ВСР. Внеаудиторная самостоятельная работа

• Название: Внеаудиторная самостоятельная работа
• Дата: 15.05.2023
• Размер: 1.26 Mb.
• Имя файла: ВСР.doc
• Тип: Самостоятельная работа; #1130640
• страница: 3 из 5

Тема 5.3 Электрические машины постоянного тока

Электрическая машина постоянного тока (рис. 1) состоит из неподвижной части – статора (1), подвижной части – якоря (2) и щеточно-коллекторного узла (3). В соответствии с законом электромагнитной индукции, при вращении якоря в магнитном поле полюсов в обмотке якоря наводятся переменные ЭДС, т.е. ЭДС индукции наводится в витках, движущихся в неподвижном магнитном поле.

Статор является механическим остовом машины. Станина изготавливается из литой стали. На станине укрепляются основные магнитные полюса, которые служат для создания магнитного потока, и вспомогательные – для улучшения коммутации в машине.

Главный полюс состоит из сердечника, укрепленного на станине болтами, и обмотки возбуждения, т.е. представляет собой электромагнит. Сердечник полюса изготавливается из листовой стали и на свободном конце снабжается полюсным наконечником, для создания требуемого распределения магнитного поля в воздушном зазоре машины.

Электромагниты (полюсы) создают в машине постоянное по величине и неподвижное в пространстве магнитное поле.

Путь магнитных линий в генераторе постоянного тока показан на рис. 1. Верхний полюс является южным, нижний – северным. Показанная магнитная система имеет одну пару полюсов.



Рисунок 1

Существуют и более сложные магнитные системы, содержащие два северных и два южных полюса. В этом случае направление токов в обмотках возбуждения выбирается с таким расчетом, чтобы соседние полюсы были разноименными, т.е. чтобы рядом с северным находился южный полюс и т.д. Такая магнитная система имеет две пары полюсов. Существуют машины и с большим числом полюсов, но их число будет непременно четным.

В современных электрических машинах малой мощности возбуждение осуществляется постоянными магнитами. При этом габариты машины уменьшаются, исключаются потери на нагрев обмотки возбуждения и возрастает КПД. Электрические машины с постоянными магнитами более технологичны, их производство легко автоматизировать.

Якорь машины постоянного тока представляет собой стальной зубчатый сердечник, в пазах которого расположены витки обмотки. Эти витки соединены между собой последовательно и образуют замкнутую цепь.

При вращении якоря магнитный потокосцепление будет меняться. В результате в каждом из витков будет возникать переменная ЭДС. Во всех витках, расположенных по одну сторону нейтральной линии, ЭДС будут иметь один и тот же знак. Нулевое значение напряжения будет наступать в одном и том же месте, а именно, на нейтральной линии, расположенной симметрично относительно северного и южного полюсов.

Обмотка якоря является замкнутым контуром, но тока в нем не возникает, т. к. сумма мгновенных значений ЭДС всех последовательно соединенных витков обмотки равна нулю (машина симметрична). Если на геометрическую нейтраль установить неподвижные щетки и создать скользящий контакт между щетками и обмоткой, то обмотка будет представлять собой две параллельные ветви, в каждой из которой будут проводники с одинаково направленными ЭДС. Иначе говоря, получаем два параллельных источника ЭДС, состоящих из группы проводников, в каждый момент времени оказывающихся под южным и северным полюсом соответственно. При этом в каждой из обмоток индуктируется переменная ЭДС, а напряжение на зажимах машины постоянно. Если обмотку якоря через щетки замкнуть на сопротивление нагрузки, то в цепи возникнет ток, складывающийся из токов ветвей.

Осуществление скользящего контакта между щетками и обмоткой якоря возможно при удалении изоляции на узкой полосе наружной поверхности обмотки, когда щетки касаются оголенных проводов. В действительности же (в современных конструкциях) щетки касаются медных клинообразных пластин, собранных в цилиндр – коллектор, установленный на валу машины. Пластины коллектора изолированы друг от друга и от вала и соединяются с обмоткой якоря проводниками. Отвод тока от коллектора осуществляется гибким кабелем через щетки, установленные в щеткодержателях.

Электрическая машина постоянного тока, как и другие машины, представляют собой два электромагнитно связанных контура, причем намагничивающая сила (НС) одного из этих контуров поддерживает основное магнитное поле. Этим контуром в машине постоянного тока является обмотка возбуждения машины, а вторичным контуром – обмотка якоря. Пока во вторичном контуре нет тока, этот контур не оказывает влияния на магнитное поле, создаваемое первичным контуром. Но как только в якоре появляется ток, то в магнитной цепи машины возникает дополнительная НС, искажающая и магнитный поток машины. Это явление получило название реакции якоря. Из-за реакции якоря происходит снижение ЭДС машины, некоторое снижение главного магнитного потока, а также ухудшаются условия коммутации машины. Для компенсации реакции якоря между основными полюсами устанавливают дополнительные полюсы, токи обмоток которых создают магнитный поток, противоположный магнитному потоку якоря. Обмотки дополнительных полюсов последовательно соединяют с обмоткой якоря, с тем, чтобы с увеличением тока якоря увеличивалось их компенсирующее действие.

Потери мощности в электрических машинах невелики и составляет 5 – 15% преобразуемой мощности. В целях увеличения магнитного потока и уменьшения потерь на перемагничивание, при изготовлении машин используют специальные сорта стали. Машины постоянного тока изготавливаются на мощности от долей ватт до 12 МВт. Номинальное напряжение их не превышает 1500 В. Частота вращения машин колеблется в широких пределах – от нескольких оборотов до нескольких тысяч оборотов в минуту.

Все электрические машины постоянного тока обратимы: могут работать в режимах генератора и электродвигателя. Цепь возбуждения и цепь якоря в машинах постоянного тока по отношению к сети могут быть включены различными способами.

По способу возбуждения генераторы постоянного тока подразделяют на генераторы с независимым возбуждением и на генераторы с самовозбуждением. У генераторов с независимым возбуждением, например, цепь возбуждения питается от независимого постороннего источника, которым может служить другая машина постоянного тока или аккумулятор. У генераторов с самовозбуждением цепь возбуждения питается непосредственно от самого генератора. Генераторы постоянного тока с самовозбуждением делятся в свою очередь на генераторы с параллельным возбуждением, генераторы с последовательным возбуждением и генераторы со смешанным возбуждением. Для регулирования ЭДС машины достаточно менять ток в цепи возбуждения с помощью регулировочного реостата, который включается последовательно с обмоткой возбуждения.

Самостоятельная работа №12

Тема 6.1 Назначение, устройство, основные параметры и принцип действия трансформатора

Трансформатором называется статическое электромагнитное устройство, преобразующие электрическую. энергию переменного тока с параметрами U1, I1 в электрическую энергию переменного тока с параметрами U2, I2 той же частоты.

Основное назначение трансформаторов – согласование уровней номинальных (рабочих) напряжений или токов источников и приемников электрической. энергии. Кроме согласования трансформаторы применяются для выполнения разделительных, измерительных, дифференцирующих и некоторых других функций, а также специальных функций (например, сварочные трансформаторы).

Устройство трансформатора показано на рисунке 1.



Рисунок 1

Трансформатор состоит из замкнутого ферромагнитного магнитопровода (сердечника), на котором расположены две обмотки, выполненные из медного или алюминиевого провода. Для уменьшения потерь в стали, сердечник собирается из изолированных друг от друга листов электротехнической стали.

Обмотка, с числом витков W1, подключаемая к источнику питания, называется первичной. К другой обмотке с числом витков W2, называемой вторичной, подключается приемник Zн.

Все величины, относящиеся к первичной обмотке (напряжение, ток, мощность, число витков и т. д.) называются первичными, а величины, относящиеся ко вторичной обмотке, - вторичными.

Трансформатор, у которого W2 < W1, называется понижающим. Если W2 > W1, то трансформатор называется повышающим.

Величина к = W1/W2 называется коэффициентом трансформации трансформатора.

Трансформатор, имеющий первичную и одну вторичную обмотку, называется двухобмотачным. Если у трансформатора две или более вторичных обмоток, то он называется трех- или многообмотачным.

В однофазных цепях синусоид тока применяют однофазные трансформаторы, в трехфазных цепях – трехфазные трансформаторы [Борисов, с. 288-289].

На рисунке 2. показаны условные графические обозначения трансформаторов в электрических схемах.


Рисунок 2 – Условные графические обозначения схем однофазного (а, б) и трехфазного (в, г) трансформаторов

У однофазных трансформаторов начало и конец первичной обмотки обозначаются большими буквами: начало А, конец Х; вторичной обмотки – малыми буквами: начало а, конец х. Предполагается, что направление обмотки от начала к концу относительно магнитопровода обеих обмоток одинаковое: или по часовой, или против часовой стрелки].

По мощности трансформаторы подразделяются на трансформаторы:

малой мощности – до 50 – 1000 ВА;

средней мощности – до 20 – 500 кВА;

большой мощности – до 500 000 – 1 000 000 кВА.

Трансформаторы средней и большой мощности, используемые в системах передачи и распределения электроэнергии, а также при ее использовании в промышленных установках называются силовыми.

Трансформаторы, устанавливаемые на электрических станциях и подстанциях, называются силовыми трансформаторами общего назначения. В промышленности широко распространены также силовые трансформаторы специального назначения: выпрямительных, сварочных и др. электроустановок.

Трансформаторы малой мощности применяются в радиотехнических системах и системах автоматического управления производственными процессами. Сюда относятся импульсные, разделительные, согласующие, дифференцирующие и др. типы маломощных трансформаторов.

Несмотря на большое разнообразие типов трансформаторов, принцип действия всех трансформаторов одинаков и основан на явлении электромагнитной индукции.

Принцип действия трансформатора.

Если к первичной обмотке трансформатора подвести напряжение U1, изменяющиеся во времени, то в ней возникнет переменный ток i1 (рис. 1.). Переменная МДС i1W1 создает переменные МП, характеризуемые переменным магнитным потоком Ф1(t), сосредоточенным в сердечнике. Магнитный поток Ф1(t), возбужденный током i1, индуцирует в первичной обмотке трансформатора ЭДС самоиндукции e1, а во вторичной обмотке – ЭДС взаимоиндукции e2. Если ко вторичной обмотке подключен приемник, то во вторичном контуре под действием ЭДС e2 возникнет ток i2. МДС i2W2 вторичной обмотки трансформатора создает свое переменное МП, характеризуемое магнитным потоком Ф2(t), которое взаимодействует с полем первичной обмотки. В магнитопроводе возбуждается переменный поток Ф(t), созданный результирующей МДС обеих обмоток. Этот поток, сцепленный со всеми витками обмоток, называется основным, или рабочим потоком трансформатора. Передача энергии от сети к приемнику происходит посредством магнитного потока Ф(t).

Кроме основного потока Ф(t), в трансформаторе имеются переменные магнитные потоки рассеяния Фр1 и Фр2, которые замыкаются вокруг витков обмоток, в основном через воздух и поэтому линейно связаны с токами в обмотках.

В первичной обмотке трансформатора происходит преобразование электрической. энергии, потребляемой из сети, в энергию МП, а во вторичной обмотке – преобразование энергии МП в электрическую энергию, отдаваемую в основном нагрузке. Потребляя из сети электрическую. мощность P1 = U1i1, трансформатор отдает приемнику электрическую. мощность Р2 = U2i2.

Преобразования энергии сопровождаются выделением тепла в обмотках (Робм) и сердечнике (Рст). В номинальном режиме мощность потерь не велика, поэтому трансформаторы имеют высокий КПД, достигающий у мощных силовых трансформаторов 98  99%.

Мощность вторичной цепи, соответствующая номинальным значениям напряжений и токов



называется номинальной. Она выражается в вольт – амперах (ВА) или киловольт – амперах (кВА). Номинальные данные указываются заводом – изготовителем на щитке трансформатора.

Говоря о принципе работы трансформатора, следует обратить внимание на то, что первичная и вторичная обмотки трансформатора электрически изолированы друг от друга. Обмотки связанны через Ф(t) только магнитно, находясь на общем магнитопроводе.

Самостоятельная работа №13

Тема 6.2 Трехфазные трансформаторы, трансформаторы специального назначения

Трехфазный трансформатор – аппарат, используемый для повышения/понижения трехфазного напряжения до требуемых значений. Такая трансформация необходима для эффективной транспортировки электроэнергии к месту назначения. Три пары обмоток монтируют на едином трехстержневом магнитопроводе (одна обмотка на одном стержне), что обеспечивает компактные габариты и оптимизированную массу аппарата. Обмотки могут соединяться «треугольником» или «звездой». Такое электрооборудование востребовано в электросетях мощностью до 60 кВА.

Предназначение трехфазного трансформатора – преобразовать характеристики электротока таким образом, чтобы при его передаче на дальние дистанции нагрев электропроводов был минимальным, а затем обеспечить параметры, удобные для раздачи тока потребителям. Для передачи тока на удаленные объекты снижают его силу и повышают напряжение до 6-500 кВА, а перед раздачей потребителям – доводят напряжение до 380 В.

В конструкцию этого электрооборудования входят:

• 
  Магнитопровод. Выполняет две функции – служит опорой для фиксации частей аппарата и получения магнитного потока. Конструктивные исполнения – стержневое, броневое, бронестержневое. Стержни набирают из листов электротехнической стали, которые перед сборкой покрывают лаковыми составами для снижения вихревых токов и потерь при перемагничивании.
  
• 
  Обмотки. В каждой фазе имеются две обмотки – понижающая и повышающая. Способы их соединения между собой – «звездой» или «треугольником». Напряжение в таком аппарате бывает двух типов – линейное (между началами фаз) и фазное (между началом и концом фазы). При соединении «звездой» линейное напряжение равно фазному, умноженному на коэффициент 1,73, «треугольником» – линейное напряжение равно фазному. Первый вариант востребован при высоких напряжениях, второй – при значительных токах.
  
• 
  Вводы и выводы – используются для подключения к линиям электропередач. Ввод предназначен для соединения с первичной обмоткой, вывод – со вторичной.
  

Порядок функционирования трехфазных трансформаторов:

Первичная обмотка подключается в сеть переменного тока.

В сердечнике магнитопровода инициируется магнитный поток, охватывающий обмотки всех фаз. В каждом из витков имеется ЭДС, равная для всех витков по силе и направлению.

Если в первичной обмотке число витков превышает число витков во вторичной обмотке, то трансформатор работает как повышающий, и наоборот.

К трансформаторам специального назначения относят трансформаторы, работающие в особых режимах (насыщенной или ненасыщенной магнитной цепи, короткого замыкания или холостого хода и др.) и предназначенные, например, для расширения пределов изменения приборов (измерительные трансформаторы тока и напряжения), для преобразования формы кривой напряжения (пиктрансформаторы), для систем защиты (быстронасыщающиеся), для электрической изоляции от первичной цепи (измерительные трансформаторы, изолирующие трансформаторы и т. д.).

Измерительные трансформаторы напряжения используются для включения вольтметров, частотомеров, обмотки напряжения ваттметров и счетчиков.

Измерительные трансформаторы тока предназначены для подключения амперметров, реле, токовых обмоток ваттметров и счетчиков.

На рис. 1 показана схема включения измерительных приборов через измерительные трансформаторы в однофазную сеть.

Для безопасности прикосновения к приборам один зажим вторичных обмоток трансформаторов заземляют. Измеряемое напряжение U₁ по показанию вольтметра будет U₁ = n_UU₂, а измеряемый ток I₁ – по показаниям амперметра: I₁=n₁,I₂, где n_U и n_I – коэффициенты трансформации трансформаторов напряжения и тока соответственно.

Вторичные обмотки имеют стандартные значения U₂: 100 В для трансформаторов напряжения и 5 и 1 А для трансформаторов тока. Поэтому диапазон измерения может быть расширен путем регулирования коэффициентов трансформации, т.е. соотношения числа витков.



Рисунок 1

Измерительный трансформатор напряжения работает в режиме, близком к холостому ходу. Очевидно точность измерения напряжения будет тем выше, чем меньше падение напряжения на трансформаторе.

В трансформаторах тока, наоборот, снижение погрешности достигается путем снижения тока I₁₀, для чего используется ленточный магнитопровод кольцевой формы из материала с малыми потерями (малое значение коэрцитивной силы Н_c) и работе в ненасыщенной части кривой намагничивания.

Поскольку нормальным режимом работы трансформатора тока является режим короткого замыкания, то для переключений во вторичной цепи устанавливаются приспособления, замыкающие выходные зажимы вторичной обмотки.

Пиктрансформатор (рис. 2) применяется для преобразования напряжения синусоидальной формы в импульсное напряжение пикообразной формы. Пиктрансформатор имеет магнитопровод, состоящий из трех стержней: стержень 1 не насыщен; на нем помещена первичная обмотка; стержень 2 с расположенной на нем вторичной обмоткой насыщается за счет уменьшения площади сечения стержня; стержень 3 является магнитным шунтом и отделен от сердечника воздушным зазором. Магнитный поток стержня 1 замыкается частично через стержни 2 и 3 и равен сумме магнитных потоков этих стержней



Рисунок 2

Самостоятельная работа №14