книги / Электромонтер по обслуживанию буровых установок

ключаются к трехфазной сети переменного тока. Катушки мо­ гут быть соединены и треугольником.

По катушкам протекают синусоидальные токи с одинако­ выми амплитудами (/max) и частотой (со = 2я/), фазы которых смещены на 73 периода (рис. 32,6).

Токи, протекающие в катушках, возбуждают переменные магнитные поля, магнитные линии которых будут пронизывать катушки в направлении, перпендикулярном к их плоскостям. Следовательно, средняя магнитная линия или ось магнитного поля, создаваемого катушкой Ах, будет направлена под углом ■90° к плоскости этой катушки. Направления магнитных полей всех трех катушек показаны на рис. 32, а векторами ВА, Вв и Вс, сдвинутыми один относительно другого также на 120° Ус­ ловимся считать положительными направления токов в катуш­ ках от начала к концу обмотки каждой фазы. При этом в про­ водниках статора, подключенных к начальным точкам А, В и С, токи, принятые положительными, будут направлены на зри­ теля, а в проводниках, подключенных к конечным точкам х, уу z y— от зрителя (рис. 32, в). Положительным направлениям то­ ков будут соответствовать положительные направления магнит­ ных полей, показанные на том же рисунке и определяемые по правилу буравчика. На рис. 32,6 приведены кривые токов всех трех катушек, которые позволяют найти мгновенные значения тока каждой катушки для любого момента времени.

Не касаясь количественной стороны явления, определим сна­ чала направление магнитного поля, созданного трехфазным то­ ком, для различных моментов времени. В момент £=0 ток в ка­ тушке Ах равен нулю, в катушке By отрицателен, в катушке Сг положителен. Следовательно, в этот момент тока в провод­ никах А и х нет, в проводниках С и г он имеет положительное направление, а в проводниках В и у — отрицательное направле­ ние. На рис. 32, в показано магнитное поле трехфазной обмотки в различные моменты времени, из которого видно, что во вре­ мени происходит непрерывное и равномерное изменение на­ правления магнитных линий магнитного поля, созданного трех­ фазной обмоткой, т. е. это магнитное поле вращается с постоян­ ной скоростью. В нашем случае магнитное поле вращается по часовой стрелке. Если изменить чередование фаз трехфазной обмотки, т. е. изменить подключение к сети любых двух или трех катушек, то изменится и направление вращения магнит­ ного поля.

Магнитный поток, создаваемый трехфазной системой пере­ менного тока в симметричной системе катушек, является по­ стоянной величиной и в любой момент времени

Ф = — Ф тах,

2

где Фтах — максимальный поток одной фазы.

Если частота тока /, то магнитный поток трехфазной об­ мотки совершит / об/с или 60/ об/мин, т. е.

пх= 60/,

где п\ — число оборотов вращающегося магнитного поля

в 1 мин.

Если обмотка имеет р пар полюсов, то /zi = 60//p.

Контрольные вопросы

1. Назовите условия, необходимые для протекания электрического тока.

2.Как влияет изменение температуры на величину сопротивления провод­

ника?

3.Сформулируйте закон Ома для электрической цепи.

4.Сформулируйте законы Кирхгофа. Для каких расчетов они применя­

ются?

5.В чем заключается закон Джоуля—Ленца для электрической цепи?

6.Назовите величины, характеризующие магнитное поле.

7.Дайте определение действующего значения переменного тока.

8.В чем заключается правило Ленца для индуктивной цепи переменного

тока?

9. В каких цепях переменного тока возникают резонансы токов и напря­ жений?

10. Какие преимущества имеют трехфазные системы переменного тока пе­ ред однофазными?

Г л а в а III

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ

§ 1. ТРАНСФОРМАТОРЫ

Принцип действия и устройство трансформатора

Трансформатором называется статический электромагнитный аппарат, преобразующий переменный ток одного напряжения в переменный ток той же частоты, но другого напряжения. Действие трансформатора основано на явлении электромаг­ нитной индукции.

Если первичную обмотку трансформатора включить в сеть источника переменного тока, то (при разомкнутой вторичной обмотке) по ней будет протекать переменный ток (ток холо­ стого хода), который возбудит в сердечнике трансформатора переменный магнитный поток.

Магнитный поток, пронизывая витки вторичной обмотки трансформатора, будет индуктировать в этой обмотке э. д. с. Если вторичную обмотку замкнуть на какой-либо приемник энергии, то под действием индуктированной э. д. с. Е2 по этой

62

а

6

Рис. 33. Устройство трансформатора:

а — стержневой	магнитопровод; б — броневой магнитопровод; в —
схема работы трансформатора
обмотке и через	приемник энергии будет протекать ток / 2. Од­
новременно увеличится ток первичной обмотки / 4.

Для улучшения магнитной связи между первичной и вто­ ричной обмотками они помещаются на стальном магнитопроводе. Для уменьшения потерь от вихревых токов магнитопроводы трансформаторов собираются из тонких пластин (толщиной 0,35—0,5 мм) трансформаторной стали, покрытых жаростойким лаком. Трансформаторная сталь может быть как горячекатаной, так и холоднокатаной. Холоднокатаная сталь имеет высокую магнитную проницаемость.

В зависимости от формы магнитопровода и расположения обмоток на нем трансформаторы могут быть стержневыми и броневыми. Магнитопровод стержневого однофазного трансфор­ матора имеет два стержня, на которых помещены его обмотки (рис. 33,а). Эти стороны соединены ярмом с двух сторон так,

что магнитный поток замыкается через сталь.			трансформатора
Магнитопровод	броневого однофазного
(рис. 33, б) имеет	один стержень,	на котором	полностью раз­
мещены обмотки трансформатора.		Стержень с двух сторон ох­

ватывается (бронируется) ярмом так, что обмотка частично за­ щищена сердечником от механических повреждений.

Трансформаторы большой мощности в настоящее время из­ готовляет исключительно стержневыми, так как у них проще

изоляция обмоток	высшего напряжения от сердечника,	чем
в броневых.	трансформаторов собираются встык	или
Магнитопроводы

внахлестку. В паспорте трансформатора указаны его номиналь­ ные полная мощность S (в В -A или кВ-А), напряжения Ut и (в В или кВ) и токи h и / 2 (в А) при полной нагрузке.

Номинальной мощностью трансформатора называется пол­ ная мощность, отдаваемая его вторичной обмоткой или полной

(номинальной) нагрузке.

Трансформаторы большой мощности устраивают с масля­ ным охлаждением, для чего помещают их в металлические баки, наполненные минеральным (нефтяным) маслом. Для уве­ личении охлаждающей поверхности в стенки баков вваривают стальные трубы или радиаторы. Изменение температуры масла

в трансформаторе приводит к изменению его уровня. В связи с этим баки трансформаторов снабжаются расширителем, пред­ ставляющим собой цилиндрический сосуд из листовой стали, который устанавливается над крышкой бака и соединяется с ним патрубком. Объем расширителя составляет 10 % объема масла в баке. При изменениях температуры уровень масла из­ меняется только в расширителе, в результате чего уменьшается поверхность масла, соприкасающаяся с воздухом, и масло пре­ дохраняется в значительной мере от загрязнения и увлажнения.

Рабочий процесс трансформатора

При работе трансформатора под нагрузкой (рис. 33, в) в первичной и во вторичной его обмотках протекают токи, со­ здающие потоки рассеяния Ф^ и ФвгПотоки рассеяния сцеп­ лены только с витками той обмотки, током которой они созда­ ются, и всегда много меньше основного потока Фо, замыкаю­ щегося по магнитопроводу трансформатора (стали), так как потоки рассеяния проходят через немагнитную среду.

Основной магнитный поток Фо, пронизывая витки первичной и вторичной обмоток, индуктирует в них э. д. с., зависящие от числа витков обмотки, амплитуды магнитного потока и частоты его изменения. Действующие значения э. д. с. обмоток:

£ 1 = 4 ,4 4 ^ Ф м и £ 2 = 4,44Г2/Ф„,

где £ | и £ г — действующие значения э. д. с. первичной и вторич­ ной обмоток; Wi и W2— числа витков этих обмоток; f — частота тока; Фм — амплитуда магнитного потока в сердечнике, Вб.

Так как потоки рассеяния и падения напряжения в сопро­ тивлениях обмоток трансформатора очень малы, то прибли­ женно можно считать, что напряжения на зажимах первичной Ui и вторичной U2 обмоток равны э. д. с. этих обмоток, т. е.

Ui = Ei и и 2 = Е2.

При холостом ходе трансформатора оба напряжения прак­ тически не отличаются по величине от соответствующих э. д. с. По этой причине отношение напряжений на зажимах первичной и вторичной обмоток трансформатора при холостом ходе назы­ вается коэффициентом трансформации

к	Уг	Е1	4,44^/Ф м	У ,	г50)
	Uа	£ а	4,44 й72/Ф „	W2	{

Если число витков Wi>W2, то трансформатор называется понижающим, если то повышающим.

Наиболее простой способ регулирования напряжения транс­ форматора — изменение числа витков одной из обмоток, чаще обмотки высшего напряжения. Число витков изменяется обычно в пределах ± 5 % от номинального. Для этой цели от одного из концов обмотки делают отводы.

Первичная и вторичная обмотки трансформатора электриче­ ски не соединены. Однако надо иметь в виду, что за счет маг­ нитной связи между этими обмотками изменение тока во вто­ ричной обмотке / 2 будет вызывать соответствующее изменение тока первичной обмотки Л. Если увеличится ток во вторичной обмотке, то увеличится ток и в первичной обмотке.

Ток /о, протекающий по первичной обмотке трансформатора, при разомкнутой вторичной цепи называется током холостого хода, который значительно меньше номинального тока транс­ форматора.

По первичной и вторичной обмоткам при нагрузке проте­ кают численно неравные токи. Если пренебречь потерями мощ­ ности в трансформаторе, то можно записать, что мощность, от­ даваемая трансформатором приемнику энергии У2/ 2, равна мощности, потребляемой им из сети источника энергии LJJu т. е.

t v . « а д .
откуда
I2II1 = U1/U2^ W 1W2 = k и / 2 == kl\,	(51)

Пренебрегая падением напряжения в сопротивлениях пер­ вичной обмотки трансформатора, можно допустить, как это было показано выше, при любой его нагрузке приближенное равенство абсолютных величин приложенного напряжения £Л и уравновешивающей это напряжение э. д. с. первичной обмотки, т. е.

=	(52)
На основании этого равенства можно сказать, что при неиз­
менном по величине приложенном напряжении	будет при­

близительно неизменной э. д. с. Еi, индуктируемая в первичной

обмотке трансформатора при любой его	нагрузке. А так	как
э. д. с. Ei зависит от магнитного потока	Фм, то магнитный	по­

ток в магнитопроводе трансформатора при любом изменении нагрузки будет приблизительно неизменным.

Ток / 2, протекающий по'вторичной обмотке при нагрузке трансформатора, создает свой магнитный поток, который со­ гласно закону Ленца направлен встречно магнитному потоку в сердечнике, стремясь его уменьшить. Чтобы результирующий магнитный поток в сердечнике остался неизменным, встречный магнитный поток вторичной обмотки должен быть уравновешен магнитным потоком первичной обмотки.

Следовательно, при увеличении тока вторичной обмотки / 2 возрастает размагничивающий магнитный поток этой обмотки и одновременно повышается как ток первичной обмотки Л, так и магнитный поток, создаваемый этим током. Так как магнитный поток первичной обмотки уравновешивает размагничивающий поток вторичной обмотки, то результирующий магнитный поток в сердечнике поддерживается неизменным.

Трехфазные трансформаторы

Трехфазные трансформаторы изготовляют главным образом стержневыми.

Схема трехфазного стержневого трансформатора приведена на рис. 34.

На каждом стержне трехфазного трансформатора размеща­ ются обмотки высшего и низшего напряжения одной фазы. Стержни соединяются между собой ярмом сверху и снизу. На­ чало фаз обмоток высшего напряжения обозначаются буквами Л, В и С; концы фаз обмоток высшего напряжения — х, у, z. Если обмотка высшего напряжения имеет выведенную нулевую точку, то этот зажим обозначается буквой О.

Зажимы обмоток низшего напряжения обозначаются бук­ вами; а, Ь, с — начало фаз и х, у, z — концы фаз; О — вывод ну­ левой точки. Обмотки трехфазных трансформаторов могут быть соединены звездой и треугольником.

Группы трехфазных трансформаторов зависят от схем со­ единения обмоток, обозначения зажимов фаз обмоток высшего

инизшего напряжений и от направления намоток. Если направ­ ление намоток витков обмоток высшего и низшего напряжения одинаково, то э. д. с., индуктируемые в фазах обмоток высшего

инизшего напряжения, совпадают по фазе; если же обмотки имеют встречное направление намотки, то э. д. с. фаз высшего

инизшего напряжения находятся в противофазе.

Рис. 34. Схема трехфазного трансформатора:

а —три однофазных трансформатора; б —три однофазных трансфор­ матора, объединенных в одни магнитопровод; 0 ~~ схема трехфазного стержневого трансформатора

В СССР стандартными группами являются следующие:

Y / д - и ;	Y / A - H
Цифра 0 показывает, что угол	между векторами линейных

э. д. с. обмоток высшего и низшего напряжений равен 12-30° = = 360° или 0, цифра 11 —11 -30° = 330° или 30°.

Опыт холостого хода и короткого замыкания

Для испытания трансформатора основными являются: опыт холостого хода и опыт короткого замыкания. При опыте холо­

стого хода (рис. 35, а)	его вторичная обмотка разомкнута и
тока в этой обмотке нет	(/2 = 0 ), а первичная обмотка включена

в сеть источника электрической энергии переменного тока. В та­ ких условиях в первичной обмотке протекает ток холостого хода /о, который представляет собой малую величину по сравнению с номинальным током трансформатора. В трансформаторах больших мощностей / о может достигнуть значений порядка 5— 10 % /ном. В трансформаторах малых мощностей этот ток до­ стигает значения 25—30 % /ном.

По данным опыта холостого хода определяется сила тока холостого хода /о, потери в стали сердечника рст и коэффи­ циент трансформации k (k=Ui/U2o).

При холостом ходе вследствие малого значения силы тока холостого хода /о вся мощность практически затрачивается на покрытие потерь в магнитопроводе, вызываемых гистерезисом

и вихревыми токами. Поэтому коэффициент		мощности cosqpo
в режиме холостого хода мал и обычно равен 0,2—0,3.
Значения	/о, рСт, Uu V2 0 определяются	соответствующими
приборами:	амперметром, ваттметром, вольтметрами.

При опыте короткого замыкания (рис. 35,6) вторичная об­ мотка трансформатора замкнута накоротко, т. е. напряжение на зажимах вторичной обмотки равно нулю. Первичная обмотка включается в сеть с таким пониженным напряжением, при кото­ ром токи в обмотках равны номинальным. Такое пониженное

Рис. 35. Схемы испытаний трансформатора:

а — опыт холостого хода; б — опыт короткого замыкания

напряжение называется напряжением короткого замыкания UK. Это напряжение обычно составляет 5—10 % номинального зна­ чения.

По данным опыта короткого замыкания определяются на­ пряжение короткого замыкания UK, потери на нагревание транс­ форматора при номинальном токе рк, активное гк, реактивное хк и полное 2К сопротивления трансформатора при коротком замыкании.

Коэффициент полезного действия трансформатора

Коэффициентом полезного действия (к. п. д.) или отдачей трансформатора называется отношение полезной мощности трансформатора Р 2 к мощности, потребляемой им из сети ис­ точника электрической энергии Рь т. е.

г] = Р2/Р1.

(53)

Потребляемая мощность Pi всегда больше полезной Р 2 на ве­ личину потерь в трансформаторе. Потери в трансформаторе складываются из потерь в стали магнитопровода рст и потерь в обмотках роб.

Тогда

	Рх = РгЧ'Рсг + Роб>	(54)
	Полезная мощность однофазного трансформатора
	P2 = U212cos <р2,	(55)
	а трехфазного
	Р 2 = ^ 3 U2/ 2cos ф2.	(56)
	Следовательно, к. п. д. для однофазного трансформатора
	Т ) = _______U J a cos <Ра_______	(57)
	UJ a COS ф2 -f- Рст “I- Роб
	и для трехфазного трансформатора
	V 3 U2I 2cos ф2________	^

U2rscos ф2 + Рст + Роб

Наибольший к. п. д. трансформатора будет при нагрузке, для которой потери в стали равны потерям в обмотках. У со­ временных трансформаторов к. п. д. высок и составляет при полной нагрузке 95—99,5 %.

Автотрансформаторы

В конструктивном отношении автотрансформатор подобен трансформатору. Принципиальная схема понижающего авто­ трансформатора показана на рис. 36.

•68

При холостом ходе h = О, прене­ брегая падением напряжения в со­ противлениях первичной обмотки, можно записать уравнения равно­ весия напряжений для первичной и вторичной обмоток в следующем виде:

U1 = E1 = A,4WJ Ф„; i/ 2 = £ 2 = 4 ,4 4 ^ Ф м.

От

~н

Рис. 36. Схема автотрансфор­ матора

Отношение напряжения первич­ ной и вторичной обмоток при холостом ходе называется коэф­

фициентом трансформации автотрансформатора, т. е.

k = U1/U t& W 1/W2.

Если вторичную обмотку автотрансформатора замкнуть на какой-либо приемник энергии, то во вторичной цепи будет про­ текать ток h. Пренебрегая потерями энергии, можно принять полную мощность, потребляемую автотрансформатором из сети, равной мощности, отдаваемой во вторичную сеть, т. е.

S = [ /1/ 1 = t/2/ 2,

откуда

/ х/ / 2 = WJWx — Ilk.

Таким образом, основные соотношения трансформатора ос­ таются без изменения в автотрансформаторах.

Вобщей части обмотки а—х, принадлежащей сети высшего

инизшего напряжений, протекают токи h и h, причем эти токи направлены встречно.

Если пренебречь током холостого хода, величина которого очень мала, то можно считать, что токи h и h сдвинуты по фазе на 180°, и сила тока /12 в части обмотки а—х равна ариф­

метической разности сил токов вторичной и первичной сетей, т. е.

Преимуществом автотрансформатора перед трансформато­ ром той же полезной мощности является меньший расход ак­ тивных материалов — обмоточного провода и стали, меньшие потери энергии, более высокий к. п. д., меньшее изменение на­ пряжения при изменениях нагрузки.

К недостаткам автотрансформатора следует отнести: малое сопротивление короткого замыкания, что обусловливает боль­ шие значения токов короткого замыкания, возможность пере­ хода высшего напряжения в сеть низшего напряжения.

Преимущества автотрансформаторов тем значительнее, чем их коэффициент трансформации ближе к единице. Поэтому они применяются при небольших коэффициентах трансформации (6 = 1—2 ).

§ 2. МАШИНЫ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Общие положения

Электрические машины переменного тока широко приме­ няют в буровых установках для привода практически всех агре­ гатов: лебедки, насосов, вспомогательных механизмов. Электри­ ческие машины преобразуют механическую энергию в электри­ ческую или, наоборот, электрическую энергию в механическую. В первом случае такая машина называется генератором, а во втором — двигателем. Любая электрическая машина может быть использована как генератор и как двигатель. Это свой­ ство называется обратимостью электрической машины.

Электрическая машина может служить также для преобра­ зования электрической энергии одного рода тока (частоты, чи­ сла фаз переменного тока, напряжения постоянного тока) в энергию другого рода тока. Такие электрические машины на­ зываются преобразователями.

Среди машин переменного тока наиболее широко применя­ ются трехфазные синхронные и асинхронные машины.

Принцип действия электрических машин основан на исполь­ зовании законов электромагнитной индукции и электромагнит­ ных сил.

Асинхронный двигатель, принцип действия и устройство

Трехфазный асинхронный двигатель впервые сконструирован известным русским инженером М. О. Доливо-Добровольским. Асинхронный двигатель отличается простотой конструкции и надежностью. Он состоит из двух основных частей: статора и ротора. Статор — неподвижная часть, ротор — подвижная. Асин­ хронная машина в основном применяется как электродвигатель, так как в качестве генератора она практически не используется из-за неустойчивой работы и ряда других недостатков.

Действие всякой многофазной машины переменного тока основано на использовании вращающегося магнитного поля. Многофазная обмотка переменного тока создает вращающееся магнитное поле, частота которого в 1 мин

п^бО ^/Р .

Если ротор вращается с частотой вращения п2, равной ча­ стоте вращения магнитного поля (п2 = п\), т. е. синхронно с по­ лем, то такая частота вращения называется синхронной. Если частота вращения ротора не равна частоте вращения поля