уч. пособие Электротехника. Часть 2

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Рис. 4.6. Т-образная схема замещения трансформатора (а), Г-образная схема замещения трансформатора (б)

Уравнения цепи для Т- схемы имеют вид:
U1 = -Е1 + I1 (R1+jX1)	(4.21)
U 12 = Е2 – I2 (R2+jX2)	(4.22)
I1 = I10 - I2	(4.23)

Рабочие свойства трансформатора в нагрузочном режиме характеризуются зависимостями вторичного напряжения и кпд от тока во вторичной обмотке U2 = f(I2); = f(I2).

Зависимость напряжения от тока называется нагрузочной или внешней характеристикой (рисунок 4.7).

Рис.4.7. Внешняя характеристика трансформатора

Кривая 1 соответствует режиму емкостной нагрузки, кривая 2

– активной нагрузке, кривая 3 – индуктивной нагрузке.

71

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Максимальный коэффициент полезного действия трансформатора составляет 0,98 0,99 и находится из соотношения полезной мощности на нагрузке к мощности потребляемой из сети.

Рис. 4.8. Зависимость КПД трансформаторов η от нагрузки β

КПД трансформатора определяется по формуле:

= Р2/ Р1

(4.24)

где Р1 = Р2 + Рхх + Рк.з;; Р2 = U2I2cos = Sнcos 2. = I2 / I2н -

коэффициент загрузки трансформатора, S – полная мощность трансформатора измеряемая в ВА

Из графиков зависимостей к.п.д и потерь в трансформаторе в функции коэффициента загрузки видно, что потери в стали не зависят от нагрузки и являются постоянными. Потери в меди обмоток растут и изменяются по нелинейному закону. Коэффициент полезного действия будет иметь максимальное значение при равенстве указанных потерь и коэффициенте загрузки равном 0,6.

72

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

4.2.3.Вопросы для самопроверки к разделу 4.2

Что такое трансформатор?

Почему трансформатор называют статичным устройством?

Какой закон положен в основу работы трансформатора?

Какие типы трансформаторов существуют в зависимости от назначения?

Для чего служит магнитопровод в трансформаторе?

Чем отличается броневой трансформатор от тороидального?

Опишите принцип работы трансформатора?

Как называет коэффициент определяющий отношение ЭДС, наводимой в первичной обмотке, к ЭДС, наводимой во вторичной обмотке?

Чему равно действующее значение ЭДС первичной обмотки?

Почему отличаются между собой полная мощность первичной

ивторичной обмоток?

Какие существуют режимы работы трансформатора?

Что характерно для режима холостого хода трансформатора?

Чем объясняются потери в магнитопроводе?

От чего зависят потери в магнитопроводе?

Что является характерным для режима короткого замыкания?

Какие потери определяются в режиме короткого замыкания?

От чего зависят потери в обмотках?

Каким образом определяют параметры магнитной системы?

Как называется характеристика, по которой определяют рабочие свойства трансформатора?

Как определяют коэффициент загрузки трансфоматора?

73

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

4.3.Машины постоянного тока

4.3.1.Конструкция и принцип работы машины постоянного тока

Электрические машины постоянного тока предназначены как для преобразования электрической энергии в механическую энергию, так и обратно. Поэтому в первом случае они называются двигателем, а во втором – генератором.

На электрических схемах двигатель постоянного тока изображается как показано на рисунке 4.9 .

Рис. 4.9: (а) – двигатель постоянного тока с возбуждением от постоянного магнита, (б) – с обмоткой возбуждения.

Машина постоянного тока включает в себя неподвижную и вращающуюся части. В конструкцию неподвижной части, или статора входят станина, главные и дополнительные полюса, подшипниковые щиты и щеточная траверса с графитовыми или медно-графитовыми щетками.

Вращающаяся часть, или ротор, вэлектрических машинахпостоянного тока называется якорем. Якорь, снабженный коллектором, в электродвигателях играет роль преобразователя частоты, а в генераторах – выпрямителя.

Принцип работы электрических машин постоянного тока основан на использовании явления электромагнитной индукции, а также законов, которые определяют взаимодействие электрических токов и магнитных полей.

По закону электромагнитной индукции в проводнике перемещающемся перпендикулярно линиям магнитного поля будет

74

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

наводиться ЭДСе = ВVL, гдеВ –магнитная индукция [Тл ; L- длина проводника м ;V- скорость перемещения проводника м/с .

Под действием ЭДС в проводнике замкнутом на резистор возникнет ток в направлении совпадающим с направлением ЭДС (рисунок 4.10).

Рис. 4.10. Принцип работы машины постоянного тока

В результате взаимодействия проводника с током и магнитного поля возникает МДСFэм = ВLI в направлении обратном перемещению. При равномерном движении проводника вся механическая мощность преобразуется в электрическую:

мех = эл =

(4.25)

Это соотношение определяет идеальный генератор. Фактически электрическая мощность будет отличаться на значение потерь в проводнике I2R.

= − 2

(4.26)

Поделив обе части данного уравнения на ток I получим уравнения электрического состояния цепи машины постоянного тока. При замене электрической мощности на механическую знак (-) поменяется на (+), что соответствует принципу обратимости установленному Ленцем еще в 1838 году.

75

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Схема замещения МПТ в соответствии с уравнением имеет вид, как изображено на рисунке 11.

Рис. 4.11. Схема замещения МПТ

В режиме генератора электромагнитный момент Мэм противодействует вращению (рис. 4.12 а). Он уравновешивается моментом приводного двигателя Мдв (турбина, дизель и т.п.). В

режиме	двигателя	момент	действует	по	направлению
вращения(рис. 4.12 б).		При	равномерном	вращении		ему
противодействует момент сопротивления Мс					приводимого в
движение механизма (станок, вентилятор, насос и т.п.).

Рис. 4.12. Направление действия электромагнитного момента в режиме двигателя и в режиме генератора

Основное магнитное поле в электрических машинах называется полем возбуждения и создается с помощью обмоток

76

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

возбуждения, получающих питание от источников постоянного тока. Преобразование электрической энергии возможно в электрических машинах лишь при наличии силового взаимодействия между магнитными полями статора и ротора, последние должны быть неподвижны относительно друг друга при любой частоте вращения ротора.

Это достигается с помощью коллекторно-щеточного механизма. Коллектор представляет собой цилиндр, состоящий из ряда изолированных друг от друга и корпуса медных пластин, по которым скользят угольные щетки. Число пластин равно числу секций обмотки, которая укладывается в пазы.

В машинах постоянного тока ЭДС определяется по формуле:

= Φ				(4.27)
	=			(4.28)
		60

где Се – конструктивная постоянная;р – число пар полюсов; N

– число проводников; а – число параллельных ветвей соединенных проводников (т.к. обмотки бывают двух и трехслойные).

Рассмотрим работу машины постоянного тока в режиме генератора. При холостом ходе генератора постоянного тока поток Ф и соответствующая ему ЭДС зависят только от тока возбуждения. ЗависимостьЕ = (Iв) называется характеристикой холостого хода (рисунок 4.13). Если характеристику снимать сначала увеличивая ток возбуждения, а затем, уменьшая его то получится петля гистерезиса. Обычно в каталогах дается средняя линия.

Рис. 4.13. Характеристика холостого хода

77

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

При отсутствии тока возбуждения в якоре наводится ЭДС, которая составляет 2 3% от напряжения якоря.

В режиме нагрузки якорь нагружается на внешнее сопротивление проводника, ток в котором совпадает по направлению с ЭДС. Ток обмотки якоря создает свое поле, воздействующее на поле собственно машины. Данное явление называется реакцией якоря. Результирующий магнитный поток машины Ф равен сумме магнитного потока цепи возбужденияФв и цепи якоря Фя. При больших значениях тока якоря вследствие насыщения части полюсов результирующий магнитный поток несколько уменьшается. В этом случае реакция якоря называется поперечной.

Электромагнитный момент определяется из выражения:

= 0.5	= 0.5	Φ	= Φ	(4.29)
ЭМ

где: D- диаметр якоря; См– постоянная по моменту. Характеристика Uя= (Iя) называется внешней характеристикой

генератора и имеет вид как изображено на рисунке 4.14.

Рис. 4.14. Внешняя характеристика

Угенератора различают два режима:

1.Независимого возбуждения (обмотка возбуждения питается от отдельного источника напряжения)

2.Самовозбуждение (питание обмотки возбуждения от напряжения якоря)

Схемы подключения в этих режимах показаны на рисунке4.15.

78

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Рис. 4.15: (а) – независимое возбуждение; (б) – самовозбуждение.

Самовозбуждение возможно при наличии трех условий.

1.Наличие остаточной ЭДС (или остаточного магнитного потока создающего эту ЭДС).

2.Совпадение направления поля обмотки возбуждения с направлением остаточного магнитного потока.

3.Сопротивление обмотки возбуждения (при параллельном возбуждении) должно быть меньше критического, т.е. такого при котором ток возбуждения способен достигнуть значения, обеспечивающего на характеристике холостого хода заданное значение ЭДС.

По способу возбуждения электрические двигатели постоянного тока делят на четыре группы:

1.С независимым возбуждением – обмотка возбуждения питается от постороннего источника постоянного тока.

2.С параллельным возбуждением (шунтовые) – обмотка возбуждения включается параллельно источнику питания обмотки якоря.

3.С последовательным возбуждением (сериесные) – обмотка возбуждения включена последовательно с якорной обмоткой.

4.Двигатели со смешанным возбуждением (компаундные), у которых имеется последовательная и параллельная обмотки возбуждения.

4.3.2.Двигательный режим работы машины постоянного тока

Основной рабочей характеристикой двигателя постоянного тока является зависимость частоты вращения от момента на валу.

79

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

	Если в уравнение двигателя
		я = + я я					(4.30)
	подставить выражения для ЭДС и момента, то получится
	следующая зависимость:
	=		=	я	−	я	(4.31)
		Φ		Φ		Φ2

При отсутствии добавочного сопротивления в цепи якоря или нагрузки характеристика n = (M) называется естественной (рисунок 16), а с сопротивлением искусственной.Зная, как изменяются характеристики при изменении напряжения или потока, а также при изменениидобавочного сопротивления в цепи якоря, т.е. зная вид искусственных характеристик, мы можем оценить регулировочные свойства двигателя.

Рис. 4.16. Естественная характеристика

Характеристика 1 соответствует двигателю с последовательным возбуждением. При этой схеме соединения двигатель всегда должен работать под нагрузкой, так как если момент стремится к нулю, то обороты стремятся к бесконечности и двигатель пойдет в «разнос», что может привести к повреждению механической части.

80