс характеризовать положением стрелок на часовом циферблате. Вектор линейной эдс ОВН принимают в качестве минутной стрел­ки «часов», совмещенной с цифрой «12» или «0» условного циферблата. Одноименный вектор линейной эдс ОНН принимают за ча­совую стрелку. Векторы связаны между собой и показания условных «часов» определяют группу соединения трансформа­торов. Для связи векторов ОВН и ОНН меж­ду одноименными выводами этих обмоток устанавливают перемычку. На рис. 2.27 показано соединение об­моток по схеме «звезда-звезда». Фазные эдс со стороны звезды соответствуют фазным эдс со стороны треугольника. Из рисунка следует, что однородные способы соединения ОВН и ОНН (Y/Y, Δ/Δ) обеспечивают четные группы соединений. На рис. 2.28 отображено соединение обмоток по схеме «звезда-треугольник». Для треугольника фазная эдс является одновременно линейной. В данном случае фазные эдс относительно зажимов ориен­тированы одинаково. Разнородные способы соединения ОВН и OHН (Y/Δ, Δ/Y) обеспечивают нечетные группы соединений. Большой разнобой в схемах и группах соединений изготовляе­мых трансформаторов нежелателен. Стандартными являются группы соединений обмоток трехфазных трансформаторов: Y/Yo-0; Y/Δ-11; Δ/Y0-11; Y0/Δ-11, Y/Z-11. У однофазных трансформаторов возмож­ны только две группы соединения обмоток: I/I-0 и I/I-6. Стандартной является группа 0. Правила включения трансформаторов на параллельную работу. Причины возникновения уравнительных токов. Фазировка трансформаторов.На повышающих и понижаю­щих трансформаторных подстанци­ях обычно устанавливаются в зави­симости от мощности несколько па­раллельно работающих трансфор­маторов (рис.2.32). Параллельная работа необходима для обеспечения резервирования в электроснабжении потребителей при аварии или ре­монте, а также для уменьшения по­терь энергии в периоды малых на­грузок подстанции путем отключе­ния отдельных параллельно рабо­тающих трансформаторов. Для достижения наилучшего режима работы требуется, чтобы общая нагрузка подстанции распре­делялась между трансформаторами пропорционально их номинальной мощности. Это достигается путем выполнения условий: 1) группы соединения обмоток должны быть одинаковыми; 2) коэффициенты трансформации k (напряжения первичной и вторичной обмоток) должны быть одинаковыми; 3) напряжения короткого замыкания иКН% должны быть одинако­выми. Параллельная работа трансформаторов при неодинаковых группах соединения обмоток, при неодинаковых коэффициентах трансформации и при неодинаковых напряжениях короткого замыкания.Параллельная работа при неодинаковых группах соеди­нения обмоток. Пусть включены на параллельную работу трансформа­торы с соединением обмоток Y/Y-0 и Y/Δ-11, имеющие одинаковые первичные и вторичные напряжения (рис. 2.33). Тогда вторичные эдс Е21 и Е2П соответствующих фаз транс­форматоров будут равны по значению, но сдвинуты по фазе на угол α, равный 30º. В замкнутом контуре вторичных обмоток возникает разность эдс: ΔE=2E2sin(α/2)≈0,5E2 (2.60). Значение уравнительного тока IУ, протекающего по первичной и вторичной обмоткам трансформаторов, ограничено сопротивления­ми обмоток. Оно равно сумме сопротивлений короткого замыкания трансформаторов. Тогда IУ=ΔE/(zKI+zKII) (2.61). В качестве иллюстрации рассмотрена параллельная работа двух трансформаторов в режиме холостого хода с одинаковыми мощно­стями, коэффициентами трансформации к и сопротивлениями корот­кого замыкания zK%I=zK%II=иКН%=0,05. Учитывая зависимость (2.60) из (2.61) величина уравнительного тока в процентах от номинального значения тока обмоток составит IУ%=(0,5/2·0,05)·100%=500%. Наличие такого тока будет равносильно короткому замыканию. Па­раллельная работа трансформаторов с различными группами соеди­нения обмоток недопустима даже в режиме холостого хода. Параллельная работа при неодинаковых коэффициентах трансформации. Пусть у двух однородных трансформаторов первич­ные и вторичные напряжения не равны, причем Е2I>Е2II. Следова­тельно, в замкнутом кон­туре вторичных обмоток будет действовать раз­ность эдс ΔЕ=Е2I-Е2II (рис. 2.34, а). Возни­кающий уравнительный ток IУ во вторичных об­мотках трансформаторов имеет различные направ­ления относительно дей­ствующих в них эдс. Трансформатор I (рис. 2.32), т.к. Е2I>Е2II является источником тока, а трансформатор II потреб­ляет этот ток. Падения и zK1IУI, вызываемые уравнительными токами в обмотках трансформаторов, выравнивают вторичные напряжения об­моток U2. При включении нагрузки в трансформаторах возникают токи нагрузки IНГI и IНГII (рис. 2.34, б). Уравнительные токи IУI и IУII складываются с ними и вызывают неравномерную нагрузку транс­форматоров. Трансформатор I оказывается перегруженным, а транс­форматор II - недогруженным. Пусть параллельно работают два трансформатора одинаковых мощностей, с одинаковыми группами соединения обмоток и сопро­тивлениями короткого замыкания zK%I=zK%II=иКН%=0,055. Коэф­фициенты их трансформации k различаются на 1%. Тогда разность эдс ΔЕ будет равна 0,01-UH. Согласно выражению (2.61) уравнительный ток IУ составляет довольно значительную величину. Он бу­дет IУ%=(0,01/2·0,055)·100%≈9%. Также и в этом случае трансформаторы загружены неравномерно. Как показывает опыт эксплуатации при параллельной работе трансформаторов их коэффициенты трансформации не должны раз­личаться более чем на ±0,5% от их среднего значения. Например, для двух трансформаторов с коэффициентами kI и kII такое отличие оп­ределяется выражением: Δk=((kI-kII)/√(kIkII))·100%≤±0,5% (2.62). Трансформатор с меньшим значением k, несет большую нагруз­ку, чем трансформатор с большим k. Параллельная работа при неодинаковых напряжениях ко­роткого замыкания. Три трансформатора работают параллельно, имеют одинаковые группы соединения обмоток и коэф­фициенты трансформации к. Для упрощения анализа их работы пренебрежем током намагничивания. В результа­те может быть использована упрощенная схема замеще­ния, которая представлена на рис. 2.35. Определим распре­деление нагрузки между Рис. 2.35. Параллельная работа трансформаторами. Падение трансформаторов при неодинаковых напряжения в трансформаторной группе: ΔU=I·z=1/Σ(1/zKi) (2.63), где z - сопротивление п трансформаторов в группе; zKi - сопротивле­ние короткого замыкания i-ого трансформатора. Напряжение иKHi% и сопротивление zKi короткого замыкания каждого i-ого трансформатора рассчитываются в соответствии с формулами: uKHi%=(zKiIHi/U1H)·100% (2.64); zKi=uKHi%U1H/100IHi (2.65). Ток каждого i-ого трансформатора определяется выражением: Ii=ΔU/zKi=I/zKi·Σ(1/zKi)=I/uKHi%U1H/100IHi·Σ(100IHi/uKHi%U1H) (2.66). Умножаем обе части выражения (2.66) на коэффициент mU1H: mU1HIi=mU1HI/(m/m)·(uKHi%U1H/100IHi)·Σ(100IHi/uKHi%U1H) (2.67). Тогда нагрузка каждого i-ого трансформатора: Si=S/(uKHi%/SHi)·Σ(SHi/uKHi%) (2.68), где S - суммарная мощность нагрузки, SHi - паспортная мощность i-ого трансформатора. Если пренебречь незначительным сдвигом токов по фазе в вет­вях схемы замещения, то можно полагать, что I=II+III+IIII (2.69); S=SI+SII+SIII (2.70). Зависимость (2.68) позволяет определить степень загрузки каж­дого трансформатора в группе. Например, суммарная мощность на­грузки составляет S=300кВА. Номинальные мощности грех транс­форматоров одинаковы. Они составляют 100 кВА. Напряжения ко­роткого замыкания равны иKHI%=4%, иKHII%=5%, иKHIII%=6%. Тогда мощность нагрузки каждого трансформатора составит: {SI=300/(4/100·[100/4+100/5+100/6])=121,5 кВА; SII=300/(5/100·[100/4+100/5+100/6])=97,5 кВА; SIII=300/(6/100·[100/4+100/5+100/6])=81,5 кВА} (2.71). Таким образом, первый трансформатор I с меньшим значением иKH% перегружен, трансформатор II работает с нагрузкой близкой к номинальной, а трансформатор III с большим значением иKH% недог­ружен. Трансформатор, имеющий меньшее значение напряжения ко­роткого замыкания несет большую нагрузку. Суммарная на­грузка должна быть снижена, чтобы первый трансформатор работал в номинальном режиме, но тогда третий трансформатор будет еще бо­лее недогружен. Следовательно, такая работа нецелесообразна. Практически при параллельной работе напряжения короткого замыкания трансформаторов не должны различаться более чем на ±10% от их среднего значения. Для двух трансформаторов, имеющих иKHI% и uKHII%, такое отличие определяется выражением: ΔuK=(uKHI%-uKHII%)/(0,5·(uKHI%+uKHII%)·100%≤±10% (2.72). При включении на параллельную работу трансформаторов с раз­ными значениями uKH некоторое перераспределение нагрузок может быть достигнуто изменением коэффициента трансформации k при помощи переключателя ответвлений обмоток (у перегруженных трансформаторов вторичное напряжение при холостом ходе U20 должно быть меньше, чем у недогруженных трансформаторов). Допускается при эксплуатации отношение номинальных мощностей параллельно работающих трансформаторов в пределе 1:3. Перед включением трансформаторов параллельно на общую нагрузку с со­блюдением вышеупомянутых условий необходимо на холостом ходу провести их фазировку. Затем убедиться, что на одну и ту же на­грузочную шину включаются такие выводы отдельных трансформа­торов, напряжения которых совпадают по фазе. При фазировке трех­фазных трансформаторов с одной и той же группой соединения об­моток между одноименными выводами напряжение отсутствует, а между разноименными равно линейному напряжению вторичных об­моток. В сетях до 380 В фазировка проводится вольтметрами (непо­средственная фазировка), в сетях выше 380 В и высоковольтных се­тях дополнительно используются измерительные трансформаторы напряжения группы 0 (косвенная фазировка). Мощность потерь трансформаторов при параллельной работе.Определение суммарной мощности потерь параллельно рабо­тающих трансформаторов позволяет найти пределы нагрузок под­станции, при которых целесообразно переходить от работы одного трансформатора к параллельной работе двух, трех и т. д., что дает за­метный экономический эффект. Например, на подстанции установле­ны три одинаковых трансформатора с потерями холостого хода Р0H и короткого замыкания РКH. Если всю нагрузку подстанции песет один трансформатор, то мощность потерь составляет 2Р0H+β2РКH. Если при той же нагрузке подстанции параллельно работают два транс­форматора, то мощность потерь составляет 2Р0H+2(β/2)2РКH. Приравнивая потери одного трансформатора и потери двух трансформа­торов, определим значение β2, при котором потери в двух трансфор­маторах будут меньше, чем в одном: P0H+β2PKH=2P0H+2(β/2)2PKH (2.73); β=β2=√(2P0H/PKH) (2.74). Параллельное включение трех трансформаторов позволяет най­ти β3, при котором потери в них будут меньше, чем в двух: 2P0H+2(β/2)2PKH=3P0H+3(β/3)2PKH (2.75); β=β3=√(6P0H/PKH) (2.76). Данный подход служит для определения рационального режима работы трансформаторов подстанции при ее проектировании и экс­плуатации. Он используется также при неодинаковых потерях в трансформаторах. Экономический эффект достигается за счет сниже­ния потерь холостого хода трансформаторов в случае отключения их части из сети питания в часы минимума нагрузок (ночные смены, вы­ходные дни). Особенности холостого хода трехфазных трансформаторов в зависимости от конструкции магнитопровода и способа соединения обмоток.Для анализа режима холостого хода рассмотрим трехфазной трансформатор с соединением обмоток Δ/Y (рис. 2.29 а). Пусть каж­дая фаза его первичной обмотки подключена к синусоидальному на­пряжению сети. Тогда потоки будут синусоидальными, а фазные токи содержать высшие гармоники, из которых более других выделяется третья гармоника. Кратные трем гармоники тока холостого хода по фазе совпадают. По этой причине в линейных токах, которые пред­ставляют разность токов соответствующих фаз, гармоники, кратные трем, будут отсутствовать. Токи гармоник, кратных трем, будут цир­кулировать внутри замкнутого треугольника. Если обмотки соединить по схеме Y/Δ, то гармоники, кратные трем, в фазных токах не могут существовать. Из нулевой точки нет выхода и гармоники, кратные трем, будут друг друга компенсировать (рис. 2.29 б). В результате, фазные токи холостого хода принимают синусоидальную форму. При этом потоки во всех трех магнитопроводах перестают быть синусоидальными. Они принимают уплощенную форму вследствие насыщения магнитопровода. Каждая гармони­ка потока индуктирует в обмотке свою эдс, отстающую по фазе на угол π/2. Все фазные эдс принимают пикообразную форму. В ряде случаев амплитуда третьей гармоники Е3т равна примерно половине амплитуды первой гармоники Е1m, т.е. Е3т≈0,5Е1т. Результирую­щая эдс фазы возрастает возникает опасность пробоя изоляции обмо­ток. Вместе с тем, линейные эдс синусоидальны. Уплощенная кривая потока наряду с основной гармони­кой Ф|У будет иметь относи­тельно сильную третью гар­монику Ф3Y (рис. 2.30, а). Третьи гармоники потока, совпадающие по фазе, ин­дуктируют во вторичной обмотке, соединенной тре­угольником, три равные по значению и совпадающие по фазе эдс Е3Δ. Они склады­ваются в контуре треуголь­ника и создают ток IЗΔ. Если пренебречь активным сопро­тивлением обмоток, то ток имеет индуктивный харак­тер. Создаваемый им поток Ф3Δ почти полностью компенсирует поток Ф3Y. Поэтому результирующие по­токи фаз будут практически синусоидальными (рис. 2.30, б). Следовательно, при соединении од­ной из обмоток трансформатора в треугольник магнитные потоки, эдс и напряжения фаз остаются практически синусоидальными. Целесообразно также рассмотреть работу трансформатора при включении его по схеме Y/Y. В случае соединения обмоток по схеме Δ/Y было установлено, что фазные токи имеют синусоидальную форму, а потоки - уплощенную, т.е., представлены совокупностью первой гармоники и гармоник, кратных трем. В трехфазной группе од­нофазных трансформаторов (рис. 2.31, а) и в трансформа­торах броневого типа (рис. 2.31, б) третьи гармоники за­мыкаются по магнитопроводу. В результате фазные эдс неси­нусоидальны, линейные же эдс не содержат гармоник кратных трем. В трехстержневых трансформаторах (рис. 2.31, в) третьи гармоники по­тока не могут замыкаться по магнитопроводу. Они вытес­няют друг друга за его преде­лы и замыкаются от одного ярма к другому через транс­форматорное масло или воздух, через стенки бака, крепежные детали, что вызывает добавочные потери от вихревых токов. Сопротивление магнитной цепи для третьих гармоник резко возрастает. Их амплиту­да снижается до приемлемого малого уровня. Потоки во всех стерж­нях принимают практически синусоидальную форму, синусоидаль­ными будут также фазные и линейные эдс. При соединении обмоток по схеме Y/Y возникают искажения кривых фазных напряжений, а в трехстержневых трансформаторах - добавочные потери от вихревых токов. В случае наличия нулевого провода образуется замкнутый кон­тур для третьих гармоник тока. Причем в нулевом проводе ток имеет утроенное значение тока третьей гармоники фазы трансформатора. Если этот контур создается через сопротивление нагрузки или другие сопротивления, то величина и влияние токов третьей гармоники уменьшится. Трансформаторы большой мощности с соединением об­моток по схеме Y/Y, заводами-изготовителями, как правило, не про­изводятся. В случае потребности в таких трансформаторах использу­ют дополнительную, третичную, обмотку, соединенную в треуголь­ник. Сечение обмотки рассчитано только на токи третьей гармоники фазы трансформатора. Способы охлаждения трансформаторов. Особенности конструктивного исполнения систем охлаждения.Повышение номинальной мощности трансформатора приводит к увеличению потерь ΔpΣ в нем, которые растут пропорционально кубу линейных размеров l3 а поверхности охлаждения Sохл - пропор­ционально их квадрату l2. Это приводит к необходимости по мере роста номинальной мощности отступать от конструктивного подобия трансформаторов и увеличивать относительные размеры охлаж­дающих поверхностей обмоток, магнитной системы и бака. Конструкция масляного бака зависит от мощности трансформато­ра. В маломощных трансформаторах (SH≤20кВА) баки имеют гладкую поверхность. Внутри бака происхо­дит естественная конвекция масла (способ охлаждения М). Стенка бака отдает тепло в окружающую среду путем конвекции и лучеиспускания воздуха. Наибольшая допустимая температура масла в верхних слоях 95°С. При мощности трансформа­торов от 20 кВА до 1800 кВА и вы­ше к стенкам бака привариваются трубы (рис. 2.38,а) или используют­ся радиаторы (рис.2.38,б). В транс­форматорах большей мощности применяется также обдувание каж­дого радиатора вентиляторами (спо­соб охлаждения Д), в результате че­го теплоотдача увеличивается на 50-60% (рис. 2.39). Более интенсивным является водомасляное охлаждение (способ Ц), схема которого изображена на рис. 2.40. Нагретое масло откачивается из верхней части бака насосом, пропускается по специальным каналам через водяной маслоохлади­тель (теплообменник), представленный на рис. 2.41, и поступает в нижнюю часть бака. Иногда теплообменники помещают внутри бака трансформатора. Искусственное воздушно-масляное охлаждение (спо­соб ДЦ) применяется для трансформаторов весьма большой мощно­сти, при котором нагретое масло при помощи насоса пропускается че­рез вынесенный охладитель, обдуваемый воздухом. Схема для способа охлаждения ДЦ показана на рис. 2.42. Обычно искусственное дутье рассчитывается таким образом, что мощность трансформатора увеличивается примерно на 30%. Об­служивание устройств охлаждения проводится в определенные сроки, условия эксплуатации требуют учета климатических и производственных условий, состояния частей трансформатора, других факторов. На крышке трансформаторного бака устанавливаются маслонаполненные вводы, внутри которых проходит медный стержень, слу­жащий для соединения трансформатора с внешней сетью. Трансфор­маторы мощностью свыше 75 кВА для заполнения маслом над крыш­кой бака имеют расширитель с соединенной с ним выхлопной трубой (рис.2.43). Объем расширителя составляет 8-10% от объема масла в баке. Он выбирается таким, чтобы при любых колебаниях температу­ры и объема масла верхний уровень масла оставался в пределах рас­ширителя. При этом также уменьшается открытая поверхность масла. В расширителе устанавливается силикагелевый воздухоосушигель, поглощающий из воздуха влагу. Однако полностью воздух не осушается и влажность его в расши­рителе повышается. Для пре­дотвращения этого применяют герметичные баки с газовой подушкой из азота или свобод­ное пространство заполняют азотом, который поступает из специальных емкостей. Между расширителем и баком уста­навливается газовое реле. Оно служит для сигнализации и от­ключения трансформатора от сети при разложении масла и выделении газа при аварии. Кроме того, на крышке бака ус­танавливается выхлопная тру­ба, закрытая тонкой мембраной из тонкого стекла или медной фольги. Мембрана лопается при повышении давления внутри бака, что защищает его от разрыва. Верхняя полость выхлопной трубы и воздушное пространство над поверхностью масла в расширителе соединены трубкой для выравнивания давлений с обеих сторон диафрагмы при изменении объ­ема масла. Аварийный сброс масла, а также его слив для замены но­вым маслом происходит в специально приготовленные заранее на месте монтажа маслосборные ямы. В процессе эксплуатации осуще­ствляется окисление, увлажнение и загрязнение масла, что ухудшает его изоляционные свойства. Отборы проб масла выполняется регу­лярно, а также периодически проводится его очистка, сушка или за­мена. Сушке подвергаются также магнитопроводы и обмотки. Маслоуказатель, устанавливаемый в торцевой части расширите­ля, служит для контроля уровня масла в трансформаторе. Применяют­ся плоские и трубчатые стеклянные маслоуказатели, работающие по принципу сообщающихся сосудов. На шкале маслоуказателя нанесены три контрольные риски, соот­ветствующие уровням масла в неработающем трансформаторе при тем­пературах -45, +15, +40 °С. В корпус маслоуказателя встроен специальный гер­метичный контакт (геркон), подающий сигнал в случае недопустимого по­нижения уровня масла в трансформаторе. В сухих трансфор­маторах бак заменен лег­ким кожухом. Отсутствие масла и применение в качестве твердой изоляции обмоток стекловолокна и других материалов существенно повы­шает пожарную безопасность установки. Однако воздух является ме­нее совершенной изолирующей и охлаждающей средой, чем масло. Поэтому требуется увеличивать изоляционные промежутки и охлаж­дающие каналы, допускать меньшие нагрузки, что ведет к снижению потерь по сравнению с масляными трансформаторами. Для уменьше­ния потерь от потоков рассеяния стальные баки экранируются с внут­ренней стороны пакетами электротехнической стали или пластинами из немагнитных материалов (меди, алюминия). Трансформаторы мощностью до 1800 кВА перевозят в собран­ном виде, масляные заполнены маслом. Трансформаторы большей мощности транспортируют с демонтированными радиаторами, расши­рителями и т.д. Регулирование напряжения трансформаторов.Колебания нагрузок потребителей вызывает колебания вторич­ного напряжения трансформатора, поэтому возникает необходимость регулирования напряжения трансформаторов путем изменения коэф­фициента трансформации k=w1/w2, т. е. числа включенных в работу витков первичной или вторичной обмотки. Для этого обмотка выполняется с рядом ответвлений и снабжается специальным переклю­чающим устройством. У понижающих трансформаторов при необходимости повысить или понизить напряжение на вторичной стороне НН следует на первичной стороне ВН переходить соответст­венно на меньшее или большее число витков. Для повышающих трансформаторов переход осуществляется на большее или меньшее число витков обмотки ВН в соответствии с необходимостью повысить или понизить напряжение на вторичной стороне ВН. Ответвления расположены на той стороне, где в процессе эксплуата­ции напряжение подвергается изменениям. Чаще всего это сторона высшего напряжения ВН или среднего напряжения СН. Переключаемые участки целесообразно располагать в средней части обмотки. Это необходимо, чтобы части обмоток были равномерно загружены и не вызывали существенного искажения магнитного поля рассеивания, которое, в свою очередь, способствует созданию усилий, возникающих при коротких замыканиях, стремящихся сдвинуть обмотки друг относительно друга в осевом направлении. Опасность разрушения обмоток при этом тем меньше, чем равномернее распределены отключаемые витки по высо­те обмотки. Поэтому в многослойных цилиндрических обмотках (рис. 2.22, 2.23) отключаемые витки размещают в конце обмотки. В этом случае облегчается изоляция переключающего устройства. Наи­более характерные схемы обмоток с ответвлениями представлены на рис. 2.36. Схемы регулирования напряжения вблизи нулевой точки при соединении обмотки в звезду на рис. 2.36, а,б,в допускают примене­ние наиболее простого и дешевого переключателя - одного на три фазы трансформатора. В этих схемах рабочее напряжение между от­дельными частями переключателя не превышает 10% линейного на­пряжения обмотки (при соединении треугольником рабочее напряже­ние достигает 100% от номинального). Схема рис. 2.36,а для регули­рования напряжения при многослойной цилиндрической обмотке применяется в трансформаторах мощностью до 160 кВА. В транс­форматорах мощностью от 250 кВА и выше используют схему рис. 2.38,б. Согласно этой схеме регулировочные витки, располагаемые в наружном слое обмотки, размещают симметрично относительно се­редины высоты обмотки во избежание повреждения при коротких за­мыканиях в результате действия механических сил. Намотка регули­ровочных витков ведется тем же проводом и с тем же направлением намотки, что и основных витков обмотки. В соответствии с рис. 2.38,в и г регулирование напряжения выполняется при многослойной цилиндрической катушечной и катушечной обмотке (рис. 2.24), при­чем одна половина обмотки мотается правой, а другая левой намот­кой. Когда обмотки соединены треугольником схема 2.38,в и г не применяется. Переключение ответвлений может проводиться для отключен­ного трансформатора от сети или же без его отключения, под нагруз­кой. В первом случае переключающее устройство проще и дешевле, но его использование вызывает перерыв энергоснабжения потребите­лей. Этот способ чаще всего применяют для коррекции вторичного напряжения сетевых понижающих трансформаторов в зависимости от уровня первичного напряжения на данном участке сети, а также при сезонных изменениях нагрузки. Трансформаторы, работающие в та­ком режиме, называются трансформаторами с устройствами пере­ключения без возбуждения (ПБВ). Трансформаторы с устройствами ПБВ изготовляются с регулированием напряжения относительно номинального на +5%, +2,5%, -2,5% и -5% (масляные силовые транс­форматоры). Переключатель располагают внутри бака трансформато­ра, а концы осей переключателей выводятся на крышку бака. Переключение под нагрузкой применяется в мощных трансфор­маторах при необходимости частого и непрерывного регулирования напряжения. Трансформаторы, работающие в таком режиме, называ­ются трансформаторами с устройствами регулирования под нагруз­кой (РПН). Они рассчитаны для регулирования напряжения в преде­лах 6...10 % через 1,25...1,67 %. В трансформаторах с устройствами РПН переход с одной ступени на другую должен проходить без раз­рыва цепи тока. В процессе переключения часть обмотки оказывается замкнутой накоротко. Для снижения тока короткого замыкания при­меняют токоограничивающие реакторы или активные сопротивления. Несимметричная нагрузка трехфазных трансформаторов. Общая характеристика.При эксплуатации трехфазных трансформаторов часто встречают­ся случаи, когда нагрузка и напряжения отдельных фаз неодинаковы. Несимметрия фазных UФ и линейных UЛ напряжений неблагоприятно сказывается на потребителях электроэнергии. На практике в сетях, пи­тающихся от трансформаторов, случаются несимметричные короткие замыкания (однофазные на землю или нулевой провод и двухфазные). При анализе несимметричных режимов работы удобно пользоваться методом симметричных составляющих, полагая, что коэффициент трансформации k=1 (w1=w2), а ток намагничивания примерно равен нулю. Применительно к трансформаторам этот метод можно упростить, так как для токов прямой и обратной последоватьности активное и индуктивное сопротивления обмоток одинаковы. В данном случае могут быть использованы рассмотренныеранее схемы замещения. Это справедливо, так как сопротивление трансформатора по отношению к токам указанных последовательностей равно сопротивлению корот­кого замыкания zK. Условия работы трансформаторов при несимметричной нагрузке.Несимметричная нагрузка при отсутствии токов нулевой последовательности. Токи Нулевой последовательности отсутствуют в случае, когда сеть не имеет нулевого провода или когда этот провод не нагружен током. Действие токов прямой и обратной последова­тельностей можно учитывать совместно, т.к. сопротивления транс­форматора для них одинаковы, а сами токи одинаково трансформи­руются из одной обмотки в другую. При условиях w1=w2 и равенстве нулю тока намагничивания первичные и вторичные токи прямой по­следовательности в каждой фазе равны по значению и противопо­ложны по знаку. Это справедливо также для токов обратной последо­вательности и для суммы токов обеих последовательностей. Полные токи фаз с учетом принятых допущений: IA=-Ia; IB=-Ib; IC=-Ic (2.135). Намагничивающие силы и токи первичных, а также вторичных обмоток уравновешиваются в каждой фазе и в каждом магнитопроводе по отдельности. Следовательно, влияние токов фаз друг на друга будет отсутствовать. Поэтому при расчетах каждую фазу можно рас­сматривать в отдельности. Для несимметричной нагрузки падение напряжения в отдельных фазах трансформатора ΔU различны. Если токи фаз не превышают номинальных значений, то при I0П=0 вели­чины ΔU относительно малы, т.к. малы значения сопротивления zП. Несимметричная нагрузка трансформатора при I0П=0 не вызывает значительного искажения симметрии фазных и линейных напряже­ний. В результате не возникает больших осложнений в работе транс­форматора. Согласно стандарту трехфазная система токов или на­пряжений считается практически симметричной, если составляющая обратной последовательности равна не более 5% составляющей пря­мой последовательности. Несимметричная нагрузка при наличии токов нулевой последовательности. Токи нулевой последовательности возникают, когда вторичная обмотка соединяется в звезду с нулевым проводом. При этом между линейным и нулевым проводом включаются одно­фазные приемники. Они могут появиться в случае однофазного ко­роткого замыкания на вторичной стороне трансформатора. Предпо­ложим, что система первичных напряжений трансформатора симметрична. В результате следует рассмотреть два случая: 1) токи нулевой последовательности возникают в обеих обмотках трансформатора, включенных по схеме Y0/Y0 и Δ/Y0; 2) токи нулевой последовательности возникают только в одной обмотке трансформатора, включенных по схеме Y/Y0. В первом случае пренебрегая намагничивающим током нулевой последовательности будем иметь: IA0=IB0=IC0=-Ia0=-Ib0=-Ic0 (2.136). Намагничивающие силы токов нулевой последовательности взаимно уравновешиваются в каждой фазе трансформатора. Сопро­тивление нулевой последовательности z0П=zK. Если это так, то для этого случая применимы схемы замещения рис. 2.50,а,в. Нулевые со­ставляющие вторичного напряжения Ua0, возникают только за счет относительно небольших падений напряжения zKIA0. Поэтому в трансформаторах с рассматриваемыми схемами соединения обмоток при несимметричной нагрузке трехфазная система напряжений иска­жается относительно слабо. Во втором случае токи нулевой последовательности Iа0 возни­кают только во вторичной обмотке. Они являются чисто намагничи­вающими, поскольку не уравновешены токами IA0 первичной обмот­ки. Эдс нулевой последовательности Е0П=-zM0Ia0 могут достигать значительных величин, что приводит к сильному искажению системы фазных эдс и напряжений. Если первичная обмотка трансформатора (Y) подключена к се­ти, линейные напряжения которой UAB, UBC, UCA симметричны, то они являются напряжениями прямой последовательности. Векторная диаграмма первичных линейных и фазных напряжений холостого хо­да трансформатора представлена на рис.2.52,а. В рассматриваемом случае фазные эдс EA1≈-UA1, EB1≈-UB1, EC1≈-UC1 также будут представлять симметричную систему прямой последовательности. Векторная диаграмма вторичных напряжений по своему виду анало­гична векторной диаграмме первичных напряжений. Пусть теперь вторичная обмотка (У0) нагружена несимметрично с содержанием токов всех последовательностей. Вторичные токи прямой и обратной последовательности уравновешиваются токами первичной обмотки и вызывают только относительно малые падения напряжения. Однако, токи нулевой последовательности вторичной обмотки не уравновешены со стороны первичной обмотки. Они ин­дуктируют в обеих обмотках эдс Е0П, которые складываются с эдс прямой последовательности. В результате полные фазные эдс будут равны: EA=EA1+E0П; EB=EB1+E0П; EC=EC1+E0П (2.137). Система первичных фазных напряжений при пренебрежении падениями напряжений определится векторами: UA≈-EA, UB≈-EB, UC≈-EC (2.138). Система первичных фаз напряжения сильно искажается (рис. 2.52,6), а нулевая точка на диаграмме смещается на величину Е0П. Она не будет совпадать с центром тяжести треугольника линейных напря­жений. Диаграмма вторичных напряжений имеет аналогичный вид. Направление векторов Е0П зависит от фазы Iа0 и определяется харак­тером нагрузки. В линейных напряжениях нулевые составляющие от­сутствуют. При соединении обмоток по схеме Y/Y0 токи нулевой по­следовательности вызывают значительные искажения фаз напряже­ний, что неприемлемо и опасно для однофазных приемников. В групповых, броневых и бронестержневых трансформаторах при схеме Y/Y0 искажения системы фазных напряжений относитель­но велики. Они возникают при незначительных по величине токах нулевой последовательности. В этом случае на каждой фазе выполня­ется третья (третичная или компенсационная) обмотка, соединенная в треугольник, которая может также использована для подключения нагрузки. Такой трансформатор называется трехобмоточным. В трехстержневых трансформаторах мощностью до 6000 кВА искажения системы фазных напряжений меньше, т.к. zM0<zM. Согласно стан­дарту ток в нулевом проводе не должен превышать 25% от номи­нального тока. Ток нулевой последовательности тогда составит 8,3 % номинального тока. Трансформаторы со схемой Y/Z0 хорошо перено­сят нагрузки с содержанием токов нулевой последовательности. Вы­звано это тем, что эти токи уравновешиваются во вторичных обмот­ках, поскольку на каждом магнитопроводе имеются две половины фаз вторичной обмотки, которые обтекаются токами нулевой после­довательности в противоположных направлениях (рис. 2.25). Трехобмоточные трансформаторы. Автотрансформаторы.Трехобмоточные трансформаторы. Трехобмоточные трансформаторы с одной первичной обмоткой 1 и двумя вторичными обмотками 2 и 3 (рис.2.53,а) используются на электрических станциях и подстанциях для питания распределительных сетей с различными номинальными напряжениями. Обмотки 2 и 3 приведены к числу витков обмотки 1, коэффици­енты приведения (трансформации) при этом равны: k12=w1/w2; k13=w1/w3 (2.139). Схема замещения трехобмоточного трансформатора представле­на на рис. 2.53,б. Характерной особенностью трансформаторов такого типа является взаимное влияние напряжений вторичных обмоток при изменении нагрузки на одной из них, т.к. при этом изменяется паде­ние напряжения первичной обмотки z1I1. Параметры схемы замеще­ния трехобмоточного трансформатора определяются расчетом или ус­танавливаются из данных трех опытов короткого замыкания, схемы проведения которых представлены на рис. 2.54. Опытные значения сопротивлений короткого замыкания равны: {zK12=z1+z2=rK12+jxK12=(r1+r2)+j(x1+x2); zK13=z1+z3=rK13+jxK13=(r1+r3)+j(x1+x3); zK23=z2+z3=rK23+jxK23=(r2+r3)+j(x2+x3)} (2.140). Параметры схемы замещения определяются по формулам: {z1=(zK12+zK13-zK23)/2; z2=(zK12+zK23-zK13)/2; z3=(zK13+zK23-zK12)/2;} (2.141). Аналогичным образом устанавливаются активные и индуктив­ные сопротивления обмоток. Из опытов короткого замыкания опре­деляются напряжения короткого замыкания uK12, uK13, uK23 (рис. 2.54), которые в от­носительных единицах равны соответствующим значениям сопротивлений короткого за­мыкания трехобмоточного трансформатора. Данные опыта короткого замыкания между обмотками 2 и 3 долж­ны быть приведены к первич­ной обмотке с коэффициентом k12=w1/w2≈U1H/U2H. Номинальной мощностью трехобмоточного трансформатора яв­ляется мощность его первичной обмотки, которая является наиболее мощной. Мощности обмоток трехобмоточного трансформатора: S1=mU1I1; S2=mU2I2; S3=mU3I3 (2.142). Если обмотка 1 является первичной, то мощности обмоток на­ходятся в соотношении S1≤S2+S3 (2.143). Стандартно трехобмоточные трансформаторы выполняются с соотношениями номинальных мощностей трех обмоток в процентах (100, 100, 100; 100, 100, 67; 100, 67, 100; 100, 67, 67). Напряжения ко­роткого замыкания определяются при токах, которые соответствуют номинальной мощности наиболее мощной обмотки. Трехфазные трехобмоточные трансформаторы выполняются с группами соедине­ний Y0/Y0/Δ-0-11; Y0/Δ/Δ-11-11; однофазные - I/I/I-0-0. На мощных электрических станциях установлены трехобмоточ­ные трансформаторы с двумя первичными обмотками и одной вто­ричной. первичные обмотки рассчитаны на одно номинальное напря­жение, к ним присоединены генераторы, а вторичная обмотка соеди­няется с линиями передачи. Трансформаторы выполняются однофаз­ными и соединяются в трансформаторную группу. Автотрансформаторы. В сетях высокого и низкого на­пряжений нередко возникает необходимость сравнительно небольшо­го изменения напряжения. Использование обычных двухобмоточных трансформаторов при этом бывает неэкономичным. Поэтому приме­няют трансформаторы, у которых первичная и вторичная обмотки имеют и электромагнитную, и электрическую связь. В автотрансфор­маторе первичная обмотка включается в сеть параллельно, а вто­ричная w2 - последовательно. Устройство обмоток и их расположе­ние на стержнях такие же, как и в обычном трансформаторе. Однако из-за наличия электрической связи между обмотками изоляция каж­дой из них относительно корпуса должна быть рассчитана на напря­жение сети высшего напряжения UBH. Способы включения обмоток автотрансформатора представлены на рис. 2.55. Автотрансформаторы бывают повышающими и понижающими. Во всех случаях справедливо выражение UBH=UHH+U2. (2.144). Коэффициент трансформации автотрансформатора ka определя­ется, если пренебречь потерями, падениями напряжения в обмотках и током намагничивания, отношением: ka=U1/U2=E1/E2/I1/I2=w1/w2 (2.145). Коэффициент трансформации обычного трансформатора k=UBH/UHH=IHH/IBH (2.146). Расчетная (внутренняя, типовая) мощность SP, передаваемая электромагнитным путем из первичной обмотки во вторичную, как и в обычном трансформаторе: SP=U1I1=U2I2 (2.147). Проходная (внешняя, номинальная) мощность SПР, передавае­мая из одной сети в другую, равна: SПР=UHHIHH=UBHIBH (2.148). Часть мощности передается из одной сети в другую непосредст­венно электрическим путем, поэтому SПР>SР. Расход материалов, габариты автотрансформаторов определяются расчетной мощностью SP. Проходная мощность SПР больше расчетной SР. Поэтому применение автотрансформаторов выгоднее, чем обычных трансформато­ров, у которых проходная и расчетная мощности равны. Для схемы рис. 2.55,а справедливо выражение: SPH/SПРН=E2I2/UBHIBH=IBH(UBH-UHH)/UBHIBH=(k-1)/k (2.149). Для схемы рис. 2.55,б зависимость (2.149) приобретает вид: SPH/SПРН=E2I2/UBHIBH=IНH(UBH-UHH)/UBHIBH=k-1 (2.150). На практике чаще применяют схему, представленную на рис.2.55,а, поскольку в схеме рис.2.55,б ток вторичной обмотки в k раз больше. Желательно, чтобы коэффициент трансформации k был близок к единице. Обычно используются автотрансформаторы с k≤2,5. Потери и напряжения короткого замыкания, если их отнести к проходной мощности и к номи­нальному напряжению сети, обычно в SP/SПР раз меньше, чем в обычных трансформаторах. При этом увеличивается кпд передачи энер­гии но, вместе с тем, увеличивают­ся токи короткого замыкания. Величина α=SP/SПР называется коэф­фициентом выгодности автотранс­форматора. В трехфазных сетях обмотки трансформатора обычно соединя­ются в звезду (рис.2.56,а). При этом для устранения третьей гармони­ки в потоках и эдс применяют дополнительную обмотку малой мощ­ности, соединенную в треугольник. При соединении обмотки в тре­угольник (рис.2.56,б) коэффициент трансформации k может меняться от 1 до 2. В то же время эта схема используется редко. В энергетиче­ских системах находят применение трехобмоточные трансформаторы, в которых обмотки высшего и среднего напряжения имеют авто­трансформаторную связь. Они соединяются в звезду. Обмотка низше­го напряжения имеет с остальными обмотками трансформаторную связь и соединяется в треугольник. По условиям безопасности при эксплуатации нельзя связывать сети низшего напряжения с сетями высшего напряжения с помощью автотрансформаторов. Автотранс­форматоры могут быть выгодно использованы для связи высоко­вольтных сетей смежных напряжений (110 и 220 кВ, 220 и 500 кВ). Трансформаторы специального назначения (печные, сварочные, выпрямительные, измерительные). Реакторы.Сварочные трансформаторы. Для электрической дуговой сварки используют трансформаторы, вторичное напряжение которых обеспечивает надежное и устойчивое горение дуги (U20=40-70 В). У таких трансформаторов режим работы прерывистый с резким перехо­дом от холостого хода к ко­роткому замыканию. Для ограничения сварочного тока в режиме короткого замыкания и устойчивого горения дуги трансформа­тор должен иметь круто па­дающую внешнюю харак­теристику. При этом сва­рочная цепь должна обла­дать значительной индук­тивностью. Чтобы осуще­ствить регулирование сварочного тока необходимо изменить значе­ние .этой индуктивности. На практике часто применяется схема (рис.2.57) сварочного трансформатора с дополнительной реактивной катушкой. Специальный механизм позволяет регулировать величину зазора δ в магнитной цепи катушки. При уменьшении δ индуктив­ность катушки возрастает. Эта схема удобна для многопостовой свар­ки, когда от одного трансформатора питается несколько постов, каж­дый через свою регулируемую реактивную катушку. Увеличение ин­дуктивного сопротивления достигается у трансформаторов, в кото­рых первичная и вторичная обмотки располагаются на различных стержнях. При этом магнитная связь между обмотками уменьшается, ток нагрузки оказывает значительное влияние на режим работы сва­рочного трансформатора в отличие от обычного. Используются маг­нитные шунты, в которых при насыщении магнитный поток вытесняется в стержень. В результате напряжение на вторичной обмотке уве­личивается. Печные трансформаторы. Дуговые электропечи являются основными приемниками электроэнергии для процессов электротер­мии и электролиза. Они работают на однофазном и трехфазном токе низкого напряжения от 110 до 420 В. Вторичный ток их понижающих трансформаторов, подключенных к высоковольтным сетям, составля­ет десятки и сотни кА. Мощность печных трансформаторов достигает 25 МВА. Вторичная их обмотка выполняется с большим числом па­раллельных цепей с одним или двумя витками. В трансформаторах дуговых электропечей требуется регулировка вторичных напряжений в широких пределах до ±50% номинального значения. Регулировка идет как с первичной, так и со вторичной стороны путем переключе­ния отдельных групп витков с параллельного на последовательное соединение. Печные трансформаторы работают в тяжелых условиях с резко меняющимися нагрузками (от холостого хода до короткого замыкания). Для ограничения тока короткого замыкания в первичную цепь включают дополнительную реактивную катушку. При концен­трических обмотках первичная обмотка, высоковольтная, размещена внутри, а вторичная, низковольтная, снаружи. Первичная обмотка со­держит ответвления в сочетании с переключением Y на А. Во вто­ричной цепи возможны переключения отдельных групп витков с па­раллельного соединения на последовательное. Механическое крепле­ние обмоток должно быть достаточно надежным, чтобы противосто­ять значительным усилиям, возникающим при работе таких транс­форматоров. Измерительные трансформаторы тока и напряжения. Из­мерительные трансформаторы применяются при напряжениях более 250 В для установок переменного тока, где требуется отделение це­пей измерительных приборов и защитных реле от сети высокого на­пряжения; для безопасного пользования приборами и упрощения изоляции их токоведущих частей; для преобразования тока или на­пряжения в значения более удобные для измерения их стандартными приборами (амперметры - до 5 А, вольтметры - до 150 В). Различают измерительные трансформаторы тока и напряжения. Первичную обмотку трансформаторов тока включают последо­вательно в измерительную цепь, а вторичную их обмотку замыкают на измерительные или релейные устройства с малым сопротивлением. В рабочем режиме магнитный поток трансформатора тока весьма мал. Состояние его магнитопровода далеко от насыщения. Если ра­зомкнуть вторичную цепь, то размагничивающее действие вторично­го тока исчезает. Поток существенно возрастает. На зажимах вторич­ной обмотки возникает опасное для жизни напряжение. Сам транс­форматор может выйти из строя из-за пробоя изоляции. В цепях на значительные токи (десятки, сотни ампер и выше) первичной обмот­кой трансформатора ток являются токопроводящие шины, на которые трансформатор надевается. При повышенных напряжениях и боль­ших токах трансформаторы тока приобретают значительные разме­ры, которые, однако, удается уменьшить по мере усовершенствова­ния конструкции. Нормальным режимом работы трансформатора то­ка является режим близкий к короткому замыканию. Трансформаторы напряжения необходимы для измерения напря­жения в высоковольтных сетях, питания цепей напряжения релейной аппаратуры, проведения наладочных операций. Измерительные при­боры и обмотки реле подключаются к вторичным обмоткам транс­форматора параллельно. Сопро­тивление нагрузки, как правило, велико и трансформатор напряже­ния работает в режиме, близком к режиму холостого хода. Выпрямительные трансформаторы. В таких транс­форматорах, включенных на вен­тильные преобразователи (выпря­мителей, инверторов) протекают высокочастотные переходные процессы, что необходимо учиты­вать при их проектировании. Из-за поочередной работы полупровод­никовых приборов трансформатор загружен несимметрично. В ре­зультате требуется выбрать такую схему соединения обмоток, которая обеспечивала бы нормальные условия намагничивания магнитопровода трансформатора. Токи вторичных обмоток из-за попеременной работы вентилей содержат высшие гармоники. Они не уравновешиваются токами первичных обмоток. Выпрямленное напряжение и ток получаются пульсирую­щими. Для снижения амплитуды пульсаций увеличивают число фаз вторичной обмотки трансформатора. В шестифазных выпрямитель­ных схемах включают уравнительную катушку (УК) между нейтра­лями двух трехфазных групп обмоток (рис 2.58). Реакторы. Реакторы по своему устройству аналогичны транс­форматорам. Их применяют в качестве токоограничивающих реактивных со­противлений, регулируемых приемни­ков реактивной мощности, фильтров токов высших гармоник. Реакторы имеют только одну обмотку, мощность которой сильно зависит от магнитной проницаемости железа μFe~1/I. Работа реакторов аналогична работе транс­форматоров на холостом ходу. Практи­ческое применение получили реакторы, имеющие в цепи немагнитные зазоры 5 (рис. 2.59), заполненные изоляционным материалом (прессованный картон, гетинакс и т.п.). Зазоров выполняется несколько для увеличе­ния устойчивости реактора к действию токов короткого замыкания. Характеристики реактора становятся линейными, так как магнитное сопротивление магнитопровода в основном определяется материалом зазоров. Реакторы выполняются однофазными и трехфазными, изго­тавливаются с переменным реактивным сопротивлением (изменение числа витков, размеров воздушных зазоров, применение подмагничивания магнитопровода), имеют естественное масляное или воздушное охлаждение. Для ограничения токов короткого замыкания в сетях до 10 кВ применяются бетонные реакторы, изготовленные из концентри­чески расположенных витков круглого многожильного провода, кото­рый заливается в бетонные колонны. Обмотки рассчитаны на токи в тысячи ампер и значительные механические усилия. Металлические детали реакторов выполняются из немагнитной стали. Обслуживание реакторов аналогично обслуживанию трансформаторов. Испытания, эксплуатация и ремонт силовых трансформаторов.Государственные стандарты указывают технические требования к показателям качества трансформаторов и программы испытаний для определения этих показателей. Качество трансформатора - сово­купность его свойств, которые обусловливают пригодность удовле­творять определенные потребности в соответствии с назначением. Показатели качества - количественная характеристика свойств транс­форматора, входящих в состав качества. Испытания проводятся на предприятиях электротехнической промышленности, электроремонт­ных цехах, мастерских предприятий. Они подразделяются в зависи­мости от целей на следующие виды: 1) приемочные испытания проводятся на опытном образце трансформатора с целью приемки его для серийного производства и имеют наиболее подробную программу; 2) приемо-сдаточным испытаниям подвергают каждый транс­форматор по более короткой программе с целью выявления их при­годности к эксплуатации за минимально возможное время; 3) периодические испытания проводят в определенные сроки, оговоренные стандартами или техническими условиями, с целью убедиться в том, что в процессе производства качество трансформа­торов существенно не изменилось по сравнению с программами приемочных испытаний; 4) типовые испытания проводятся при изменении конструкции, материалов или технологии, которые могут оказать влияние на харак­теристики трансформаторов. Приведенные виды испытаний относятся к промышленным ис­пытаниям. Они включают в следующие операции: 1) проверка коэффициента трансформации и группы соединения обмоток; 2) определение сопротивления обмоток постоянному току; 3) проверка тока и потерь холостого хода, потерь и напряжения короткого замыкания на основных ответвлениях обмоток; 4) определение параметров изоляции; 5) измерение сопротивлений нулевой последовательности; 6) испытания на нагревание; 7) стойкость к коротким замыканиям, на плотность бака, уровень звука; 8) определение влагосодержания и содержания механических примесей для масла из бака трансформатора; 9) испытание устройств РПН в сборе с трансформатором. В программу приемо-сдаточных испытаний входят, как правило, первые четыре пункта. При испытаниях определяют пробивное на­пряжение масла. Для трансформаторов мощностью до 6,3 МВА класса напряжения 35 кВ допускается брать пробы масла не реже одного раза в день из емкости, служащей для заливки масла в трансформатор. Перед включением трансформатора в сеть из резерва или после ремонта производится осмотр как самого трансформатора, так и включаемого с ним оборудования (переключающих устройств, эле­ментов цепи заземления, токопроводов, устройств защиты и др.). Включение трансформатора в сеть осуществляется толчком на пол­ное напряжение со стороны питания. Для сетевых трансформаторов эта операция выполняется со стороны обмотки высшего напряжения. Релейная защита не должна отключать трансформатор от сети при броске тока намагничивания, что достигается соответствующей на­стройкой. При включении трансформатора в работу не исключено появле­ние на нем сразу номинальной нагрузки. Включение на номинальную нагрузку разрешается при любой отрицательной температуре воздуха трансформаторов с системами охлаждения М и Д и не ниже -25 С трансформаторов с системами охлаждения ДЦ и Ц. Если температура воздуха и масла в трансформаторе окажутся ниже указанной, ее под­нимают включением трансформатора на холостой ход или под на­грузку не более 50% номинальной. В аварийных ситуациях этих ог­раничений не придерживаются, что отражается на износе изоляции обмоток. Циркуляционные насосы и вентиляторы систем охлаждения во избежание их повреждения включают в холодное время года при определенных температурах окружающего воздуха. Трансформаторы в реальных условиях работают с переменной нагрузкой, причем боль­шую часть суток их нагрузка меньше номинальной. В процессе экс­плуатации возникают перегрузки, значение и продолжительность ко­торых определяется стандартом. Перегрузка трансформатора при этом не должна превышать 50% его номинальной мощности. Превышения напряжения на трансформаторах сверх номиналь­ного допускаются в сравнительно небольших пределах: 1) длительно на 5% при нагрузке не выше номинальной; 2)длительно на 10% при нагрузке не выше 25% номинальной; 3) длительно до 10% для станционных трансформаторов в блоке с генератором, автотрансформаторов без ответвлений со стороны ней­трали и регулировочных трансформаторов при нагрузке не выше но­минальной. Превышение указанных напряжений приводит к перенасыще­нию магнитопровода, увеличению тока и потерь холостого хода, что является причиной местных нагревов стальных конструкций магни­топровода. Контроль за тепловым режимом трансформаторов ведут путем периодического измерения температуры верхних слоев масла термометрами. Защита трансформаторов от атмосферных и коммута­ционных перенапряжений выполняется вентильными разрядниками или путем применения конструктивных решений в самих трансфор­маторах (экранные кольца на обмотках). Трансформаторы периодически осматривают без отключения. Целью периодических осмотров является проверка условий работы трансформатора с выявлением неполадок, которые при развитии мо­гут привести к аварийным повреждениям. Придерживаются следую­щих сроков: 1) главные трансформаторы и трансформаторы собственных нужд станций и подстанций с постоянным дежурным персоналом ос­матривают 1 раз в сутки; 2) трансформаторы подстанций гидростанций без постоянного дежурного персонала осматривают 1 раз в месяц. Осмотры проводятся также при действии сигнализации о нару­шении режима работы трансформаторов или систем их охлаждения, а также в случае срабатывания устройств релейной защиты или авто­матики. При стихийных бедствиях трансформаторы должны осмат­риваться немедленно. Отключение трансформатора от сети, как пра­вило, производят выключателями сначала со стороны нагрузки, а за­тем со стороны питания. На подстанциях с упрощенной схемой, без выключателей со стороны сети, отключение трансформатора со сто­роны нагрузки производят выключателями, а со стороны сети - отде­лителями. Важным условием долговременной эксплуатации трансформа­торов является качество трансформаторных масел. На станциях и подстанциях находят применение масла различных марок, выпускае­мые по стандартам и техническим условиям. Каждая марка масла предназначена для заливки в оборудование определенных классов напряжения из-за различия в своих диэлектрических свойствах. В эксплуатации принято делить масло на свежее, регенерированное, чистое, сухое, эксплуатационное и отработанное. Масло подвергают проверке на электрическую прочность, проводят его анализ, при не­обходимости очищают и сушат. Устранение неполадок и предупреждение аварий требует перио­дического вывода трансформаторов в текущий и капитальный ремон­ты. Текущий ремонт представляет комплекс работ, проводимых меж­ду двумя очередными капитальными ремонтами. Текущий ремонт проводится без вскрытия трансформатора, ею требует кратковремен­ного вывода его из работы со снятием напряжения. При этом прово­дится наружный осмотр, чистка, устранение выявленных поврежде­ний, измерение сопротивления изоляции обмоток мегаомметром на напряжение 2500 В. Текущие ремонты главных трансформаторов станций и подстанций, основных и резервных трансформаторов соб­ственных нужд выполняются не реже 1 раза в год, если указанные трансформаторы снабжены устройствами РПН, а при отсутствии та­ких устройств - не реже 1 раза в 2 года. Капитальный ремонт производится по окончании срока межре­монтного периода, устанавливаемого для трансформатора. Осущест­вляется вскрытие трансформатора, тщательная проверка и ремонт всех его узлов и испытания. В условиях эксплуатации капитальный ремонт крупных трансформаторов выполняется на месте установки с применением специальных конструкций, на ремонтных площадках машинных залов электростанций, имеющих подъездные пути от мест установки трансформаторов. Трансформаторы небольшой мощности ремонтируют в мастерских электрических цехов электростанций и подстанций. Помещения для ремонта, а также временно сооружаемые укрытия должны надежно защищать трансформатор от попадания пыли и атмосферных осадков. Капитальный ремонт главных транс­форматоров электростанций и подстанций, основных трансформато­ров собственных нужд проводят первый раз не позже чем через 8 лет после включения в эксплуатацию, а в дальнейшем - по мере необходимости в зависимости от состояния трансформатора. Приемка из ремонта отдельных отремонтированных узлов трансформатора начи­нается до окончания всего комплекса ремонтных работ. Временем окончания ремонта считается момент включения трансформатора в сеть, а окончательная оценка качества ремонта дается после 30 дне л его работы под нагрузкой.

Общие сведения о машинах переменного тока. Конструктивные особенности, классификация, области применения.

Принцип действия асинхронного двигателя.Принцип действия рассмотрен на примере элементарного асин­хронного двигателя (рис. 4.3). При неподвижном роторе магнитное поле, представленное в виде постоянного магнита, вращается в зазоре с частотой п₁. Оно пересекает провод­ники короткозамкнутого витка на ро­торе и индуцирует в них эдс е₂. На­правление действия эдс в данный мо­мент времени определяется по правилу правой руки. Под действием е₂ возни­кает ток i₂, имеющий такое же направ­ление, что и вызвавшая его эдс. Взаи­модействие тока i₂ с магнитным полем статора приводит к образованию силы F_A. Направление действия F_A опреде­ляется по правилу левой руки. Сила F_A образует электромагнитный момент М, под действием которого ротор начинает вращаться с частотой n₂. Направления вращения магнитного поля статора и ротора совпадают. Эдс и ток ротора, электромагнит­ный момент при неподвижном роторе имеют максимальное значение. При увеличении n₂ эти параметры уменьшаются, т.к. магнитное поле пересекает проводники ротора с уменьшающейся частотой. При ус­ловии n₂=n₁ асинхронный двигатель устойчиво работать не может, поскольку эдс в обмотке ротора перестает индуцироваться, исчезает ток и момент, снижается частота вращения ротора. При условии n₂<n₁, в роторе появляются эдс и ток, возникает момент. Он направ­лен на преодоление сил трения или иных воздействий, приложенных к валу. Следовательно, асинхронный двигатель работает с частотой вращения, которая определяется нагрузкой на его валу. Условие n₂<n₁ представляет собой основное отличие, асинхронных машин от синхронных машин, для которых n₂=n₁. Направление вращения маг­нитного поля статора а, значит, и направление вращения ротора зави­сит от порядка чередования фаз подводимого к обмотке статора на­пряжения. Величина, отражающая условие п₂≠п₁, называется скольжением s=(n₁-n₂)/n₁ (4.4). Из (4.4) частота вращения ротора n₂ определяется как: n₂=n₁(1-s) (4.5). Номинальное скольжение s_H соответствует номинальной часто­те вращения двигателя п_2н. Частота эдс и тока в обмотке ротора при его вращении пропорциональна частоте вращения магнитного поля статора относительно ротора n_S=п₁-п₂: f₂=p(n₁-n₂)/60=f₁s (4.6). Частота вращения магнитодвижущей силы статора относительно ротора равна n₂=60f₂/p=n₁s (4.7). Частота вращения магнитодвижущей силы ротора относительно статора больше n_s на величину п₂, т.е. n_s+n₂=n₁s+n₁(1-s)=n₁ (4.8). Из (4.8) следует, что действующие в асинхронном двигателе магнитодвижущие силы статора и ротора вращаются в пространстве с синхронной частотой вращения и, независимо от частоты вращения ротора n₂. Эти магнитодвижущие силы образуют результирующее магнитное поле в зазоре машины.

Конструкция асинхронной машины.Асинхронные машины по своему устройству делятся на два ти­па, которые отличаются конструктивным исполнением ротора - ма­шины с короткозамкнутым ротором (рис.4.4) и машины с фазным ро­тором (рис.4.5). По конструкции статоров машины обоих типов ана­логичны друг другу. Статор асинхронной машины состоит из корпуса, сердечника и обмотки. Корпус изготавливают стальным, чугунным, алюминиевым, пластмассовым. Снаружи располагают коробку, в которую помещают концы обмоток статора для соединения между собой и подключения к сети. Сердечник набирают из покрытых лаком листов электротех­нической стали толщиной 0,35-0,5 мм. На внутренней поверхности сердечника выполнены пазы, в которые уложена трехфазная обмотка. Обмотка выполнена выполняется по шаблонам изолированным мед­ным или алюминиевым проводом. Она укладывается в пазах таким образом, чтобы пространственный сдвиг между каждой фазой со­ставлял 120º_эл для создания кругового поля асинхронной машины. Обмотка каждой фазы содержит несколько катушек, которые могут соединяться последовательно или параллельно. В зависимости от числа катушек на одну фазу, способа их соединения получают обмот­ки с различным числом пар полюсов р. Фазы могут быть соединены по схемам «звезда» или «треугольник». Фазное напряжение обмотки статора должно оставаться постоянным. Это условие отображается указанием соответствующего обозначения в паспорте машины или на ее табличке (Y/Д: 380/220; 660/380 и т.д.). Части витков, расположен­ные в пазах, называют активными сторонами, поскольку в них индук­тируются эдс. Части витков, соединяющие активные стороны и рас­положенные на торцевых частях статора или ротора, называют лобовыми соединениями. Ротор асинхронной машины состоит из вала, сердечника и об­мотки. Вал изготовлен из стали и закреплен в подшипниковых щитах. На валу закреплен сердечник, на внешней стороне которого выполне­ны скошенные пазы для обмотки. Сердечники статора и ротора обра­зуют магнитную систему машины. У короткозамкнутых машин обмотка ротора выполнена из алюминия в виде «беличьей клетки». Об­мотка ротора в этом случае выполняется путем запивки пазов рас­плавленным алюминием. Одновременно отливают замыкающие кольца вместе с лопат­ками для вентиляции. Обмотка фазного рото­ра имеет конструкцию по аналогии с обмот­кой статора. Она со­держит то же число пар полюсов р. Приме­нение скошенных па­зов ведет к более рав­номерному распреде­лению магнитного по­ля в зазоре вдоль ак­тивных проводников и снижению шума ма­шины. Концы обмоток фазного ротора соеди­нены в общую точку. Начала обмоток выведены на контактные кольца, расположенные на валу. Контактные кольца выполняются преимущественно из латуни. Они изолированы друг от друга и от вала. К кольцам прижаты щетки, которые посредством отводов от них, можно замыкать накоротко. В цепь ротора можно включать активные, индуктивные, емкостные со­противления, а также источники эдс. Такие меры позволяют увели­чить пусковой момент, понизить пусковые токи, обеспечить плав­ность пуска двигателя.

Вращающееся поле асинхронной машины (двигательный режим).В трехфазных асинхронных машинах обеспечение их заданных свойств зависит от характера магнитного поля. При двигательном режиме работы включение статорной обмотки в сеть, например, по схеме «звезда», приводит к появлению в фазных обмотках токов, описываемых выражениями: {i_A=I_Amsinωt; i_B=I_Bmsin(ωt-120º_эл); i_C=I_Cmsin(ωt+120º_эл)} (4.1). Электрические градусы связаны с геометрическими градусами: α_эл=pα_геом (4.2), где р - число пар полюсов, количество которых зависит от способа включения обмоток каждой фазы. Токи каждой фазы создают пульсирующие магнитодвижущие силы, совокупное действие которых приводит к созданию результи­рующей магнитодвижущей силы. Ее вектор вращается относительно статора. Система токов в простейшей трехфазной двухполюсной об­мотке статора асинхронного двигателя показана на рис. 4.1. Следует определить направление токов всех фазных обмоток в обозначенных точках. При условии i>0 ток протекает от начала об­мотки к ее концу. Если i<0, то ток протекает в обмотке от ее конца к началу. Принцип получения вращающегося (кругового) магнитного поля показан на рис. 4.2. Вектор магнитодвижущей силы обмотки статора при переходе от одного указанного момента времени к дру­гому поворачивается на 60º_эл. и совершает полный оборот за период. Частота его вращения (об/мин) равна n₁=60f₁/p (4.3), где f₁ — частота тока в обмотке статора, Гц. При повреждениях фазных обмоток (обрыв, ненадежный кон­такт) поле в зазоре перестает быть круговым. В этих случаях оно имеет эллиптический или пульсирующий характер. Нормальные ус­ловия работы асинхронного двигателя нарушаются. Это ведет к ухудшению качества работы приводимых агрегатов и сокращает срок службы самого двигателя.

Режимы работы асинхронной машины. Диапазоны изменения частоты вращения частоты вращения ротора и скольжения. Работа асинхронной машины с заторможенным ротором (режимы холостого хода и короткого замыкания). Операция приведения в асинхронных машинах.Асинхронные машины испытывают в режимах холостого хода для опытного определения тока и потерь холостого хода. Обмотка статора подключается к источнику синусоидального напряжения U₁ от автотрансформатора или индукционного регулятора напряжения, что позволяет менять его в широких пределах. Вал машины должен быть свободным от механической нагрузки. При разомкнутой обмот­ке ротора под действием напряжения U₁, в обмотке статора протекает ток холостого хода I₀. Он создает магнитный поток Ф₁, являющийся совокупностью потоков рассеивания Ф_1S и полезного потока Ф_1т. По­ток Ф_1S индуктирует эдс рассеивания -jI₀x₁, а поток Ф_1т наводит в обмотках статора и ротора эдс E₁ и Е₂. Данные процессы позволяют составить систему уравнений: {U₁=-E₁+jI₀x₁+r₁I₀=-E₁+zI₀; z₁=r₁+jx₁; E₂=U₂} (4.9). Для трехфазной асинхронной машины с фазным ротором коэф­фициент трансформации эдс k_e определяется как среднеарифметиче­ское значение. Оно получено от отношений измеренных фазных на­пряжений статорной обмотки к фазным эдс роторной обмотки, т.е.: k_eA=U_AX/E_ax; k_eB=U_BY/E_by; k_eC=U_CZ/E_cz (4.10). k_e=(k_eA+k_eB+k_eC)/3 (4.11). Для низковольтных машин (до 660В включительно) величину k_e устанавливают при номинальном напряжении питания, а машин на большее напряжение допустимо выявление k_е при пониженном на­пряжении. Величины тока и потерь холостого хода определяются по соот­ветствующим характеристикам при номинальном напряжении U_1H. Обмотка фазного ротора замыкается накоротко. В обмотку статора включаются приборы по схеме, аналогичной схеме рис. 2.2 первич­ной обмотки трансформатора. Величину напряжения U₁ меняют в диапазоне 0,4-1,15 U_1H, фиксируя показания приборов в 6-8 точ­ках. Вычисляются средние значения напряжений и токов по форму­лам: U_Лср=(U_AB+U_BC+U_CA)/3 (4.12). I_Лср=(I_A+I_B+I_C) (4.13). В зависимости от схемы соединения обмотки определяют фаз­ные значения напряжения U_1ф и тока I_1ф. При соединении обмотки статора в звезду: U_1ф=U₀=U_Лср/√3; I_1ф=I₀=I_Лср (4.14). Когда обмотки статора соединены в треугольник, то: U_1ф=U₀=U_Лср; I_1ф=I₀=I_Лср/√3 (4.15). Мощность, потребляемая машиной в режиме холостого хода Р₀, устанавливается по показаниям ваттметров, включенных согласно схеме, аналогичной схеме рис. 2.2: P₀=|P₀’+P₀’’|=3I₀²r₁+Δp_c1+Δp_мех (4.16), где r₁ - активное сопротивление фазы обмотки статора при нагретой машине сразу после ее отключения от сети, Ом; 3I₀²r₁ - электрические потери в обмотке статора, Вт; Δр_с] - магнитные потери в сердечнике статора, Вт; Δр_мех - механические потери, Вт. Выражение (4.16) можно представить в виде Δp_c1+Δp_мех=ΔP=P₀-3I₀²r₁ (4.17). Коэффициент мощности cosφ₀ для режима холостого хода: cosφ₀=P₀/3U₀I₀ (4.18). По характеристикам, показанным на рис. 4.6, при условии U₀=U_1Hнаходят ток I_0H, потери Р_0H и ΔР_Н,а также коэффициент мощно­сти cosφ_0H. Последователь­ность поиска указанных ве­личин пояснена пунктирны­ми линиями со стрелками. Потери и ток холостого хо­да, полученные в результате испытаний, должны соот­ветствовать паспортным данным завода-изготовителя или находится в пределах допустимых отклонений от них. Если график ΔP=f(U₀) продолжить до пересечения с осью ординат (U₁=0), то получим вели­чину потерь Δp_мех, которые считаются неизменными. Магнитные потери Δр_с1 находятся из (4.17) с учетом установленного значения Δр_мех. В асинхронных машинах доля тока холостого хода I₀ значи­тельно больше, чем у трансформаторов. Это объясняется наличием воздушного зазора между статором и ротором. В результате возраста­ет сопротивление магнитной цепи, а для создания заданного потока машины требуется больший ток I₀. Величина воздушного зазора раз­лична. Она зависит от мощности машины, а также от режима ее рабо­ты. Ток холостого хода тем больше, чем больше величина воздушно­го зазора. Двигатели электроприводов продолжительного режима ра­боты (вентиляторы, компрессоры и т.п.) имеют ток холостого хода, составляющий 20-30% номинального значения, а двигатели меха­низмов с частыми пусками и торможениями (крановые электропри­воды и т.п.) - до 40-75% номинального значения. Лобовые части обмоток характеризуются повышенными значениями величин сопротивлений r₁ и х₁. Поэтому при холостом ходе падение напряжения на них у асинхронной машины достигает 5% от номинального значения напряжения (для трансформатора примерно 0,5%). Потребляемая на холостом ходу мощность расходуется в ос­новном на покрытие потерь в стали статора и ротора. В то же время следует учитывать и потери в обмотках машины. Для трехфазной асинхронной машины при расчете значений со­противлений z₀, r₀ и x₀ необходимо принимать во внимание схему соединения статорной обмотки. В случае соединения в звезду: z₀=U_Лср/√(3)∙I_Лср; r₀=P₀/3I_Лср²; x₀=√(z₀²-r₀²) (4.19). При соединении обмотки статора в треугольник: z₀=√(3)∙U_Лср/I_Лср; r₀=P₀/I_Лср²; x₀=√(z₀²-r₀²) (4.20). Векторная диаграмма и схема замещения асинхронной машины на холостом ходу при разомкнутой обмотке ротора аналогичны век­торным диаграммам и схемам замещения трансформатора. Операция приведения выполняется с целью построения схем за­мещения реальных асинхронных машин, в которых электромагнитные связи между обмотками статора и ротора заменяются электрически­ми. Будем рассматривать вместо реальной машины приведенную, статорные и роторные обмотки которой имеют одинаковое число витков. Обмотка ротора приводится к обмотке статора, т.е. реальная роторная обмотка с числом витков w₂ пересчитывают в эквивалентную ей об­мотку с числом витков w₁ т.е. w₂=w₂’-w₁. Число витков роторной обмотки изменяется в k_е раз. Операция приведения не должна сказы­ваться на режиме работы статорной цепи, т.е. в приведенной асин­хронной машине остаются те же потоки, мощности, потери. Исходя из указанных особенностей при условии U₁≈E₁, можно записать сле­дующие зависимости. Коэффициент трансформации эдс k_e=E₁/E₂=4,44f₁w₁k_об1Ф_m/4,44f₂w₂k_об2Ф_m=w₁k_об1/w₂k_об2 (4.20), где k_об1, k_об2 - обмоточные коэффициенты, учитывающие распределе­ние обмоток по пазам статора и ротора, w₁, w₂ — число последова­тельно соединенных витков в фазных обмотках статора и ротора. Е₂’=Е₁=k_еЕ₂ (4.21). Электромагнитная мощность машины и ток роторной обмотки определяется выражениями: m₂E₂I₂cosψ₂=m₂E₂’I₂’cosψ₂’; cosψ₂=cosψ₂’; (4.22); I₂’=I₂m₂/m₁k_e=I₂m₂w₂k₂/m₁w₁kоб₁=I₂/k_i; (4.23); k_i=m₁w₁kоб₁/m₂w₂kоб₂=k_e (4.24), где (ψ₂ - угол фазового сдвига между эдс и током роторной обмотки, k_i - коэффициент трансформации токов, m₁, т₂ - число фаз обмоток. Приведенная обмотка имеет в k_е раз больше витков, поэтому из условия равенства потерь в реальной и приведенной обмотках, ее ак­тивное и реактивное сопротивления в k_е² раз больше, чем реальной обмотки: r₂’=m₂/m₁·m₁w₁k_об1/m₂w₂k_об2·m₁w₁k_об1/m₂w₂k_об2·r₂=k_ek_ir₂=k_e²r₂ (4.25); x₂’=m₂/m₁·m₁w₁k_об1/m₂w₂k_об2·m₁w₁k_об1/m₂w₂k_об2·x₂=k_ek_ix₂=k_e²x₂ (4.26). Значение угла фазового сдвига ψ₂ между эдс и током вторичной обмотки определяется выражением: ψ₂=ψ₂’=arctg(x₂/r₂)=arctg(x₂’/r₂’) (4.27). Приведенные значения могут быть использованы для исследо­вания режимов работы асинхронных машин. Опыт короткого замыкания асинхронной машины проводится по той же схеме, что и опыт холостого хода, но при этом обмотка фазно­го ротора замкнута накоротко, а ротор должен быть застопорен. По­ложение ротора должно соответствовать среднему току короткого замыкания, которое выставляется при подведении пониженного на­пряжения питания. При выполнении опыта короткого замыкания для учебных целей принято ограничивать ток значением 1,5-2,5I_1Н. Дан­ный опыт позволяет определить напряжение, потери короткого замы­кания, пусковой момент и его кратность. Результатом испытаний трехфазной асинхронной машины явля­ется построение характеристик короткого замыкания. Опыт короткого замыкания проводят для ряда значений подводимого напряжения U_к, которое регулируют таким образом, чтобы ток в обмотках изменялся в пределах (0,5-1,2)I_H. Электроизмерительными приборами контро­лируют между фазами величину питающего напряжения, ток по фа­зам, а также потребляемую мощность. Для построения характеристик величины U_к и I_к определяются как средние арифметические по результатам измерения, выполненных в соответствии со схемой рис. 2.7 для каждого значения подводимого напряжения. U_К=U_КЛ=(U_AB+U_BC+U_CA)/3; (4.28); I_К=I_КЛ=(I_A+I_B+I_C) (4.29). Мощность, потребляемая в режиме короткого замыкания Р_к, установленная согласно схеме, аналогичной испытанию трехфазного трансформатора определяется по показаниям ваттметров: Р_К=|Р'_К+P_К’’| (4.30). По характеристикам, аналогичным рис. 2.8, при условии I_К=I_1Н находят напряжение U_KH, потери Р_KH, коэффициент мощности cosφ_КН короткого замыкания. Последовательность поиска указанных величин пояснена пунктирными линиями со стрелками. Полученные в результате испытаний потери и напряжение короткого замыкания должны соответствовать паспортным данным завода-изготовителя или находится в пределах допустимых отклонений от них. Величина напряжения короткого замыкания определяется в процентах u_KH%. Она должна составлять 15-25% от номинального значения напряже­ния U_1H, причем, чем машина мощнее, тем эта доля меньше. Обмотку статора машины обычно соединяют звездой. Значения ее сопротивлений z_K, r_к и х_к определяются выражениями: z_K=U_КЛ/√(3)I_КЛ; r_К=P_К/3I_КЛ²; x_K=√(z_К²-r_К²) (4.31), где х_К=х₁+х₂’; r_K=r₁+r₂’. Коэффициент мощности cosφ_K: cosφ_K=P_K/√(3)U_КЛI_КЛ (4.32). При определении параметров машины, так же как и у трансфор­матора, требуется измерить температуру окружающей среды θ₁ и считать ее равной температуре обмоток при опыте короткого замыка­ния. Величины z_K, r_K, Р_кн, cosφ_КН и и_KH% приводятся к расчетной рабочей температуре 75°С, которая отражает эксплуатационный ре­жим работы машины. Приведенные величины r_К75 и Р_КH75 получают­ся умножением r_K и Р_KH75 на температурный коэффициент k_θ. Величина коэффициента k_θ для меди составляет 310/(235+θ₁). Расчеты выполняются согласно выражениям (2.43) - (2.45) и (2.50) - (2.58). Вся по­требляемая машиной мощность расходуется на покрытие потерь в обмотках: P_K=m₁I₁²r₁+m₂I₂²r₂=m₁I₁²r₁+m₁(I₂’)²r₂’=m₁I₁²r_K (4.33). Ток и мощность короткого замыкания пересчитывают на номи­нальное напряжение U_1H по формулам, не учитывающим насыщение: I_K’=I_П≈I_1НU_1H/U_KH (4.34); P_K’≈P_KH·(U_1H/U_KH)² (4.35). Кратность пускового тока выражается отношением I_П/I_1H. Электромагнитная мощность в режиме короткого замыкания, передаваемая через воздушный зазор машины, равна электрическим потерям в об­мотке ротора Δр_об2К. Электромагнитный момент при опыте короткого замыкания определяется выражением: M_K≈M_П=Δp_об2К/ω₁=(P_KH-M₁I_2KHr₁-Δp_cK)/ω₁ (4.36). Магнитные потери Δр_сК в магнитопроводах статора и ротора приближенно определяются по характеристикам холостого хода, ис­пользуя рис. 4.6 для напряжения U₁=U_K. Начальный пусковой момент получают пересчетом момента М_K на начальный пусковой ток I_П: M_П≈M_К(I_П/I_К)² (4.37). Кратность пускового момента равна M_П/M_Н. Величины сопротивлений короткого замыкания z_K, r_K и х_K ис­пользуют для расчетов в схемах замещения, построении круговых диаграмм, аналитического расчета различных характеристик асинхронных машин.

Асинронная машина при вращающемся роторе. Основные уравнения. Схемы замещения. Векторная диаграмма.Полезный результирующий магнитный поток в воздушном зазо­ре машины Ф_т образуется в результате взаимодействия полезных магнитных потоков статора Ф_1m и ротора Ф_2т. Используя Ф_т можно определить эдс фазной обмотки статора: E₁=4,44f₁w₁k_об1Ф_m (4.38). Эдс фазной обмотки ротора, вращающегося со скольжением s: E₂=4,44f₂w₂k_об2Ф_m=4,44f₁sw₂k_об2Ф_m=E₂s (4.39). Асинхронные машины преимущественно используются как дви­гатели, поэтому, прежде всего, представляет интерес их работа в этом режиме. Уравнения, характеризующие эдс трехфазного асинхронного двигателя для цепей статора и ротора: U₁=-E₁+jI₁x₁+I₁r₁; (4.40); 0=E₂’-jI₂’x₂’-I₂’R₂’/s (4.41), где R₂’=r₂’+r_до6’ - приведенное значение полного активного сопротив­ления роторной цепи. Уравнение (4.41) представим в виде: E₂’=I₂’R₂’/s+jI₂’x₂’=I₂’(R₂’/s+jx₂’)=I₂’z₂’ (4.42). Значения величин Е₂ и х₂ являются паспортными данными дви­гателя. Они приводятся в справочной для неподвижного ротора (s=1). Уравнение токов для схемы замещения по аналогии с транс­форматором имеет вид: I₁=I₀-I₂’. Уравнения (4.40) - (4.43) позволяют построить Т-образную схе­му замещения асинхронного двигателя, а после несложных преобра­зований получить Г-образную схему замещения, которые представ­лены на рис. 4.7. Схемы замещения применяются для облегчения расчетов машины, исследования протекающих в ней электромагнитных процессов, анализа работы машины в системе электроснабжения. Г-образная схема замещения позволяет получить выражение приведен­ного тока в цепи ротора асинхронного двигателя: I₂’=U₁/(√((r₁+R₂’/s)²+x_K²) (4.44), где x_K=x₁+х₂’ - индуктивное сопротивление короткого замыкания. В схемах замещения ве­личины r_т и х_т являются па­раметрами цепи намагничива­ния асинхронной машины. Параметры холостого хода r₀=r₁+r_m и х₀=х_]+х_т. Со­противления r₁ и х₁ значи­тельно меньше соответственно r_т и х_т. Поэтому с большой точностью можно считать, что параметры холостого хода равны параметрам намагничи­вающей цепи, т.е r₀≈r_m и x₀≈x_m. Векторная диаграмма асинхронного двигателя пока­зана на рис. 4.8.

Энергетическая диаграмма асинхронного двигателя. Способы улучшения энергетических показателей асинхронного двигателя.Преобразование энергии в асинхронном двигателе, как и в дру­гих электрических машинах, связано с потерями энергии. Потери де­лятся на механические, магнитные, электрические и добавочные. Первые два вида потерь относятся к постоянным потерям, вторые два вида потерь - к переменным. Преобразование активной мощности асинхронного двигателя представлено на энергетической диаграмме (рис. 4.9). Мощность Р₁ подводится из сети, за вычетом потерь в магнитопроводе Δр_с1 и обмотке ста­тора Δp_o61 преобразуется в электро­магнитную мощность Р_ЭМ, которая передается через воздушный зазор машины в ротор. В нормальном ре­жиме работы асинхронного двигате­ля потери в магнитопроводе ротора пропорциональны частоте f₂. Этими потерями можно пренебречь, т.к. f₂<<f₁. Электромагнитная мощ­ность Р_ЭМ, благодаря которой возни­кает электромагнитный момент дви­гателя М, за вычетом потерь в об­мотке ротора Δр_об2, преобразуется в полную механическую мощность Р₂’. На преодоление сил трения, которые составляют механические потери Δр_мех, затрачивается часть электро­магнитного момента, развиваемого на роторе двигателя. Этот момент называется моментом холостого хода М₀. Добавочные потери Δр_дд6H, составляющие от 0,5 до 1 % подводимой к двигателю мощности Р₁ в номинальном режиме работы, включают потери от пульсаций маг­нитного поля, высших гармонических составляющих, насыщения, поверхностного эффекта и т.п. Потери Δр_доб зависят от нагрузки дви­гателя β: Δp_доб=β²Δp_добН (4.45). Мощность Р₂ - полезная мощность или мощность на валу двига­теля. Она характеризуется одноименным моментом М₂: М₂ =M-M₀ (4.46). Коэффициент полезного действия асинхронного двигателя: η=1-Δp_Σ/P₁=1-(Δpc₁+Δp_об1+Δp_об2+Δp_мех+Δp_доб)/P₁ (4.47). Кпд асинхронных двигателей средней и большой мощности со­ставляет 0,85-0,92. Большие значения кпд относятся к двигателям бо­лее высоких номинальных мощностей. Электроприводы на базе асинхронных двигателей являются од­ними из основных приемников электрической энергии. При эксплуа­тации часто возникает необходимость оптимизации потребления ими реактивной мощности. Большинство асинхронных двигателей на ме­ханизмах общепромышленного назначения работают недогруженны­ми или вхолостую. Такой режим работы является неэкономичным, т.к. он прежде всего вызывает неоправданные затраты электроэнер­гии. Для оптимизации работы двигателей в течение технологического процесса и улучшения их энергетических показателей принимаются следующие меры: 1) мощность двигателя выбирают в соответствии с нагрузкой на его валу, т.к. недогруженный двигатель работает с низким кпд; 2) включение параллельно двигателю батарей конденсаторов, ко­торые своей емкостью компенсируют сдвиг фаз, обусловленный ин­дуктивностью двигателя (поперечная компенсация); 3) переключение обмотки статора с треугольника на звезду; 4) ограничение работы двигателей на холостом ходу; 5) применение вентильных преобразователей напряжения и часто­ты для питания недогруженных двигателей. Следует добавить, что перегрузка двигателя, как и его недогруз­ка приводят к снижению кпд. Замена двигателя считается целесооб­разной, если средняя его нагрузка составляет менее 45% номинальной мощности. При нагрузке двигателя более 70% поминальной мощно­сти замена в общем случае не целесообразна, а при нагрузке 45-70% целесообразность их замены должна быть подтверждена достаточ­ным уменьшением потерь энергии. Применение батарей конденсато­ров обеспечивает асинхронные двигатели реактивной мощностью, необходимой для создания вращающегося магнитного поля. Переключение схемы обмотки статора с треугольника на звезду приводит к уменьшению фазного напряжения в √3 раз. Примерно во столько же раз уменьшается поток, ток намагничивания и потери в стали дви­гателя, что ведет к повышению его коэффициента мощности и кпд. Для некоторых потребителей время работы двигателей на холостом ходу достигает 50-60% всей его работы. При промежутках работы на холостом ходу, превышающих 10 секунд, считается эффективным от­ключение двигателей от сети с точки зрения экономии электроэнер­гии и потребления реактивной мощности.

Уравнение электромагнитного момента асинхронной машины и его анализ. Механическая характеристика асинхронной машины. Условия получения естественной механической характеристики. Рабочий участок механической характеристики.Электромагнитный момент М создаётся в результате взаимо­действия тока ротора с вращающимся в зазоре машины магнитным полем. С учетом векторной диаграммы (рис. 4.8) он определяется вы­ражением: M=P_ЭМ/ω₁=m₁I₂’E₂’cosω₂/ω₁=m₁(I₂’)²R₂’/s/ω₁ (4.48), где ω₁ - синхронная угловая скорость вращения поля статора, рад/с. ω₁=2πf₁/p (4.49). Выражение (4.44), получено согласно Г-образной схеме заме­щения (рис. 4.47,б). В соответствии с (4.48) выражение электромаг­нитного момента асинхронной машины будет иметь вид: M=m₁U₁2pR₂’/s/2πf₁((r₁+R₂’/s)²+x_K²) (4.50), где х_К=x₁+х₂’ - индуктивное сопротивление короткого замыкания. Задаваясь рядом значений скольжения s от -∞ до +∞ и при­нимаем остальные параметры выражения (4.50) неизменными, в ре­зультате можно получить зависимость s=f(М), которая называется статической механической характеристикой асинхронной машины. Данная характеристика отображает три возможных режима работы асинхронной машины подключенной к сети: 1) режим двигателя (0<s≤1); 2) режим генератора (0≥s>-∞); 3) режим электромагнитного тормоза (1≤s<+∞). Статическая механическая характеристика называется естест­венной, если она получена при условиях (U₁=const=U_1H, f₁=const=f_1H, R₂’=r₂’ (r_дoб=0). При отклонении хотя бы одного из этих параметров от указанных значений характеристика является ис­кусственной. В случае неподвижного ротора (s=1) зависимость (4.50) представляет пусковой момент М_П: M_П=m₁U₁2pR₂’/2πf₁((r₁+R’)²+x_K²) (4.51). Дифференцируя выражение (4.50) по s и приравнивая получен­ный результат к нулю, определяем значение скольжения s_m, при ко­тором момент асинхронной машины максимален М_т. Такое значение скольжения и момента называют критическими. Выражение для s_m имеет вид: s_m=±R₂’/√(r₁²+x_K²) (4.52). После подстановки (4.52) в (4.50) выражение для критического момента асинхронной машины М_т описывается равенством: M_m=m₁U₁²p/4πf₁[r₁±√(r₁²+x_K²)] (4.53). В выражениях (4.52) и (4.53) знак «+» соответствует двигатель­ному режиму, а знак «-» - генераторному режиму асинхронной ма­шины. Для трехфазных асинхронных машин с учетом (4.49) выраже­ния (4.50), (4.51), (4.53) преобразуются в M=3U₁²R₂’/s/ω₁((r₁+R₂’/s)²+x_K²) (4.54); М_П=3U₁²R₂’/ω₁((r₁+R’)²+x_K²) (4.55); M_m=3U₁²/2ω₁[(r₁±√(r₁²+x_K²)] (4.56). Статическая механическая характеристика может быть пред­ставлена в виде ω=f(M), т.к. при эксплуатации часто необходимо контролировать именно частоту вращения ротора. Для расчетов ха­рактеристик частоты вращения ω выражаются в рад/с, тогда как в паспортных данных машин частоты вращения n указаны в об/мин. Чтобы перейти от об/мин в рад/с целесообразно воспользоваться от­ношением ω=πn/30=n/9,55 (4.57). Статическая механическая характеристика асинхронной машины представлена на рис 4.10. При идеальном холостом ходе (s=0) асин­хронная машина не развивает момент, т.к. эдс и ток в роторной об­мотке не индуцируются. С увеличением нагрузки на валу частота вращения ротора снижается, возрастают скольжение, эдс и ток в ро­торе, а так же момент. Увеличение скольжения s вызывает рост частоты тока в роторе f₂ и индуктивного сопротивления ротора х₂’. В связи с этим, начиная с некоторого значения скольжения s_m, момент, развиваемый двигателем, перестает нарастать, несмотря на нараста­ние тока в роторе. Активная составляющая тока в роторе уменьшает­ся из-за роста доли реактивного сопротивления. Момент зависит от активной составляющей тока ротора, он будет также снижаться. При генераторном режиме работы асинхронной машины ее максимальный момент больше, чем при двигательном режиме. Это объясняется тем, что в генераторном режиме часть потерь компенсируется за счет при­водного двигателя, расположенного на одном валу с асинхронной машиной. Отдаваемая в сеть активная мощность должна быть равна по величине активной мощности, которая потребляется асинхронной машиной в режиме двигателя. Асинхронные двигатели характеризуются таким важным пара­метром, входящим в их справочные данные как перегрузочная спо­собность: k_m=M_m/M_H (4.58), где М_H - номинальный момент, который можно определить как: M_H=9550P_H/n_H (4.59), где Р_H - номинальная мощность двигателя, кВт. Для асинхронных двигателей общего применения перегрузоч­ная способность k_т=1,7-2,5. Длительная работа двигателя с мо­ментом, равном максимальному М_т недопустима по условиям его нагрева. Участок статической механической характеристики с преде­лами изменения скольжения от -s_m до s_m называется рабочим участ­ком механической характеристики или устойчивым участком работы асинхронной машины. Рабочий участок может быть рассчитан по формуле Клосса: M/M_m=2(s_m+1)/(s/s_m+2s_m+s_m/s) (4.60). Асинхронный двигатель наиболее экономично работает на уча­стке статической механической характеристики с пределами измене­ния скольжения от 0 до s_m, потому что электрические потери в об­мотках ротора Δр_об2 пропорциональны скольжению: Δр_об2=P_ЭMs.

Регулирование скорости асинхронного двигателя путем введения добавочного сопротивления в цепь ротора, путем изменения подводимого к статору напряжения, путем изменения числа пар полюсов и путем изменения величины напряжения статора и его частоты. Законы управления. U₁/f₁=const, U₁/√f₁=const, U1/f₁²=const. Механические характеристики для всех случаев. Большинство механизмов общепромышленного назначения гор­ных и металлургических предприятий приводятся в действие от асин­хронных двигателей. Согласно технологическим процессам в той или иной степени необходимо регулировать частоту их вращения или скорость. При регулировании скорости руководствуются критериями плавности хода, энергетикой электроприводов и систем электроснаб­жения, глубиной регулирования и т.д. Управление скоростью асинхронных двигателей сопряжено с трудностями. Они обусловлены не­линейностью характеристик и сравнительно узким диапазоном изме­нения скорости на их рабочем участке, где работа двигателя устойчи­ва. Регулирование скорости проводится внесением изменений в схему статорной и роторной обмоток, а также путем регулирования от внешних преобразователей по цепям статора, ротора или по обеим цепям (схемы с регуляторами напряжения, преобразователями часто­ты на вентильных элементах, каскадные схемы и т.д.). Выбор способа регулирования производится на основании конструкции асинхронно­го двигателя, а также требований к технологическому процессу, в ко­тором задействован механизм, энергопотреблению, динамическим показателям электропривода. Возможность регулирования скорости асинхронных двигателей необходимо увязывать с анализом их механических характеристик. Выбор элементов силовых схем или устройств регулирования зависит от нагрузки на валу. На статических механических характеристиках асинхронных двигателей следует выделять как минимум три харак­терные точки, изменение координат которых при регулировании не­обходимо отслеживать. К таким точкам относятся: 1) идеальный холостой ход (s=0; ω₂=ω₁=2πf₁/p; M=0); 2) достижение двигателем своей перегрузочной способности (s=s_K; ω₂=ω_2m=ω₁(1-s_m); M=M_m); 3) пуск двигателя (s=1; ω₂=0; M=M_П). Регулирование скорости ротора асинхронного двигателя прово­дится следующими способами: 1) изменением добавочного сопротивления r_доб в цепи ротора (только для двигателей с фазным ротором); 2) изменением напряжения, подводимого к статору U₁; 3) изменением числа пар полюсов р обмотки статора (только для двигателей с короткозамкнутым ротором, имеющих на статоре не­сколько обмоток на каждой фазе); изменением напряжения U₁ и частоты f₁ (практически приме­няется для двигателей с короткозамкнутым ротором). Регулирование скорости изменением добавочного сопро­тивления r_доб в цепи ротора (реостатное регулирование). Способ на­шел широкое распространение из-за простоты реализации. Однако он требует большого количе­ства контактной аппарату­ры, а применение активных сопротивлений увеличива­ет потери в роторе. Крити­ческое скольжение s_m и пусковой момент М_П пря­мо пропорциональны вели­чине активного сопротив­ления цепи ротора R₂’, а скорость вращения поля статора ω₁ и критический момент М_т не зависят от него, поэтому остаются не­изменными в любом диапа­зоне изменения скорости ротора. Механические ха­рактеристики при реостат­ном регулировании пред­ставлены на рис. 4.11. Можно подобрать доба­вочное сопротивление так, что пусковой момент дви­гателя М_П будет равен максимальному моменту М_т. Величину r_доб рассчитывают из выражения для скольжения s_m=1: s_m=1=R₂’/√(r₁²+x_K²) (4.61); r_доб=(√(r₁²+x_K²)-r₂’)/k_e² (4.62). Рост величины R₂’ приводит к снижению тока ротора I₂’. Однако возрастает его активная составляющая, что вызывает увеличение электромагнитного момента М. Этим объясняется рост пускового момента М_П до определенного значения, после чего М_П умень­шается, т.к. ток ротора убывает быстрее, чем растет его активная составляющая. Реостат в цепи ро­тора является и регулировочным, и пусковым. Пусковой ток ротора из-за наличия контактных колец и щеток ограничивают величиной I_2П=(2-2,5)I_2H. Регулирование скорости ротора при данном мо­менте нагрузки на валу М_C=М_H (рис. 4.11) происходит вниз от ее номинала. Для асинхронных двигателях с фазным ротором применяют реостатный пуск в несколько сту­пеней, количество которых зави­сит от мощности двигателя. В ка­честве примера рассмотрим трех­ступенчатый реостатный пуск, осуществляемый согласно схеме, представленной на рис. 4.12. Величины пусковых сопротивлений r_до6i рассчитываются графо-аналитическим методом лучевой диаграммы, изображенной на рис. 4.13. Рабочие участки механических характе­ристик в пределах построения лучевой диаграммы можно считать ли­нейными. Для построения пусковой диаграммы и расчета пускового сопротивления требуется выполнить следующие действия: 1) построить естественную механическую характеристику s=f(M); 2) задать значения пускового момента М_П1=0,8М_т и момента переключения М_П2=1,2М_C (значение момента М_C определяют в за­висимости от типа механизма); 3) через точки на естественной характеристике а и b, соответст­вующие М_т и М_П2, строится первый луч до пресечения с прямой s=0 в точке t; 4) остальные лучи строятся с соблюдением равенства моментов М_т и М_П2 на всех ступенях, начиная с луча te; 5) проводится прямая через точку а на естественной характе­ристике и точку е, соответствую­щую пусковому моменту М_П1 при неподвижном двигателе, до пересечения с прямой, соответст­вующей s=0 в точке k; 6) при неодинаковых значе­ниях моментов М_П1 и М_П2 на ступенях следует изменить М_П2, повторив расчеты и построения; 7) рассчитываются сопротив­ления пусковых ступеней r_до6 и полные активные сопротивления цепи ротора R_i. Величины сопротивлений пусковых реостатов r_до6 и полных со­противлений цепи ротора R_i определяются по формулам: {r_доб1=r₂de/ka; r_доб2=r₂cd/ka; r_доб3=r₂ac/ka}; {R₁=r₂ke/ka; R₂=r₂kd/ka; R₃=r₂kc/ka} (4.63). При ином числе пусковых ступеней расчет сопротивлений вы­полняется аналогично. Чем больше ступеней, тем плавне происходит пуск двигателя, но при этом растет количество пусковой аппаратуры. Регулирование скорости изменением напряжения U₁ подведённого к статору двигателя. Способ применим в равной мере для всех асинхронных двигателей. Момент двигателя М, а также моменты пусковой М_П и кри­тический М_m, пропорцио­нальны квадрату напряже­ния, подведенного к цепи статора, U₁². Скорость идеального холостого хода ω₁ и критическое скольжение s_m от уровня напряжения не зависят. Влияние на­пряжения U₁ на вид меха­нических характеристик представлено на рис. 4.14. При условии U₁’>U_1H характеристика проходит выше естественной. Хотя в данном случае возрастает пусковой момент двигателя, но увеличивается ток статора, насыща­ются магнитопроводы и увеличиваются потери. Поэтому согласно стандартам для эксплуатации асинхронных двигателей допускается повышение питающего напряжения не более чем на 5% от номиналь­ного значения. Когда выполняется условие U₁"<U_1Н, то характери­стика проходит ниже естественной. Уменьшается пусковой момент и падает перегрузочная способность двигателя. Например, при сниже­нии напряжения на 20% (0,8U_1Н) момент уменьшится в 0,8²=0,64 раза, т.е. на 36%. Снижение питающего напряжения допускается не более чем на 10% от номинального значения. Изменение напряжения достигается в частности регуляторами напряжения на полупроводни­ковых элементах. При таком способе диапазон регулирования скоро­сти невелик, а регулирование возможно только вниз от номинальной скорости. В процессе эксплуатации асинхронных двигателей данный способ регулирования не нашел широкого применения. Регулирование скорости изменением числа пар полюсов р. Способ на практике реализуется для асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором. У двигателей с фазным ротором прихо­дится менять число пар полюсов не только на статоре, но и на роторе, что усложняет схему управления. Асинхронные двигатели, в которых реализуется данный способ регулирования скорости, выпускаются на несколько скоростей вращения, например на 1500/1000/750/500 об/мин. Такие двигатели называются многоскоростными. Изменение числа пар полюсов в обмотке статора достигается переключением ее частей с последовательного на параллельное соединение. На рис. 4.15 представлены направления то­ков в обмотках и потоков полю­сов. В данном случае необхо­димо так же поменять местами фазы обмотки двигателя, чтобы сохранить прежним направле­ние вращения поля статора. Скорость асинхронного двигателя изменением числа пар полюсов можно регулиро­вать двумя способами: при по­стоянном моменте (М=const) и при постоянной мощности (P=const). При условии M=const уменьшение числа пар полюсов достигается переключением обмоток статора с соединения Y на YY (двойная звезда). Выражения потребляемых из сети активных мощно­стей при этом имеют вид: {P_1Y=3U₁I₁cosφ_1Y/√3; P_1YY=3U₁2I₁cosφ_1YY=2P_1Y} (4.64). Коэффициенты мощности обеих схем примерно равны. Скорости идеального холостого хода ω_1YY=2ω_1Y. Момент, развиваемый двигателем M≈P₁/ω₁, при этом M_Y≈M_YY. Для рассматриваемого спо­соба схемы переключения и механические характеристики двигателя представлены на рис. 4.16. Способ регулирования скорости при усло­вии M=const целесообразно применять в электроприводах с постоянно действующим моментом нагрузки при любой частоте вращения, например, в подъемно-транспортных механизмах. При условии P=const уменьшение числа пар полюсов достигает­ся переключением обмоток статора с соединения Δ на YY. Выраже­ния, отображающие потребляемые из сети активные мощности, при этом имеют вид: {P_1Δ=3U₁I₁cosφ_1Δ; P_1YY=3U₁2I₁cosφ_1YY=2P_1Y} (4.65). Коэффициенты мощности обеих схем примерно равны. Потреб­ляемая мощность P_1YY=1,15P_1Δ. Если разницей в 15% пренебречь, что упрощает анализ, то Р_1YY≈Р_1Δ, а скорость идеального холостого хода ω_1YY≈2ω_1Δ. Момент двигателя при этом М_YY≈M_Δ/2. Схемы переклю­чения и механические характеристики двигателя изображены на рис. 4.17. Способ регулирования скорости при условии P=const целесооб­разно применять когда момент нагрузки меняется обратно пропор­ционально частоте вращения, например, в станочных электропроводах. В обоих вариантах регулирования сохраняется жесткость рабо­чих участков механических характеристик. Многоскоростные асин­хронные двигатели применяются в электроприводах, допускающих ступенчатое регулирование скорости (лифты, станки, вентиляторы и т.п.). При регулировании на разных скоростях остаются практически неизменными энергетические показатели двигателей. Однако двига­тели имеют повышенные габариты, сложную коммутационную аппаратуру и относительно дороги. Регулирование скорости изменением частоты f₁ подве­денного напряжения U₁ (частотное регулирование). Способ является наиболее перспективным в связи с широким применением преобразо­вателей частоты, выполненных на полупроводниковых элементах. Он реализуется преимущественно на короткозамкнутых асинхронных двигателях (R₂’=r₂’). Регулирование скорости двигателя происходит плавно в широком диапазоне как вверх, так и вниз от ее номинально­го значения. Способ является достаточно экономичным в плане энер­гопотребления, однако стоимость преобразователей частоты по срав­нению со стоимостью двигателя относительно велика. Наиболее ра­циональное регулирование скорости достигается при условии под­держания неизменным магнитного потока двигателя Ф_т. При условии U₁≈const и r₁≈0 имеем: U₁≈E₁=cf₁Ф_m=const (4.66), где с - постоянная, зависящая от параметров двигателя. Из выражения (4.66) следует, что с увеличением частоты f₁ сни­жается магнитный поток Ф_m и развиваемый двигателем момент, а также его перегрузочная способность. Если же частота f₁ снижается, то происходит рост магнитного потока. Это приводит к насыщению магнитной цепи двигателя и повышению потерь. Для обеспечения условия постоянства магнитного потока (Ф_т=const) требуется регу­лировать напряжение U₁ и частоту f₁ пропорционально друг другу, т. е. по закону U₁/f₁=k=const (4.67). Целесообразно проанализировать, как будут располагаться ме­ханические характеристики при регулировании скорости по (4.67). Скорость идеального холостого хода ω₁ пропорционально зависит от частоты питающего напряжения f₁. Индуктивное сопротивление ко­роткого замыкания х_K=2πf₁L_K. Принимая, что U₁≈kf₁, выражения моментов трехфазного асинхронного двигателя (4.54) - (4.56) и кри­тического скольжения s_m (4.52) при этом примут вид: M=3k₂f₁²r₂’p/s/2πf₁((r₁+r₂’/s)²+(2πf₁L_K)²); M~f₁²/f₁³ (4.68); M_П=3k²f₁²r₂’p/2πf₁((r₁+r’)²+(2πf₁L_K)²); М_П~f₁²/f₁³ (4.69); M_m=3k²f₁²p/4πf₁(r₁±√(r₁²+(2πf₁L_K)²)); M_m~f₁²/f₁³ (4.70); s_m=r₂’/√(r₁²+(2πf₁L_K)²); s_m~1/f₁ (4.71). Согласно полученных выражений момент, развиваемый двига­телем при пуске и работе, изменяется обратно пропорционально частоте f₁. Скольжение s_m меняется аналогичным образом, а жесткость механической характеристики возрастает. Максимальный момент М_т стабилизируется. Механические характеристики для рассмотрен­ного случая представлены на рис. 4.18,а. При частотах f₁>f_1H на­пряжение U₁ не повышают, поскольку это недопустимо по условиям эксплуатации двигателей, а оставляют равным номинальному. В результате снижается перегрузочная способность двигателя, что не­обходимо учитывать при выборе его нагрузки. Установлено, что для реальных условий в процессе регулирования скорости при соблюдении закона U₁/f₁=const с уменьшением частоты f₁ момент М_т несколько снижается. Это объясняется нарастающим влиянием падения напряжения в статорной обмотке двигателя, что наиболее заметно у двигателей небольшой мощности. Пусковой момент двигателя М_П в то же время увеличивается с уменьшением частоты f₁. Оптимальное значение М_{П опт} наступает при частоте f_1onm питающего напряжения равной 15-20 Гц, определяемой по формуле, если dM_П/df₁=0: f_1опт=(r₁+r₂’)/2πL_K (4.72). При частотах f₁< f_1onm следует менять напряжение U₁ в меньшей мере, чем частоту f₁ (рис. 4.18,6), поскольку регулирование по закону U₁/f₁=const приводит к существенному снижению М_т. Регулирование скорости асинхронного двигателя по данному закону целесообразно, когда выполняется условие М_с=const. Для некоторых производст­венных механизмов, например, насосных установок, чрезмерное сни­жение скорости вращения двигателя может привести к выходу из строя их рабочего органа и другим неисправностям. Поэтому в преоб­разователях частоты не всегда целесообразно выставлять задание на минимальные скорости вращения двигателей, добиваясь глубокого ее регулирования. Работа с минимальной частотой вращения ограничи­вается ухудшением условий охлаждения двигателя с его самовентиля­цией. В этом случае более эффективна независимая вентиляция. Наряду с регулированием, при котором выполняется отношение U₁/f₁=const, используются в современных электроприводах и другие зависимости, например U₁/√f₁=const (условие постоянства мощности) или U₁/f₁²=const (при вентиляторной нагрузке). Вид такой зависимости определяется требованиями технологического процесса промышлен­ных установок. Механические характеристики двигателей при исполь­зовании указанных зависимостей приведены на рис. 4.19. Применение вентильных преобразователей частоты улучшает технико-экономические показатели регулируемых электроприводов. Основным их недостатком является генерация высших гармоник, что приводит к возникновению дополнительных потерь, паразитных моментов, ухуд­шающих эксплуатационные свойства двигателя, ведущих к его пере­греву, а также влиянию на качество электроэнергии у потребителей. Для снижения негативного, воздействия высших гармоник использу­ются сглаживающие фильтры, вентильные элементы с большой часто­той коммутации, что позволяет приблизить кривую выходного напря­жения к синусоиде.

Принципы построения круговой диаграммы асинхронной машины. Определение параметров и построение рабочих характеристик асинхронного двигателя.Свойства асинхронных машин, их пригодность к работе в задан­ных условиях определяются согласно рабочим характеристикам. Ра­бочие характеристики асинхронного двигателя, изображенные на рис, 4.24. Они представляют зависимость частоты вращения ротора ω, момента на валу М₂, тока статора I₁, коэффициента мощности cosφ₁ и кпд η от полезной мощности двигателя Р₂. Их можно получить пу­тем непосредственных испытаний двигателя после его предваритель­ного прогрева при условиях: U₁=const=U_1H, f₁=const=f_1H, R₂’=r₂’. В машинах большой мощности проведение таких испытаний часто оказывается невозможным. По­этому рабочие характеристики могут быть получены из круго­вой диаграммы, которая строит­ся на основании опытов холо­стого хода и короткого замыка­ния. Результаты, полученные из круговой диаграммы, соответст­вуют результатам, полученным экспериментально. Для ее по­строения за основу принимаем Г-образную схему замещения асинхронной машины (рис. 4.7,б). Каждая из двух незави­симых цепей схемы замещения питается одним и тем же напряжением U₁. Токи I₀ и -I₂’ в сумме представляют собой ток статора I₁. Каждой ветви соответствует своя векторная диаграмма. Па рис. 4.25 представлена диаграмма для контура намагничивания и рабочего контура схемы замещения. Рабочий контур состоит из индуктивного постоянного x₁+x₂’ и активного переменного сопротивления r₁+r₂’/s. При скольжении s=0 величина r₁+r₂’/s=∞, а ток в контуре минимален: I₂’=0. Максимального значения ток в контуре достигает при скольжении s=-r₂’/r₁, т.е. I₂=U₁/(x₁+x₂’)=I_2max’. Геометрическим местом точек вектора тока I₂’ является окруж­ность, а вектор I_2тах’ представляет ее диаметр. Точка А занимает соответствующее положение на окружности в зависимости от величины скольжения s. Величина тока в обмотке статора I₁ получается при совмещении обеих диаграмм. Она показана па рис. 4.26, а ее измене­ние представляет круговую диаграмму асинхронной машины. Диа­грамма отражает все возможные режимы работы: двигательный, ге­нераторный и тормозной. Точки на окружности, характеризующие режимы работы машины, находятся под определенными углами к точке 0, величины которых определяются выражениями: {α_s=(90º-φ₂); tgα_s=tg(90º-φ₂)=ctgφ₂=(r₁+r₂’/s)/(x₁+x₂’} (4.73). При значениях s=1 и s=±∞соответственно: {tgα_s=(r₁+r₂’)/(x₁+x₂’)=tgα₁; tgα_s=r₁/(x₁+x₂’)=tgα_∞} (4.74). Круговая диаграмма асинхронной машины при некоторых до­полнительных построениях, представленная на рис. 4.27, позволяет вычислить практически все; показатели, характеризующие ее работу. Участок ОВТ характеризует генераторный режим; участок ОАЕ - двигательный; участок КТ - тормозной. Параметры машины опреде­ляются следующим образом. Выбирается масштаб тока т_i, А/мм. Величины токов определя­ются как: I₁=O’Am_i, I₀=O’Om_i, I₂’=ОАт_i, I_2таx’=ОВт_i. Активная со­ставляющая тока статора I_1а=АСт_i, реактивная составляющая I_1p=O’Cm_i. Подведенная к статору мощность Р₁ устанавливается из выражения: P₁=m₁U₁I₁cosφ₁=m₁U₁I_1a=m₁U₁ACm_i (4.75), где m₁U₁=const. Выбирается масштаб мощности т_P, Вт/мм: т_P=m₁U₁m_i. Тогда мощность Р₁=т_PАС. На круговой диаграмме линия O’N - подведенная из сети мощность P₁. Полезная мощность Р₂, мощность на валу асинхронного двигателя, равна нулю при холостом ходе (точ­ка О) и коротком замыкании (точка К). Линия ОК отображает полез­ную мощность Р₂. Для рассматриваемой точки А на окружности токов Р₂=m_PAF. Электромагнитная мощность Р_ЭМ=0 при работе ма­шины отображенной точками О и Т. Для точки А на окружности то­ков Р_ЭМ=т_PАЕ. Момент М выражается через электромагнитную мощность как M=P_ЭМ/ω₁=m_PAE/ω₁=m_MAE (4.76), где m_M=m_P/ω₁ - масштаб момента M, Нм/мм. На круговой диаграмме отрезок ОТ - линия электромагнитной мощности Р_ЭМ и электромагнитного момента М. Отрезок qn отобра­жает максимальный момент М_тах двигателя: M_max=m_Mqn (4.77). Для рассматриваемой точки А на окружности токов при работе двигателя в номинальном режиме его перегрузочная способность k_т равна M_max/M_H=qn/AE (4.78). Начальный пусковой момент асинхронного двигателя М_П определяется при s=1 (точка К): M_П=m_MKL (4.79). Выбирается масштаб сопротивлений т_Z, Ом/мм. Для расчета сопротивлений обмоток используют следующие выражения: {tgα_∞=ED/OD=r₁/(x₁+x₂’); tgα₁=DF/OD=(r₁+r₂’)/(x₁+x₂’)} (4.80). Из решения (4.80) получаем: x₁+x₂’=m_ZOD; r₁=m_ZED; r₂’=m_ZEF (4.81). В соответствии с выполненными расчетами потери в статорной обмотке будут: Δp_об1=m₁(I₂’)²r₁=m_pED (4.82). Для определения потерь в роторной обмотке необходимо устано­вить мощность рабочего контура Р_раб. Она равна: P_раб=P₁-P₀=P₁-m₁U₁I₀cosφ₀=m_P(AC-CD)=m_PAD=m₁(I₂’)²(r₁+r₂’/s) (4.83). Электромагнитная мощность Р_ЭМ может быть определена как P_ЭМ=P_раб-Δp_об1=m₁(I₂’)²(r₁+r₂’/s)-m₁(I₂’)²r₁=m₁(I₂’)2(r₂’/s)m_PAE (4.84). Потери в обмотке ротора Δр_об2 отображаются выражением: Δp_об2=m₁(I₂’)²r₂’=m_PEF (4.85). Скольжение s при работе двигателя характеризуется точкой А на окружности токов рассчитывается по формуле: s=Δp_об2/P_ЭМ=EF/AF (4.86). Кпд асинхронного двигателя приближенно можно найти как η=P₂/P₁=AF/AC (4.87). Для учета всех видов потерь целесообразнее пользоваться фор­мулой: η=1-Δp_Σ/P₁ (4.88). Суммарные потери Δр_Σ в формуле (4.88) равны: Δp_Σ=(Δp_мех+Δp_c1)+Δp_об1+Δp_об2+Δp_доб=(P₀-m₁I₀²r₁)+m₁I₁²r₁+P_ЭМs+Δp_добН(I₁/I_1H)² (4.89), где Δp_добН=(0,005…0,01)P_1H. Построение круговых диаграмм для асинхронных машин раз­личного исполнения должно осуществляться с учетом их конструк­тивных особенностей.

Способы пуска трехфазных асинхронных двигателей. Самозапуск.Пуск асинхронных двигателей с фазным ротором проводится при условии ограничения тока из-за наличия скользящих контактов в цепи ротора. Для этой цели применяются реостаты, индукционные сопротивления, каскадные схемы и др. На предприятиях эксплуати­руется большое количество короткозамкнутых асинхронных двигате­лей, обмотки которых рассчитаны на большие, до нескольких номи­нальных значений, пусковые токи. Качественное регулирование их скорости достигается при использовании вентильных преобразовате­лей. Значительная часть двигателей установлена на агрегатах, не тре­бующих частого и плавного регулирования скорости (насосы, венти­ляторы и т.д.). При пуске короткозамкнутых асинхронных двигателей требуется учитывать следующие условия: 1) двигатель должен развивать момент, превышающий момент нагрузки на валу М_C, что бы ротор мог прийти во вращение и дос­тичь требуемой скорости; 2) пусковой ток следует ограничивать, чтобы не вывести из с троя двигатель и не нарушить нормальный режим работы сети; 3) схема пуска должна быть по возможности простой. На рис. 4.28 представлены однолинейные схемы пуска асин­хронных двигателей с короткозамкнутым ротором. Наиболее про­стым является прямой пуск (рис. 4.28,а). Прямой пуск возможен, ко­гда сеть достаточно мощная и пусковые токи не вызывают больших просадок напряжения сети U₁ (10-15% от номинального значения). Ток при пуске двигателя I_ПД является пусковым током сети I_П1: I_ПД=I_П1=I_П=U₁/z_K (4.90), где z_K – полное сопротивление двигателя при пуске. Если по условиям падения напряжения в сети прямой пуск не­возможен, то применяют пониженное напряжение. Однако при этом снижается пусковой момент двигателя М_П. Он пропорционален квадрату напряжения сети U₁². Способ пуска на пониженном напряжении применим, если двигатели работают вхолостую или при не­полной нагрузке на валу, а также для высоковольтных двигателей. При реакторном пуске (рис. 4.28,б) сначала замыкают В1, проис­ходит ограничение пускового тока. После разгона двигателя до опре­деленной скорости замыкается В2, реактор оказывается шунтирован­ным, а на статор подается напряжение сети U₁. Пусковой ток двигате­ля I_ПД при этом равен: I_ПД=U_Д/Z_K=U_ДU₁/Z_KU₁=I_ПU_Д/U₁=I_П1 (4.91), где U_Д/U₁ - степень снижения напряжения двигателя в момент пуска; I_П - ток двигателя при прямом пуске. Момент при пуске уменьшается быстрее пускового тока: M_ПД=M_П(U_Д/U₁)² (4.92), где М_П - момент двигателя при прямом пуске. Трансформаторный (автотрансформаторный) пуск позволяет в большей степени понизить напряжение, подводимое к статору двига­теля. Схема пуска представлена на рис. 4.28,в; работа коммутацион­ных аппаратов аналогична работе при реакторном пуске. Пусковой ток двигателя I_ПД при этом равен: I_ПД=U_Д/Z_K=U_ДU₁/Z_KU₁=I_ПU_Д/U₁ (4.93). Пренебрегая потерями в трансформаторе и считая, что мощ­ность, потребляемая из сети равна мощности, подводимой к статору двигателя: {I_П1U₁=I_ПДU_Д; I_П1=I_ПДU_Д/U₁=I_П(U_Д/U₁)²} (4.94). Пусковые момент и ток уменьшается одновременно: M_ПД=M_П(U_Д/U₁)² (4.95). При трансформаторном (автотрансформаторном) пуске момент М и ток I_П1 уменьшаются в одинаковое число раз. Если значения пускового тока I_П1 при реакторном и трансформаторном (автотранс­форматорном) пуске будут одинаковыми, то двигатель в последнем случае развивает больший пусковой момент. На рис. 4.29 изображены механические характери­стики асинхронного двига­теля при разных способах пуска. При коротких замыка­ниях в электрических сетях случаются большие кратко­временные понижения на­пряжения или перерывы питания. Подключенные к сети асинхронные двигате­ли в данном случае затор­маживаются и останавли­ваются. При восстановле­нии напряжения двигатели, если они не были отключе­ны нулевой защитой, снова запускаются в работу. Это процесс называется самозапуском. Для многих производствен­ных механизмов он желателен. Однако при одновременном пуске многих двигателей из-за значительного падения напряжения в сети, задерживается его восстановление, что приводит к увеличению времени самозапуска. Для асинхронных двигателей с фазным ротором самозапуск опасен по условиям коммутации. Этот процесс целесооб­разно использовать в электроприводах ответственных производст­венных механизмов. Двигатели следует снабжать релейной защитой.

Глубокопазные и двухклеточные двигатели. Особенности конструкции.Асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором исклю­чают возможность пуска под нагрузкой из-за относительно малого пускового момента М_П. Для достижения достаточного значения М_П надо увеличить сопротивление роторной обмотки r₂. Такая задача решается путем использования эффекта вытеснения тока в обмотке ротора, т.е. поверхностного эффекта. Поверхностный эффект сильнее проявляется чем глубже и уже пазы, а так же, чем выше частота тока в стержнях. Активное сопро­тивление стержня при пуске становится большим. Наи­большая частота тока ротора f₂ при питании от сети имеет место при неподвижном ро­торе. Следовательно, пара­метры схемы замещения асинхронного двигателя не являются постоянными. Пус­ковой момент, реально развиваемый двигателем становится больше расчетно­го М_П’’ (рис. 4.30). Поверхно­стный эффект наиболее сильно сказывается при пуске, а при сколь­жениях ниже критического s_m его можно не учитывать. Несмотря на благоприятные характеристики машин с глубоким пазом, они выпус­каются в ограниченном объеме, т.к. применение глубоких пазов при­водит к увеличению диаметра ротора и габаритов машины. Помимо двигателей с глубокими пазами широко применяются обмотки с па­зами колбообразного, бутылочного и трапецеидального профилей. Двухклеточные двигатели имеют две короткозамкнутые «бели­чьи клетки», представляющие пусковую и рабочую обмотки (рис.4.31). Пусковая обмотка изготавливается из латуни или бронзы. Она обладает большим сопротивлением, а рабочая обмотка - изготавливается из меди. Сечение стержней пусковой обмотки может быть несколько меньше, чем у рабочей. Однако она не должна чрез­мерно перегреваться. Сопротивление пусковой обмотки в 2-4 раза превышает сопротивление обмотки рабочей. В двухклеточном двига­теле при пуске происходит вытеснение тока ротора по направлению к воздушному зазору, как и в глубокопазном двигателе. Стержни обмо­ток присоединяются к отдельным кольцам в связи с неравномерным нагревом обмоток.

Однофазные асинхронные двигатели. Способы пуска трехфазных асинхронных двигателей от однофазной сети. Привести принципиальные схемы.Однофазные асинхронные двигатели выполняются мощностью до нескольких киловатт. Они применяются для привода различных механизмов при отсутствии трехфазной сети. Такие двига­тели имеют однофазную об­мотку на статоре, а ротор представляет «беличью клет­ку» как у трехфазных асин­хронных двигателей нормаль­ного исполнения. Если у трех­фазного двигателя отключить одну фазу, то магнитное поле в зазоре будет не круговым, а пульсирующим и его можно рассматривать как совокуп­ность двух одинаковых круго­вых полей, которые вращаются с одинаковыми скоростями в противоположные стороны. Трехфаз­ный асинхронный двигатель в однофазном режиме можно рассматри­вать как два одинаковых трехфазных двигателя, которые подключены к общей сети, находятся на одном валу, но имеют разные чередова­ния фаз. Такой режим работы приводит к его перегреву. На рис. 4.35 показана механическая характеристика асинхронного двигателя в од­нофазном режиме. Двигатель при этом не развивает пускового мо­мента, поэтому принимаются специальные меры, чтобы получить в зазоре круговое магнитное поле. Чтобы обеспечить нормальный пуск и работу од­нофазного асинхронного двигателя необходимо со­блюдать следующие требо­вания: 1) оси обмоток должны находиться под углом 90º_ЭЛ друг к другу; 2) токи обмоток должны иметь фазовый сдвиг в четверть периода; 3) намагничивающие силы обмоток должны быть одинаковыми. Для создания кругового магнитного поля в зазоре однофазно асинхронного двигателя служат пусковая и рабочая обмотки, имею­щие w_П и w_Рчисло витков. Пусковая обмотка обладает повышенным активным сопротивлением. Схема подключения однофазного асин­хронного двигателя к сети представлена на рис. 4.36. Для получения фазового сдвига используют активные, индуктивные и емкостные элементы сопротивлением Z_П, включаемые в пусковую обмотку. На рис. 4.37 изображены векторные диаграммы однофазного асинхрон­ного двигателя при различных Z_П. Круговое вращающееся поле в за­зоре обеспечивает правильно подобранная величина емкости С. В данном случае Z_П=1/ωС, а М_П=(1,6-2,0)М_Н. Пусковая обмотка отключается с помощью контакта К при достижении двигателем оп­ределенной скорости. Механические характеристики при этом пред­ставлены на рис. 4.38. Его мощность составляет приблизительно 40-45% от мощности трехфазного двигателя при одинаковых габаритах. На практике широко применяются конденсаторные асинхронные дви­гатели. В них параллельно основному конденсатору С_раб в пусковой обмотке включается дополнительно пусковой конденсатор С_П=(2-7)С_раб. При малых скольжениях двигателя конденсатор С_П отключается во избежание резонансных явлений в обмотках двигате­ля, приводящих к выходу его из строя. Конденсаторные асинхронные двигатели обладают коэффициен­том мощности 0,8-0,95. Практический интерес пред­ставляет включение трехфазного асинхронного двигателя неболь­шой мощности в однофазную сеть. При этом могут быть использова­ны как постоянно включенные рабочие конденсаторы С_раб, так и включаемые на время пуска пуско­вые конденсаторы С_П. На рис. 4.39 представлены отдельные схемы подключения конденсаторов при питании трехфазного асинхронно­го двигателя от однофазной сети. Величина емкости С_П выбирается приблизительно из расчета 4-10 мкФ на 100 Вт мощности двигателя. Предварительное значение емкости рабочего конденсатора С_раб при частоте тока 50 Гц определяется по формуле: C_раб≈2700I_1H/U_1H (4.99), где I_1Н - номинальный фазный ток в обмотке статора; U_uf номи­нальное напряжение однофазной сети. Окончательно значение С_раб уточняется экспериментально, при этом токи в обмотках фаз двигателя при его работе с нагрузкой не должны превышать номинальное значение. Номинальная мощность трехфазного двигателя при работе от однофазной сети составляет 40-50% от мощности в трехфазном режиме, а с рабочим конденсатором - 75-80%. Однофазные конденсаторные асинхронные двигатели являются машинами малой мощности. Они преимущественно применяются в различных автоматических устройствах наряду с другими однофаз­ными и трехфазными асинхронными машинами нетрадиционной кон­струкции (сельсинами, исполнительными двигателями, тахогенераторами и др.).

Асинхронный генератор. Принцип действия. Самовозбуждение.Асинхронные машины используются преимущественно в каче­стве двигателей. Применение их в качестве генераторов ограничива­ется тем, что асинхронная машина не является источником реактив­ной мощности. При работе в генераторном режиме машина отдает в сеть активную и потребляет из сети реактивную мощность. Реактив­ная мощность необходима для создания магнитного поля машины. Источниками реактивной энергии могут являться синхронные маши­ны, работающие в сети параллельно с асинхронной машиной или, в автономных энергетических установках, батареи конденсаторов (рис. 4.33). В генераторном режиме асинхронная машина подключается к сети, ротор вращается в сторону вращения поля с частотой, превы­шающую синхронную частоту вращения поля. Ток холостого хода остается практически неизменным во всех режимах работы. При пуске асинхронный генератор дово­дят до подсинхронной скорости, а затем включают в сеть. Гене­ратор возбуждается и принимает нагрузку, соответствующую мощности приводного двигате­ля. Активная мощность изменя­ется путем регулирования вра­щающего момента двигателя. Если нагрузка резко падает, на­пример, при коротком замыка­нии, то генератор теряет возбу­ждение, резко снижается его электромагнитный момент, воз­растает частота вращения агре­гата, во избежание чего прини­мают специальные меры. При работе асинхронною генератора на отдельную сеть для его возбуждения применяют батареи конденсаторов. Этот процесс, характеристики которо­го представлены на рис. 4.34, на­зывается самовозбуждением. Он протекает следующим образом. При вращении ротора генератора приводным двигателем с часто­той близкой к номинальной в каждой фазе обмотки статора на­водится эдс Е_ост, которая вызва­на остаточным магнитным пото­ком Ф_ост. С включением обмоток статора на емкости С в цепи между статором генератора и батареей конденсаторов под действием Е_ост протекает ток I_C. Ток I_С создает поток Ф_с, направленный согласно Ф_ост. В результате общий магнитный поток растет и вызывает рост эдс и тока в статоре. С ростом тока происходит дальнейшее увеличе­ние магнитного потока и т.д. Процесс самовозбуждения идет до тех пор, пока эдс обмотки статора I_Cω₁L₁ не будет равна падению напряжения на конденсаторах I_С/ω₁C₁, т.е. пока их значения не установятся в точке пересечения характеристики холостого хода генератора с вольтамперной характеристикой цепи конденсаторов I_Cх_C и не станут равными току I₁ и эдс E₁. Напряжение на выводах генератора зависит от емкости конденсаторов С (чем меньше емкость, тем больше угол α), а также от вида характеристики намагничивания. При малых ем­костях машина не возбуждается. Насыщение генератора можно ме­нять путем подмагничивания статора постоянным током при посто­янной емкости конденсаторов. В процессе работы генератора с само­возбуждением следует поддерживать постоянной частоты вырабаты­ваемого напряжения f₁. Например, с ростом нагрузки надо увеличить частоту вращения ротора. Асинхронные генераторы могут найти практическое применение в электроустановках вспомогательного на­значения небольшой мощности.

Работа трехфазных асинхронных двигателей при ненормальных условиях.Асинхронные двигатели имеют номинальные паспортные дан­ные, позволяющие им работать в условиях, оговоренных предпри­ятиями-изготовителями. При работе в ненормальных условиях номи­нальные данные изменяются. Ненормальные условия могут иметь как климатический, так и производственный характер. В случае работы на высоте над уровнем моря, превышающей указанную предприятием-изготовителем, и при повышенной температуре окружающего воздуха условия охлаждения ухудшаются. Это приводит к необходи­мости снижения номинальной мощности двигателей. Производствен­ный характер ненормальных условий связан с качеством электриче­ской энергии, параметры которой определяются Государственным стандартом. Работа двигателя в производственных условиях зависит от час­тоты питающего напряжения f_1H, его величины U_1H и симметрии. Режим, при котором указанные параметры не выходят за пределы ус­тановленных стандартом отклонений, называется допустимым режи­мом работы. Асинхронные'двигатели допускают длительную работу с номинальной нагрузкой при изменении питающего напряжения в диапазоне (0,95-1,10)U_1H и его частоты в пределах ±2,5% от номи­нальной. В случае одновременного отклонения напряжения и частоты сети от номинальных значений двигатели должны сохранять номи­нальную мощность. Сумма абсолютных процентных значений этих отклонений не должна превосходить 10%, а каждое отклонение не превышать нормы. Отклонения напряжения и частоты от номиналь­ных значений приводит к изменению момента двигателя и потерь мощности в нем. При неизменной частоте f_1H отклонения напряже­ния в указанных пределах практически не оказывают влияние на суммарные потери в двигателе и температуру его частей. Понижение напряжения более чем на 5% номинального приводит к заметному снижению перегрузочной способности двигателя. Нагрузку следует уменьшать, т.к. рост потерь в обмотке статора не компенсируется снижением потерь в стали. При этом температура обмотки статора будет превышает максимально допустимую. Повышение напряжения более чем на 10% номинального вызывает нагрев магнитопровода. Тока намагничивания заметно возрастает при незначительном повы­шении напряжения, поскольку двигатели проектируют на работу с умеренным насыщением. Ток статора следует уменьшить на величи­ну, соответствующую номинальной нагрузке. Помимо опасности пе­регрева активной стали, при дальнейшем повышении напряжения возникает опасность для изоляции, особенно для высоковольтных двигателей. Снижение частоты питающего напряжения приводит к возраста­нию магнитного потока двигателя и насыщению магнитной цепи. В результате чего нагревается обмотка статора. Увеличение частоты при неизменном моменте на валу двигателя приводит к снижению его магнитного потока и возрастанию токов в обмотках статора и ротора, а следовательно к их перегреву. При эксплуатации асинхронных двигателей возможна их работа на несимметричном питающем напряжении. Например в случае под­ключения двигателей к трехфазной се­ти с мощными однофазными нагрузка­ми (электрических печей и др.) или аварии. Несимметричная система пи­тающих линейных напряжений может быть разложена на две симметричные системы напряжений прямой и обрат­ной последовательностей. Система на­пряжений прямой последовательности U₁₁ создает в обмотках статора и рото­ра токи прямой последовательности, образующие вращающее поле, в на­правлении которого двигается ротор. Ротор по отношению к полю прямой последовательности имеет скольжение: s₁=(ω₁-ω₂)/ω₁ (4.96). Система напряжений обратной последовательности U₁₂ создает в об­мотках токи обратной последователь­ности, которые создают обратно вращающееся магнитное поле, при­чем U₁₂<U₁₁. Ротор по отношению к магнитному полю отстает со скольжением: s₂=(ω₁+ω₂)/ω₁=(ω₁+ω₁(1-s₁))/ω₁=2-s₁ (4.97). Токи ротора прямой и обратной последовательностей при взаи­модействии со своими полями создают моменты прямой М₁ и обратной М₂ последовательностей, которые направлены в противополож­ные стороны. Результирующий момент двигателя М равен: М=М₁+М₂ (4.98). Механическая характеристика асинхронного двигателя при не­симметричном напряжении питающей сети показана на рис. 4.32. Ис­кажение симметрии питающего напряжения приводит к уменьшению максимального и пускового моментов. Это отрицательно сказывается на характеристиках двигателя, поскольку номинальный момент имеет место при больших скольжения и соответственно при больших токах. Электрические потери для постоянного значения полезной мощности асинхронного двигателя и несимметричного питающего напряжения больше, чем при симметричном. Частота тока ротора обратной по­следовательности в номинальном режиме f₂≈2f₁, что приводит к росту магнитных потерь. В то же время асинхронный двигатель, включенный в сеть с несимметричным напряжением, создает уравно­вешивающий эффект, т.е. Симметрия напряжений несколько умень­шается. Этот эффект связан с частичной компенсацией токов обрат­ной последовательности нагрузки в линии токами обратной последо­вательности асинхронного двигателя.

Испытания, эксплуатация и ремонт асинхронных машин.Программа приемо-сдаточных испытаний для асинхронных ма­шин включает следующие мероприятия: 1) измерение сопротивления изоляции обмоток по отношению к корпусу машины и между обмотками, а также сопротивлений обмо­ток при постоянном токе в практически холодном состоянии; 2) определение коэффициента трансформации (для машин с фаз­ным ротором); 3) испытания изоляции обмоток на электрическую прочность по отношению к корпусу машины и между обмотками, а также на элек­трическую прочность межвитковой изоляции обмоток статора и фаз­ного ротора; 4) определение токов и потерь в режимах холостого хода и корот­кого замыкания; 5) испытания при повышенной частоте вращения и на нагревание; 6) определение кпд, коэффициента мощности и скольжения; 7) испытание на кратковременную перегрузку по току. Объем приемо-сдаточных испытаний может быть увеличен в за­висимости от величины, назначения асинхронной машины, потребно­сти в определении данных для наладочных работ или, если машина на не подвергалась контрольным и типовым испытаниям. Режимы работы асинхронных двигателей определяются пара­метрами качества электрической энергии, а также организацией сис­темы электроснабжения и технологией производства. В процессе экс­плуатации периодически проводится контроль нагрузки двигателей, температуры подшипников, охлаждающего воздуха, систем охлажде­ния мощных двигателей, уровня масла в подшипниках. На ряде тех­нологических установок предусматривается возможность самозапуска двигателей после восстановления нормального уровня напряжения в сети. Самозапуск проводится с учетом требований технологии произ­водства и осуществляется путем поэтапного включения двигателей в зависимости от приоритета конкретной установки. Перечень неисправностей асинхронных двигателей, их причины и способы устранения представлены в справочной литературе. Для проверки состояния двигателей и устранения неисправностей перио­дически проводятся капитальные и текущие ремонты. Капитальный ремонт предусматривает полную разборку двигателя, проверку его со­ставных частей и при необходимости их замену. Объем текущего ре­монта предусматривает проверку смазки подшипников и ее замену при необходимости, чистку и обдувку статора и ротора при снятой задней крышке, осмотр обмоток в доступных местах. Периодичность капитальных и текущих ремонтов устанавливается по местным усло­виям в зависимости от температуры и загрязненности окружающего воздуха, а также с учетом требований предприятий-изготовителей. Ремонты двигателей совмещают с ремонтами приводимых ими меха­низмов. Текущий ремонт проводят 1-2 раза в год, капитальный не ре­же одного раза в 3-5 лет. Периодически контролируют параметры изо­ляции обмоток, при необходимости проводят сушку двигателя. Асинхронные двигатели являются основными двигателями для большинства электроприводов. Они выпускаются сериями, имеющи­ми различные специализированные исполнения (тропическое, хими­ческое, на частоту 60 Гц, металлургическое, крановое и т.д.) и конст­рукции (со встроенным электромагнитным тормозом, температурной защитой и т.д.). Важной задачей является оптимальное проектиро­вание и рациональная эксплуатация асинхронных двигателей.

---

Дата добавления: 2018-04-04; просмотров: 463; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!