Конспект лекций электротехника

ТРЕХФАЗНЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ.

В линиях электропередач используются в основном трехфазные силовые трансформаторы. Иногда в цепях трехфазного тока используют три однофазных трансформатора. Однако применение трехфазных трансформаторов предпочтительнее, так как они меньше по размерам, чем три однофазных трансформатора и дешевле.

Трехфазный трансформатор состоит из магнитопровода, имеющего три стержня и обмоток. На каждом стержне размещаются две обмотки одной фазы.

Обмотки высшего и низшего напряжения каждой из фаз трансформатора размещают на стержне концентрически одна поверх другой. Обычно ближе к стержню распологают обмотку низшего напряжения. Обмотки изолированы друг от друга и от стержня. Обмотки наматываются в одну сторону, каждая из которых имеет условно начало и конец.

Принято начала фаз обмоток высшего напряжения обозначать А,В,С, а их концы X, Y, Z. Начала фаз обмоток низшего напряжения обозначают а, b, c, а их концы x, y, z.

Применяют главным образом три способа соединения обмоток трехфазного трансформатора: звезда-

звезда, звезда-треугольник, треугольник-звезда.

Соединение звездой обозначают :

Соединение треугольником обозначают :

1). соединение первичных и вторичных обмоток звездой () :

2). соединение первичных обмоток звездой, а вторичных обмоток треугольником () :

3). соединение первичных обмоток треугольником, а вторичных обмоток звездой () :

Символ способа соединения обмоток высшего напряжения принято писать первым, между символами ставят наклонную черту.

Иногда применяют соединение обмоток звездой с выведенной нулевой точкой.

Трехфазные трансформаторы характеризуют двумя коэффициентами трансформации: фазным и линейным.

Фазный коэффициент трансформации равен отношению числа витков фазы обмотки низшего напряжения к числу витков фазы обмотки высшего напряжения или отношению фазных напряжений этих обмоток при холостом ходе:

kф = N2/N1 = Uф2/Uф1.

Линейный коэффициент трансформации равен отношению линейных напряжений обмотки низшего напряжения к линейному напряжению обмотки высшего напряжения при холостом ходе:

kл = Uл2/Uл1.

Uф2/

Uф1 = kф.

При соединении обмоток по схеме

:

kл = Uл2/Uл1

=

3

3

= Uф2/

Uф1 = kф/

.

При соединении обмоток по схеме

:

kл = Uл2/Uл1

3

3

Uф2/Uф1 =

kф.

При соединении обмоток по схеме

:

kл = Uл2/Uл1 =

3

3

Таким образом, при одном и том же числе витков обмоток трансформатора можно в 3 раз увеличить или уменьшить его коэффициент трансформации, выбирая соответствующую схему соединения обмоток.

СПЕЦИАЛЬНЫЕ ТИПЫ ТРАНСФОРМАТОРОВ ПРИМЕНЯЕМЫЕ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ.

1.Понижающие трансформаторы для переносных электроламп и работы электроинструментов.

По правилам техники безопасности для переносных светильников в условиях строительства допускается напряжение 36 В, а в местах особо опасных в отношении поражения электрическим током (туннели, шахты, металлические резервуары) не более 12 В.

Для питания таких светильников выпускаются специальные переносные трансформаторы, однофазные, малых размеров с вторичным напряжением 36 В и 12 В, с мощностью 50 - 250 В А. Первичная их обмотка включается в сеть напряжением 220 В или 380В.

Электроинструменты рекомендуется по соображениям техники безопасности применять на напряжение

36 В.

При необходимых мерах предосторожности (работа в резиновых перчатках) допускаются также инструменты работающие на напряжении 127 В и 220 В.

Для питания электроинструментов промышленностью выпускаются переносные трехфазные понижающие трансформаторы, включаемые в сеть 380 В, мощностью 0,5 - 2,5кВ А. Они понижают напряжение до 36В, 133 В и 230 В.

2.Трансформаторы для электропрогрева бетона.

При бетонных и железобетонных работах в зимнее время, как правило, применяют электропрогрев - нагревание бетона переменным электрическим током. Для этого прогреваемая бетонная конструкция включается в цепь тока как сопротивление и внутри самого бетона электрическая энергия преобразуется в тепловую. Цель электропрогрева - ускорить затвердевание бетона, получить требуемую его прочность в короткие сроки и предотвратить его замерзание. По мере затвердевания свежеуложенного бетона его электросопротивление увеличивается. Всвязи с этим, для того чтобы поддерживать необходимую величину тока в цепи электропрогрева, приходится постепенно повышать напряжение. Обычно в начальной стадии прогрев ведут при напряжении 50 В - 60 В, а к концу его увеличивают до 100 В.

Для электропрогрева выпускаются специальные понижающие трансформаторы небольшой мощности ( до 100 кВ А ). Эти трансформаторы включаются в сеть 380 В и на выводах вторичной обмотки могут обеспечить несколько ступеней понижения напряжения. Изменяют вторичное пониженное напряжение специальным переключателем, расположенном на крышке трансформатора, а также перестановкой планок на выводах вторичной обмотки. Изменение положения переключателя изменяет колическтво включенных витков первичной обмотки, меняя тем самым соотношение витков вторичной и первичной обмоток и соответственно коэффициент трансформации. Перестановка планок изменяет схему соединения фаз вторичной обмотки с треугольника на звезду, что дает увеличение линейного напряжения в 1,73 раза.

Например в трехфазном трансформаторе с маслянным охлаждением и мощностью 50 кВ А существует такой ряд напряжений: 19 В, 60 В, 71В, 103 В, 121 В.

Промышленность выпускает также для электропрогрева бетона передвижные установки мощностью 60 кВ А, состоящие из трех однофазных трансформаторов с маслянным охлаждением и

распределительного щита. Включают их в сеть 380 В. При различных соединениях обмоток трех трансформаторов установка может давать понижение напряжения до 51 В, 88 В, 102 В, 176 В.

3.Сварочные тансформаторы.

Как правило такие трансформаторы выполняются однофазными с воздушным охлаждением. Со стороны высшего напряжения могут быть включены в сеть 380 В или 220 В, а на низкой стороне они дают напряжение 60 В - 65 В. Такое напряжение на зажимах вторичной обмотки устанавливается при холостом ходе. В процессе сварки это напряжение колеблется от максимального значения, до значений близких к нулю. Сварочные трансформаторы выдерживают короткое замыкание возникающее в случае прикосновения электрода к сварочному шву. Вторичная обмотка трансформатора расчитана на длительное протекание тока короткого замыкания. Сварочные трансформаторы при заданной мощности должны создавать большие токи в нагрузке, причем резкое изменение сопротивления нагрузки не должно существенно сказываться на значении сварочного тока.

Относительно невысокое напряжение при больших токах обеспечивают не только эффективное тепловыделение в сварочном контакте, но и безопасность сварщика, работающего обычно с металлоконструкциями обладающими высокой электропроводностью.

Для устойчивого горения дуги в сварочную цепь необходимо включение индуктивного сопротивления. Благодаря этому ограничивается ток короткого замыкания. В связи с этим сварочные трансформаторы выпускаются или в комплекте с отдельной дроссельной катушкой - регулятором. или с регулятором встроенным в корпус трансформатора. Регулятор включается последовательно с вторичной обмоткой трансформатора. Регулятор представляет собой индуктивную катушку со стальным сердечником (дроссель). Сердечник - магнитопровод дросселя имеет воздушный зазор, ширина которого может изменяться путем передвижения подвижной части сердечника при вращении рукоятки регулятора. Изменение воздушного зазора меняет индйктивное сопротивление дросселя и тем самым регулирует - увеличивает или уменьшает сварочный ток. Такие трансформаторы имеют обычно мощность примерно равную 30 кВ А при сварочном токе до 500 А.

Имеются конструкции сварочных трансформаторов с регулятором (регулируемым дросселем), встроенном в корпус трансформатора.

Своеобразной конструкцией обладают сварочные трансформаторы с подвижными обмотками. Первичная их обмотка, расположенная на одном стержне со вторичной, может премещаться относительно нее. Регулирование сварочного тока в этих трансформаторах осуществляется изменением расстояния между первичной и вторичной обмотками. При удалении обмоток одной от другой увеличивается их индуктивное сопротивление и соответственно сокращается сварочный ток. Отдельного регулятора (дросселя) не требуется.

Иногда в сварочные трансформаторы встраивают конденсаторы, обеспечивающие повышение коэффициента мощности при его работе.

4.Измерительные трансформаторы.

В цепь высокого напряжения электроизмерительные приборы включать непосредственно нельзя, так как прикасаться к ним опасно. Нельзя также непосредственно измерять большие токи; в этом случае токопроводящие части приборов были бы очень громоздкими. Пользуясь специальными измерительными трансформаторами, можно применять для измерения высоких напряжений и больших токов обычные приборы низкого напряжения и малого тока.

По правилам безопасности, необходимо обязательно заземлить низковольтную обмотку измерительных трансформаторов, так как при повреждении изоляции между обмотками низкого и высокого напряжения приборы будут находиться под опасным для человека высоким напряжением.

Измерительные трансформаторы напряжения. Измерительные трансформаторы напряжения -

обычные понижающие трансформаторы. От силовых они отличаются только небольшой мощностью (30 - 500 ВА), вполне достаточной для питания обмоток вольтметров, а также обмоток напряжения счетчиков, ваттметров и других приборов. Напряжение вторичных обмоток, всех измерительных трансформаторов напряжения равно 100 В. Коэффициент трансформации этих трансформаторов записывают так: 6000/100, 10000/100 и так далее.

Чтобы определить первичное напряжение, показания вольтметра, включенного во вторичную цепь трансформатора, нужно умножить, на коэффициент трансформации. Часто на шкале вольтметра

обозначают сразу высокое - первичное - напряжение с учетом коэффициента трансформации. На шкале таких вольтметров имеется соответствующая надпись: «С тр. напр. 10000/100 В».

Измерительные трансформаторы тока. Первичную обмотку трансформатора тока, состоящую из одного или нескольких витков толстого изолированного провода, включают в цепь, ток которой необходимо измерить. К зажимам вторичной обмотки, имеющей большое число витков тонкого провода, включают амперметр или токовые обмотки счетчика, ваттметра и других приборов. Номинальный ток вторичных обмоток всех трансформаторов тока 5 А. Как и в трансформаторе напряжения, коэффициент трансформации трансформатора тока обозначают дробью, числитель которой показывает первичный (большой) ток, а знаменатель - вторичный ток 5 А, Например: 50/5; 300/5 и так далее.

Чтобы амперметр, включенной, во вторичную обмотку трансформатора тока, показывал измеряемый первичный ток, на шкале отмечают сразу первичный ток с учетом его коэффициента трансформации. Амперметр с такой градуировкой имеет специальную надпись на шкале: «С тр. тока 100/5 А».

Если вторичную обмотку трансформатора тока, имеющего большое число витков, разомкнуть, то на ее выводах возникнет большое напряжение, опасное и для приборов, и для людей, которые случайно могут коснуться концов этой обмотки. Поэтому вторичная обмотка всех трансформаторов тока должна быть или включена на приборы, или закорочена.

ЛЕКЦИЯ № 7

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ

К электрическим машинам относятся электромашинные генераторы, электродвигатели и преобразователи.

Электрические машины, действие которых основано на электромагнитных явлениях и которые служат для преобразования механической энергии в электрическую называются электромашинными генераторами.

Электрические машины, действие которых основано на электромагнитных явлениях и которые служат для преобразования электрической энергии в механическую называются электродвигателями. Преобразователями называются электрические машины служащие для преобразования электрической энергии одних параметров в другие. Преобразовываться могут род тока, частота, напряжение число фаз.

Электрические машины обладают свойством обратимости, то есть могут работать генераторами если их вращать каким-либо двигателем и могут использоваться как электродвигатели, если к ним подводить электроэнергию.

Электрические машины подразделяются на машины переменного и постоянного тока.

Электрические машины переменного тока в свою очередь подразделяются на синхронные, асинхронные и коллекторные.

Из машин переменного тока наибольшее распространение получили трехфазные асинхронные двигатели и синхронные генераторы переменного трехфазного тока.

Электрические машины постоянного тока представляют собой сочетание машин переменного тока с механическим выпрямителем (коллектором), который преобразует переменный ток в постоянный. Электрические машины постоянного тока также имеют ограниченное применение вследствие их более высокой стоимости и сложности техобслуживания по сравнению с машинами переменного тока.

АСИНХРОННЫЕ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛИ

Работа асинхронного двигателя основана на явлении, названном «диск Араго—Ленца». Это явление заключается в следующем: если перед полюсами постоянного магнита поместить медный диск (1), свободно сидящий на оси (2), и начать вращать магнит вокруг его оси с помощью рукоятки (3), то медный диск будет вращаться в том же направлении.

Это объясняется тем, что при вращении магнита его магнитное поле пронизывает диск и индуцирует в нем вихревые токи. В результате взаимодействия вихревых токов с магнитным полем магнита возникает сила, приводящая диск во вращение. На основании закона Ленца направление всякого индуцированного тока таково, что оно противодействует причине, его вызвавшей. Поэтому вихревые токи стремятся задержать вращение магнита, но не имея возможности сделать это, приводят диск во вращение таким образом, что он следует за магнитом. При этом частота вращения диска всегда меньше частоты вращения магнита. Если бы их частоты почему-либо стали одинаковыми, то магнитное поле

не перемещалось бы относительно диска и, следовательно, в нем не возникали бы вихревые токи, то есть не было бы силы, под воздействием которой диск вращается.

В асинхронных двигателях постоянное магнитное поле заменено вращающимся магнитным полем, создаваемым трехфазной системой переменного тока.

Принцип действия трехфазного асинхронного электродвигателя основан на явлении вращающегося магнитного поля.

Вращающимся называется магнитное поле, вектор магнитной индукции которого вращается с постоянной угловой скоростью. При этом модуль вектора магнитной индукции остается постоянным. Опытным путем было установлено, что если три катушки из провода расположить в пространстве под углом 1200 друг к другу и пропустить по ним переменный трехфазный ток, то в пространстве между катушками магнитное поле будет вращаться с угловой скоростью, зависящей от частоты переменного трехфазного тока.

Рассмотрим три одинаковые катушки из провода, расположенные таким образом, чтобы их оси пересекались под углом 1200. На рисунке каждую катушку схематически будем изображать в виде одного витка. Катушки будем изображать в поперечном разрезе.

Начала катушек присоединены к трем линейным проводам и обозначены буквами A,B,C. Концы катушек обозначены X, Y, Z и соединены в одной точке, то есть катушки соединены звездой.

Графики токов проходящих по катушкам имеют представлены на рисунке. Мгновенные значения токов положительного направления расположены выше оси времени, а отрицательные то есть противоположного, ниже оси времени.

Проанализируем направление суммарного магнитного поля катушек в несколько последовательных моментов времени.

На рисунке при положительном направлении тока на начале катушки стоит “ + “, а на конце катушки стоит “ . “. При отрицательном направлении тока в катушке обозначения обратные: на начале катушки стоит “ .”, а на конце “ + “.

Направление силовых линий суммарного магнитного поля катушек определяется по правилу буравчика.

Выберем три последовательных момента времени:

1=> A = 0, B < 0, C > 0;

2=> C = 0, A > 0, B < 0;

3=> B = 0, A > 0, c < 0.

Вмомент времени 1 распределение токов и направление суммарного магнитного поля имеет следующий вид:

В момент времени 2 распределение токов и направление суммарного магнитного поля имеет следующий вид:

В момент времени 3 распределение токов и направление суммарного магнитного поля имеет следующий вид:

Сравнивая эти рисунки мы видим, что магнитное поле в пространстве между катушками повернулось против часовой стрелки на 1200. Аналогично рассмотрев направления токов в катушках в другие моменты времени можно увидеть, магнитное поле поворачивается на 3600.

Из этих рисунков видно, что у результирующего поля имеется два полюса. Вращающееся магнитное поле создаваемое тремя катушками называется двухполюсным.

Частота его вращения равна частоте трехфазного тока, который образует это поле. При частоте тока 50 Гц двухполюсное поле вращается с частотой 50 об/с или 3000 об/мин.

Вращающееся магнитное поле может быть двух-, четырех-, шести- и так далее полюсным. Это достигается увеличением числа катушек в каждой фазе. Катушки в каждой фазе включаются последовательно. При шести катушках (по две в каждой фазе) получается четырехполюсное магнитное поле. Частота вращения будет в этом случае 1500 об/мин.

Чачтота вращения магнитного поля определяется:

n = 60f/p,

где n - частота вращения в об/мин; f - частота трехфазного переменного тока; p - число пар полюсов. Частота вращения многополюсного магнитного поля относительно обмоток статора, называется

синхронной частотой.

УСТРОЙСТВО АСИНХРОННЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ.

Асинхронный электродвигатель состоит из неподвижной (статора) и вращающейся (ротора - 3) частей, а также подшипников (4) и щитка для подвода электрической энергии (5).

Основными деталями статора являются корпус (1) и сердечник с обмоткой (2). Корпус отливают из алюминия (для маломощных двигателей) или из чугуна. Сердечник статора представляет собой полый цилииндр, набранный из стальных пластин, имеющих вид кольца и изолированных друг от друга лаком. Они образуют неподвижную часть магнитопровода. Пластины стягиваются болтами. Выполнение магнитопровода из отдельных пластин уменьшает потери мощности в стали, вызываемые вихревыми токами.

Стальной сердечник магнитопровода статора закрепляется в стальном или алюминиевом корпусе, охватывающим его со всех сторон. С торцов сердечник магнитпровода закрывается крышками в которых имеются места для подшипников.

При штамповке стальных пластин на внутренней их стороне делают выступы различной формы. В результате при сборке на внутренней поверхности цилиндра статора получаются пазы, направленные вдоль образующей цилиндра.

В пазы закладывают обмотку статора, которая у трехфазных асинхронных двигателей состоит из трех фазных обмоток, смещенных по окружности цилиндра друг относительно друга на 1200.

Начала и концы фазных обмоток выводят внаружу и присоединяются к зажимам специального щитка. Выводы обмоток маркируются следующим образом:

		С1	С2	С3
		С6	С4	С5
Эти обозначения расшифровываются следующим образом:
Фаза			Начало обмотки		Конец обмотки
А			С1		С4
B			С2		С5
С			С3		С6