|
|
лекции. Лекции Общая электротехника. Лекции по дисциплине Общая электротехника для студентов специальностей
3) Режимы работы трансформатора
Режим холостого хода трансформатора
Режимом холостого ходатрансформатора называется такой режим, когда его вторичная обмотка разомкнута, т. е. нагрузка отсутствует. В режиме холостого хода к первичной обмотке подведено напряжение u1 по ней протекает ток холостого хода i0, aпо магнитопроводу замыкается магнитный поток Ф, индуцирующий в первичной обмотке э. д. с. е1 и во вторичной - е2. Так как вторичная обмотка разомкнута, ток по ней не протекает.
Ток холостого хода.
На практике при протекании по первичной обмотке переменного тока изменение магнитного потока определяется петлей гистерезиса. Это обусловливает отставание изменений магнитного потока от изменений тока (магнитодвижущей силы). Гистерезис влияет и на ток холостого хода. На рис. 11 показано графическое определение тока холостого хода.
Построение ведется аналогично представленному на рис. 9. На рис. 11, б показана только часть петли гистерезиса, соответствующая положительным значениям магнитного потока (стрелочками показаны восходящая и нисходящая ветви петли гистерезиса). Восходящая ветвь соответствует четверти периода, когда магнитный поток увеличивается, а нисходящая - четверти периода, когда магнитный поток уменьшается.
Рис. 11. Графическое определение тока холостого хода при синусоидальном магнитном потоке
Ток холостого хода i0 = f(t) несинусоидален, так как основную его долю составляет намагничивающий ток. Эквивалентный синусоидальный ток холостого хода будет опережать синусоидальный магнитный поток, так как через нулевые значения ток проходит раньше, чем магнитный поток (при t = 0, Ф = 0, а ток i0 > 0). Эта активная составляющая тока совпадает по фазе с напряжением  (рис. 12).
Составляющая  определяет ту часть электроэнергии, которая преобразуется в тепловую, затрачиваемую на нагрев магнитопровода, обусловленный его перемагничиванием.
Магнитопровод нагревается также за счет вихревых токов  . Эта часть тепловых потерь энергии компенсируется активной составляющей тока источника, протекающей по первичной обмотке трансформатора. Таким образом, активная составляющая тока холостого хода  .
Потери мощности холостого хода,затрачиваемые на нагрев магнитопровода равны:
 .
Рис. 12. Векторная диаграмма первичной обмотки трансформатора
с учетом потерь в стальном магнитопроводе
Так как эти потери пропорциональны sinc, то угол С называется углом потерь в стали магнитопровода. При выполнении магнитопровода из специальной электротехнической листовой стали этот угол равен 5 - 10°, а ток холостого хода практически равен намагничивающему току (I0 I). В силовых трансформаторах малой мощности ток холостого хода не превышает 10% от номинального тока первичной обмотки, а у трансформаторов большой мощности он уменьшается до 2,53%. Хотя ток холостого хода невелик, его большая индуктивная составляющая снижает коэффициент мощности энергосистемы, а высшие гармоники неблагоприятно воздействуют на работу электрооборудования.
Короткое замыкание трансформатора
Режимом короткого замыкания трансформатора называется такой режим, когда выводы вторичной обмотки замкнуты токопроводом с сопротивлением, равным нулю Zн = 0. Короткое замыкание трансформатора в условиях эксплуатации создает аварийный режим, так как вторичный ток, а, следовательно, и первичный увеличиваются в несколько десятков раз по сравнению с номинальным. Поэтому в цепях с трансформаторами предусматривают защиту, которая при коротком замыкании автоматически отключает трансформатор.
В лабораторных условиях можно провести испытательное короткое замыкание трансформатора, при котором накоротко замыкают зажимы вторичной обмотки, а к первичной подводят такое напряжение Uк, при котором ток в первичной обмотке не превышает номинального значения Ik = I1ном. При этом выраженное в процентах напряжение UK, при котором Ik = I1ном, обозначают uк и называют напряжением короткого замыкания трансформатора. Это характеристика трансформатора, указываемая в паспорте:
Напряжение короткого замыкания зависит от высшего напряжения обмоток трансформатора. Так, например, при высшем напряжении 6 - 10 кВ uк = 5,5%, при 35 кВ, uк = 6,5 - 7,5%, при 110 кВ, uк - 10,5% и т. д.
Как видно, с повышением номинального высшего напряжения увеличивается напряжение короткого замыкания трансформатора.
При напряжении uк, составляющем 5 - 10% от номинального первичного напряжения, намагничивающий ток (ток холостого хода) уменьшается в 10 - 20 раз или еще более значительно. Поэтому в режиме короткого замыкания считают, что  . Основной магнитный поток Ф также уменьшается в 10 - 20 раз, и потоки рассеяния обмоток становятся соизмеримыми с основным потоком.
Так как при коротком замыкании вторичной обмотки трансформатора напряжение на ее зажимах U2 = 0, уравнение э. д. с. для нее принимает вид
a уравнение, определяющее напряжение, записывается как:
Лекция 13. Машины постоянного тока
1. Устройство электрической машины постоянного тока
Электрическая машина постоянного тока состоит из двух основных частей: неподвижной части (индуктора) и вращающейся части (якоряс барабанной обмоткой).
На рис. 1 изображена конструктивная схема машины постоянного тока
Рис. 1 Конструктивная схема машины постоянного тока
Индуктор состоит из станины 1 цилиндрической формы, изготовленной из ферромагнитного материала, и полюсов с обмоткой возбуждения 2, закрепленных на станине. Обмотка возбуждения создает основной магнитный поток.
Магнитный поток может создаваться постоянными магнитами, укрепленными на станине.
Якорь состоит из следующих элементов: сердечника 3, обмотки 4, уложенной в пазы сердечника, коллектора 5.Сердечник якоря для уменьшения потерь на вихревые точки набирается из изолированных друг от друга листов электротехнической стали.
2. Принцип действия машины постоянного тока
Рассмотрим работу машины постоянного тока на модели рис.2,
где 1 - полюсы индуктора, 2 - якорь, 3 - проводники, 4 - контактные щетки.
Проводники якорной обмотки расположены на поверхности якоря. Очистим внешние поверхности проводников от изоляции и наложим на проводники неподвижные контактные щетки.
Контактные щетки размещены на линии геометрической нейтрали, проведенной посредине между полюсами.
Приведем якорь машины во вращение в направлении, указанном стрелкой.
Рис. 2
Определим направление ЭДС, индуктированных в проводниках якорной обмотки по правилу правой руки.
На рис. 2 крестиком обозначены ЭДС, направленные от нас, точками - ЭДС, направленные к нам. Соединим проводники между собой так, чтобы ЭДС в них складывались. Для этого соединяют последовательно конец проводника, расположенного в зоне одного полюса с концом проводника, расположенного в зоне полюса противоположной полярности (рис. 3)
Рис. 3
Два проводника, соединенные последовательно, образуют один виток или одну катушку. ЭДС проводников, расположенных в зоне одного полюса, различны по величине. Наибольшая ЭДС индуктируется в проводнике, расположенном под срединой полюса, ЭДС, равная нулю, - в проводнике, расположенном на линии геометрической нейтрали.
Если соединить все проводники обмотки по определенному правилу последовательно, то результирующая ЭДС якорной обмотки равна нулю, ток в обмотке отсутствует. Контактные щетки делят якорную обмотку на две параллельные ветви. В верхней параллельной ветви индуктируется ЭДС одного направления, в нижней параллельной ветви - противоположного направления. ЭДС, снимаемая контактными щетками, равна сумме электродвижущих сил проводников, расположенных между щетками.
 Рис. 4
На рис. 4 представлена схема замещения якорной обмотки.
В параллельных ветвях действуют одинаковые ЭДС, направленные встречно друг другу. При подключении к якорной обмотке сопротивления в параллельных ветвях возникают одинаковые токи , через сопротивление RH протекает ток IЯ.
ЭДС якорной обмотки пропорциональна частоте вращения якоря n2 и магнитному потоку индуктора Ф
(1)
где Се - константа.
В реальных электрических машинах постоянного тока используется специальное контактное устройство - коллектор. Коллектор устанавливается на одном валу с сердечником якоря и состоит из отдельных изолированных друг от друга и от вала якоря медных пластин. Каждая из пластин соединена с одним или несколькими проводниками якорной обмотки. На коллектор накладываются неподвижные контактные щетки. С помощью контактных щеток вращающаяся якорная обмотка соединяется с сетью постоянного тока или с нагрузкой.
3. Работа электрической машины постоянного тока в режиме генератора
Любая электрическая машина обладает свойством обратимости, т.е. может работать в режиме генератора или двигателя. Если к зажимам приведенного во вращение якоря генератора присоединить сопротивление нагрузки, то под действием ЭДС якорной обмотки в цепи возникает ток
где U - напряжение на зажимах генератора; Rя – сопротивление обмотки якоря.
(2)
Уравнение (2) называется основным уравнением генератора. С появлением тока в проводниках обмотки возникнут электромагнитные силы.
На рис. 5 схематично изображен генератор постоянного тока, показаны направления токов в проводниках якорной обмотки.
Рис. 5
Воспользовавшись правилом левой руки, видим, что электромагнитные силы создают электромагнитный момент Мэм, препятствующий вращению якоря генератора. Чтобы машина работала в качестве генератора, необходимо первичным двигателем вращать ее якорь, преодолевая тормозной электромагнитный момент.
4. Генераторы с независимым возбуждением. Характеристики генераторов
Магнитное поле генератора с независимым возбуждением создается током, подаваемым от постороннего источника энергии в обмотку возбуждения полюсов. Схема генератора с независимым возбуждением показана на рис. 6.
Магнитное поле генераторов с независимым возбуждением может создаваться от постоянных магнитов (рис. 7).
Рис. 6 Рис. 7
Зависимость ЭДС генератора от тока возбуждения называется характеристикой холостого хода E = Uхх = f (Iв).
Характеристику холостого хода получают при разомкнутой внешней цепи (Iя) и при постоянной частоте вращения (n2 = const)
Характеристика холостого хода генератора показана на рис. 8.
Из-за остаточного магнитного потока ЭДС генератора не равна нулю при токе возбуждения, равном нулю.
При увеличении тока возбуждения ЭДС генератора сначала возрастает пропорционально.
Соответствующая часть характеристики холостого хода будет прямолинейна. Но при дальнейшем увеличении тока возбуждения происходит магнитное насыщение машины, отчего кривая будет иметь изгиб. При последующем возрастании тока возбуждения ЭДС генератора почти не меняется. Если уменьшать ток возбуждения, кривая размагничивания не совпадает с кривой намагничивания из-за явления гистерезиса.
Зависимость напряжения на внешних зажимах машины от величины тока нагрузки
U = f (I) при токе возбуждения Iв = const называют внешней характеристикой генератора.
Внешняя характеристика генератора изображена на рис. 9.
Рис. 8 Рис. 9
С ростом тока нагрузки напряжение на зажимах генератора уменьшается из-за увеличения падения напряжения в якорной обмотке.
5. Генераторы с самовозбуждением. Принцип самовозбуждения генератора с параллельным возбуждением
Недостатком генератора с независимым возбуждением является необходимость иметь отдельный источник питания. Но при определенных условиях обмотку возбуждения можно питать током якоря генератора.
Самовозбуждающиеся генераторы имеют одну из трех схем: с параллельным, последовательным и смешанным возбуждением. На рис. 10 изображен генератор с параллельным возбуждением.
Рис. 10 генератор с параллельным возбуждением.
Обмотка возбуждения подключена параллельно якорной обмотке. В цепь возбуждения включен реостат Rв. Генератор работает в режиме холостого хода.
Чтобы генератор самовозбудился, необходимо выполнение определенных условий.
1. Наличие остаточного магнитного потока между полюсами. При вращении якоря остаточный магнитный поток индуцирует в якорной обмотке небольшую остаточную ЭДС.
2. Согласное включение обмотки возбуждения. Обмотки возбуждения и якоря должны быть соединены таким образом, чтобы ЭДС якоря создавала ток, усиливающий остаточный магнитный поток. Усиление магнитного потока приведет к увеличению ЭДС. Машина самовозбуждается и начинает устойчиво работать с каким-то током возбуждения Iв = const и ЭДС Е = const, зависящими от сопротивления Rв в цепи возбуждения.
3. Сопротивление цепи возбуждения при данной частоте вращения должно быть меньше критического. Изобразим на рис. 11 характеристику холостого хода генератора E = f (Iв) (кривая 1) и вольт - амперную характеристику сопротивления цепи возбуждения Uв = Rв·Iв, где Uв - падение напряжения в цепи возбуждения. Эта характеристика представляет собой прямую линию 2, наклоненную к оси абсцисс под углом γ (tg γ
Rв).
Рис. 11 характеристика холостого хода генератора
Ток обмотки возбуждения увеличивает магнитный поток полюсов при согласном включении обмотки возбуждения. ЭДС, индуцированная в якоре, возрастает, что приводит к дальнейшему увеличению тока обмотки возбуждения, магнитного потока и ЭДС. Рост ЭДС от тока возбуждения замедляется при насыщении магнитной цепи машины.
Падение напряжения в цепи возбуждения пропорционально росту тока. В точке пересечения характеристики холостого хода машины 1 с прямой 2 процесс самовозбуждения заканчивается. Машина работает в устойчивом режиме.
Если увеличить сопротивление цепи обмотки возбуждения, угол наклона прямой 2 к оси тока возрастает. Точка пересечения прямой с характеристикой холостого хода смещается к началу координат. При некотором значении сопротивления цепи возбуждения Rкр, когда
γ = γкр, самовозбуждение становится невозможным. При критическом сопротивлении вольт - амперная характеристика цепи возбуждения становится касательной к прямолинейной части характеристики холостого хода, а в якоре появляется небольшая ЭДС.
6. Работа электрической машины постоянного тока в режиме двигателя. Основные уравнения
Под действием напряжения, подведенного к якорю двигателя, в обмотке якоря появится ток Iя. При взаимодействии тока с магнитным полем индуктора возникает электромагнитный вращающий момент
где CM - коэффициент, зависящий от конструкции двигателя.
На рис. 12 изображен схематично двигатель постоянного тока, выделен проводник якорной обмотки.
Рис. 12 двигатель постоянного тока
Ток в проводнике направлен от нас. Направление электромагнитного вращающего момента определится по правилу левой руки. Якорь вращается против часовой стрелки. В проводниках якорной обмотки индуцируется ЭДС, направление которой определяется правилом правой руки. Эта ЭДС направлена встречно току якоря, ее называют противо-ЭДС. В установившемся режиме электромагнитный вращающий момент Мэм уравновешивается противодействующим тормозным моментом М2 механизма, приводимого во вращение.
Рис. 13 схема замещения якорной обмотки двигателя
На рис. 13 показана схема замещения якорной обмотки двигателя. ЭДС направлена встречно току якоря. В соответствии со вторым законом Кирхгофа , откуда
. (3)
Уравнение (3) называется основным уравнением двигателя. Из уравнения (3) можно получить формулы:
(4)
(5)
Магнитный поток Ф зависит от тока возбуждения Iв, создаваемого в обмотке возбуждения. Из формулы (5) видно, что частоту вращения двигателя постоянного тока n2 можно регулировать следующими способами:
1. изменением тока возбуждения с помощью реостата в цепи обмотки возбуждения;
2. изменением напряжения U на зажимах якорной обмотки.
Чтобы изменить направление вращения двигателя на обратное (реверсировать двигатель), необходимо изменить направление тока в обмотке якоря или индуктора.
|
|
|
Скачать 4.27 Mb.